論高中物理教學中創新實驗的設計與實踐

余草蘆

摘 要：高中物理教育改革中強調要培養學生的“科學思維”。實驗是物理學科的基石，也是激發學生創新意識的重要手段，成為當前物理教學改革的中心要素。文章從物理創新實驗的概念及其設計實踐的意義上切入，剖析了物理實驗教學的特點與優勢。隨后以魯科版高三物理教學為例，探索創新實驗設計與實踐的可行策略，以期能為所在地區的有關物理教學工作者提供可靠依據，從而改善當前物理教學質量，讓學生能在創新實驗中體會到物理學習樂趣的同時提高成績。

關鍵詞：高中物理；物理教學；創新實驗；設計實踐；策略

《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）明確要求教學活動中要進一步落實學生的科學思維、創新精神培育。黨的二十大報告中提出“創新是第一動力”。創新驅動本質是人才驅動，再次論證了培養學生創新意識與精神的重要性，這對教育內容、教學方法都提出嚴格要求。物理學科教學過程中，學生的創新個性、創新思維、實踐能力與想象力都可依托實驗來實現。由此可見，物理創新實驗的設計與運用至關重要[1]。

一、物理創新實驗概念與設計實踐意義

（一）物理創新實驗

《物理實驗論》指出“物理實驗”是研究者使用科學儀器與設備，按預先設想進程開展來探究物理規律的活動。立足于高中物理實驗教學的角度來看，它指教師或學生使用實驗器材在課堂中（或課外）來觀察物理現象，探究或驗證物理規律的實踐活動。當前實驗在物理教學中的作用愈發突出，為適應新時代下創新型人才培養的趨勢，新課標中強調了要“創新物理實驗教學方式”。物理創新實驗指以物理學科為對象，通過探究性實驗等培養學生創新精神、意識與思維，深度挖掘出學生創新潛力的實驗。關于物理實驗的“創新”體現于兩點：第一，對實驗的創新，例如將原本教材中的實驗加以改進，從實驗條件、設計、手段上創新；第二，對實驗教學的創新，體現在實驗教學的設計、實施上[2]。

（二）物理創新實驗設計與實踐意義

首先，創新實驗設計，激發學生興趣。物理理論枯燥復雜，部分學生學習會有難度，易失去對物理的興趣。創新實驗教學能用生動趣味的方式呈現知識，讓學生主動投入探索中。其次，鼓勵學生自主探究，培養學生創新能力。物理創新實驗教學中學生在課堂上的角色發生轉變，不再是以往課堂上的旁觀者，而是參與者。學生可運用各種物理儀器與工具來觀察物理現象，能很好地激發其潛在創造創新的能力，這也與新課標中“突出學生主體地位”內涵契合。

二、高中物理實驗教學現狀概述

高中物理對于學生的邏輯思維要求較高，若學生僅僅是對物理理論知識和原理死記硬背，無法達到理想的教學效果。創新物理實驗作為有效的教學手段之一，彌補了傳統實驗的不足，具備突出的運用價值。從實際調查上分析，當前高中物理實驗教學現狀與問題表現如下：首先，從學生角度上分析。大部分學生對于物理實驗的興趣度高，對創新實驗的興趣更高，但因高中學習壓力大，學生在創新實驗中的主動性會被削弱；部分學生的創新能力不足，對于物理知識的遷移能力較弱，也并不善于信息的歸納整理，容易依賴教師或其他同學；還有部分學生存在思維惰性，在物理實驗中的創新欲望和意識淡薄。其次，從教師角度分析。部分教師對創新物理實驗教學缺乏深層次認識，導致物理實驗教學流于表面，缺乏思維深度與廣度；部分物理教師會過度看重創新實驗結果，卻忽略實驗開展過程，例如：片面地認為只要讓學生掌握實驗結論，能回答考試題目即可，卻忽視了對學生深層思維的激發，很難培養其創新能力；教師重知識傳授，輕探究指引，導致學生創新能力不足。部分教師教學有“急功近利”的意識，甚至有“講實驗不如背實驗”的謬論，學生長期不動手、不動腦，自然會影響創新能力提升[3]。

三、高中物理創新實驗教學特點與優勢

創新教育是以繼承為基礎，學生全面發展為目標的新型教育模式。創新實驗教學從以往物理教學中傳統的“知識講述”“填鴨式教學”進行轉變，強調對學生的知識、能力與思維的綜合培養。物理創新實驗教學的特點有三：第一，教學要求層次性。不同學生在物理知識基礎、認知水平、學習態度多方面差異突出，創新實驗教學能結合不同層次學生提出差異性的教學要求與任務，讓教學工作更具針對性，例如教師可將物理實驗項目分為選做、必做不同類型。第二，學生學習的探究性。物理創新實驗內容往往會涉及多個章節的知識，要求學生在實驗中要自主探究分析，從以往的“要你學”轉變為“我要學”。第三，信息交流的互動性。創新實驗教學突破了傳統教學的單一化模式，促使師生間、生生間在教學過程中圍繞著實驗來溝通，激發學生興趣。

創新實驗教學與傳統實驗教學相比，具備優勢如下：首先，有利于學生知識建構與綜合能力培養。實驗教學具備理論驗證、技能訓練、探索研究等功能，能更好地幫助學生構建物理知識體系。1.理論驗證功能，即學生能借助創新實驗去驗證相關理論知識，實現鞏固。2.技能訓練功能[4]。3.探索研究功能。實驗中學生觀察、記錄、處理數據，分析、歸納整理等過程，能訓練其科研能力，激發其探索意識。其次，有利于激發學生學習積極性。創新實驗教學注重實驗的科學化設計和學生深入探究的過程，有效引導學生動手動腦，發揮學生實驗過程中的主動性與創造性。

四、高中物理教學中創新實驗的設計與實踐策略

（一）遵循創新原則要求，明確實驗設計與實踐的流程

在實施物理創新實驗教學前，要先深入了解它與傳統實驗的區別，從而在設計與實踐中遵循相關原則并按照流程實施。如下表1所示，是整理出來的物理創新實驗與傳統實驗的差異表。在實驗設計與實踐中要遵循的基本原則有：第一，創新性。實驗教學可從多元化的角度來實現創新，例如將生活中常見的物品轉變為實驗教具，讓學生眼前一亮，激發學生思考的積極性；又如搭建創新的實驗情境，讓復雜的物理知識被簡化。第二，實用性。教師要明確物理創新實驗并非為了“創新”而創新，要確保將物理實驗的現象與結論等知識傳遞給學生。第三，親和性。物理創新實驗中的儀器可從學生生活中選取，且營造出師生、生生思維碰撞的契機，讓學生體驗到研究過程的曲折。高中物理創新實驗要滿足相關要求，如便于學生觀察，有沖擊力，同時還具備良好互動性，能突出教學課程的重點。作為新時期下的物理教師，要明確創新實驗的設計和實踐基本流程，分別有：前期分析、實驗設計、實驗制作、實驗運行、效果評估，并按要求逐一落實從而確保教學效果，有效培養出學生在物理學科中的創新能力[5]。

（二）轉變傳統教學理念，營造良好創新實驗教學氛圍

創新實驗設計與實踐中，物理教師教學理念及整體教學氛圍都是確保實驗順利的基礎條件。物理教師要具備更專業的教學能力和良好的學科素養，能端正教學思想，轉變以往的教學思路。例如：在學生實驗動手操作的階段，要循序漸進地加以引導，并提出問題讓學生主動去思考探究，做好學生的啟迪；又如：在教學的材料準備、流程設計中教師也要主動轉變觀念，強化實驗教學的趣味性。與此同時，物理教師要努力構建出適合創新實驗教學的良好氛圍，鼓勵學生參與其中。例如：為創新實驗精心設計出導入語，奠定教學氛圍；在實驗設計階段教師要留給學生思考的空間，讓學生自主地去歸納和實驗有關的課程知識點，激發學生學習熱情；教學中通過巧妙點撥、結合時代信息，也能優化實驗教學的氣氛。以教學魯科版選擇性必修“固體與液體”為例，教師可精心設計，運用古詩詞來導入。分別用“波中植甚固，磔磔如蝦須”“花自飄零水自流”來分別讓學生掌握固體、液體的特征，為創新實驗教學開展打下基礎。同樣，以教學選修課3-3第六章《能源與可持續發展》為例，教師可為學生列舉出奧運體育館“水立方”膜結構（外圍材料：環保節能ETFE四氟乙烯膜）、世博會“陽光谷”的采光通風新技術、江水源熱泵生態技術、冬運會電子火炬減排措施等多個案例，將社會信息引入物理知識教學中，為創新實驗教學創設出良好情境，從而在傳授物理知識、激發學生大局觀的過程中，營造出良好的實驗氛圍，活躍學生在實驗教學中的思維。

（三）細化創新實驗環節，放大實驗要點加深學生記憶

物理教學創新實驗中要細化并改進實驗，幫助學生強化記憶和理解。以教學魯科版“分子動理論與氣體實驗定律”中的第二節為例，在“油膜法估測分子大小”的測量實驗中，可通過改進實驗環節，并放大實驗細節等方式來加深學生記憶。相關實驗步驟如下：1.準備好淺盤并用稀釋的酒精溶液清洗，再用清水過濾，確保消除油污、粉塵等；同時還提前準備了注射器、量筒、塑料水槽、玻璃板（30cm×30cm）、坐標紙、痱子粉等器材。2.配置酒精油酸溶液，將1ml油酸置于200ml容量瓶中，隨后注入酒精，直至容量約200ml并均勻搖動。3.指導學生計算純油酸體積。4.往淺盤倒約2ml的清水，撒上痱子粉，滴油酸酒精溶液，待其形成薄膜（如圖1）。5.將油酸膜形狀用彩筆畫在玻璃上。6.將玻璃板放在坐標紙上，計算其面積。7.根據每滴油酸體積與薄膜面積來計算油酸膜厚度，即分子大小。實際操作中存在撒粉、滴液控制、計算等方面的問題，物理教師可改進實驗。例如：部分學生撒粉過厚或不均勻，可借助直徑2～4cm的塑料筒（如廣口塑料瓶）來解決問題，將筒的口與蓋間夾上紗布，輕輕倒立并敲擊，從而能解決撒粉質量的問題；為解決滴液中“多滴”“滴成液線”問題，物理教師可指導學生先在水槽旁豎立滴管滴出4～5滴，勻速移動到水盤上方滴入，再迅速移開，簡化操作并能讓學生明確人為誤差對實驗結果的影響。通過細化與改進此類創新實驗，能讓更多學生了解油酸分子的結構特點并掌握“油膜法”的要點，還能初步學會統計法來計算物理量，顯著提升物理知識的運用成效。

（四）引導觀察實驗過程，指導學生分組參與實驗操作

為了確保學生在物理創新實驗的操作規范性，能及時發現不合適的物理現象后及時糾正，作為物理教師要反復強調教學要點，并重視對學生的指導。雖然高三階段的學生相較而言獨立操作的能力明顯提升，但面對各種新奇新鮮的物理知識，學生難免會有緊張的情緒，易造成操作失誤的現象。為此，物理教師要拉近與學生溝通的距離，引導學生觀察并參與操作。為提升實驗教學效率，實驗分組是有效的手段之一。教師要結合班級學生物理知識掌握程度、自學能力、實踐技能、協調能力與性格特征等來劃分小組，并要求各小組要自行安排小組長和組員的分工。例如某同學負責搜集實驗資料，某同學負責檢查實驗工具，某同學負責代表小組向教師和同學匯報實驗操作結果等。通過在實驗教學中融合小組學習的模式，能在實現創新的同時讓學生緊跟教師步伐學習，提升教學效率。以教學選修3-4第五章《光的干涉》為例，教師同樣可將學生劃分小組，借助“雙縫干涉測光的波長”的創新實驗來教學。但該章節的相關實驗中不但涉及的器材種類較多，且操作難度較大。例如：實驗中不僅要安裝和調整器材（光源、單縫、雙縫、遮光筒等），且學生還需仔細觀察雙縫干涉的圖樣，確保通過調節單縫位置等來讓雙縫干涉的條紋亮度更清晰。在實際的實驗操作中許多學生可能存在操作不當等問題，會影響實驗結果。物理教師要在此過程中做好組內成員的督促和有效分工，保障學生能相互提醒與指導，最大限度上減少實驗操作中的錯誤，讓學生取長補短，最終成功完成實驗操作。

（五）加強實驗與生活的聯系，培養學生物理學科核心素養

物理創新實驗設計與實踐，要滲透在學生的生活實際中，方可達到理想效果。以教學熱力學定律章節“能量的轉化與守恒”為例，在實施創新實驗教學前要先讓學生了解該定律的內涵與生活的聯系。該定律中涉及了力學、熱學、電學、磁學、電化學等多個領域，解釋了自然界中常見的現象。因此在教學中物理教師要加強實驗與學生生活的聯系并強化點撥，從而幫助學生樹立起科學的價值觀，形成可持續化發展的觀念，有效培養學生的物理學科素養。在實驗教學前，先提出問題“為什么水只能從高處流向低處”，學生可通過思考得出結論“能量的轉化需要條件”。隨后繼續提問：“電風扇工作時消耗的電能和電動機獲得的機械能是不是一樣的？”學習“能的轉化”內容時分別讓學生完成幾種科學小實驗：1.準備黑色塑料袋和盆子，在塑料袋中盛滿一半的水并插好溫度計，將其置于教室窗外使其曬陽光，過段時間后記錄溫度計的變化。2.讓帶有太陽能電池的小風扇對著太陽光，促使風扇自然轉動。3.用鋼筆桿在毛衣或頭發上摩擦，靠近碎紙，觀察紙片是否被吸起。通過完成生活小實驗，能讓學生分別總結出光現象、力現象和電現象的聯系，并總結出能的轉化過程，有效提升教學成效[6]。

（六）探究物理實驗原理，構建物理典型模型加以驗證

物理教學創新實驗教學中，要圍繞探究實驗原理為宗旨來設計與實踐。以教學“光電效應”相關知識為例，提前可準備自制的光電效應實驗演示儀器、DIS實驗系統、GD-28光電管、發光二極管等來設計實驗。結合傳統實驗的基礎上來進行創新與優化。首先，將以往的純理論教學變為直觀化的教學實驗，回歸到物理教學本質中，幫助學生以實驗來剖析原理知識。其次，教師利用傳感器等設備來繪制出I-U圖像，結合圖像法、對比法等綜合的教學模式，讓學生掌握飽和電流、遏止電壓等知識，為與其他物理知識的整合奠定了基礎。分步驟實施創新實驗：1.無光照的條件下，予以光電管正向電壓，觀察是否存在光電流，學生結合實驗結果回答“無”并做好記錄。2.用藍光照射光電管，增加正向電壓，觀察電流；隨后再照射同時改變成增加反向電壓，讓學生再次記錄下電流的改變，做好記錄。3.用藍光照射光電管，將所增加的電壓看作是橫坐標，電流值則為縱坐標，讓學生嘗試探究兩者間的關系。4.在步驟3的基礎上再次強化光照的強度，分析電壓、電流變化。5.將藍光換作紫光，重復步驟3、4的操作。6.分別改變光強度、光照的時間，用紅外線再照射，觀察是否存在光電效應。在教學過程中可結合DIS實驗系統來記錄分析，幫助學生探究不同實驗條件下的結果。在實驗教學中還可引入相關物理典型模型來實現創新，同時強化學生對物理定律的理解。以“動量守恒定律”為例，教學中可圍繞碰撞模型、反沖模型、人船模型等，深化學生理解。

（七）積極運用現代科技，優化物理創新實驗實踐形式

將現代科技教學手段融入高中物理實驗教學是必然趨勢。1.多媒體課件。以教學“電子的發現與湯姆孫原子模型”為例，由于該課程復雜抽象知識點較多，為幫助學生理解，便可利用多媒體課件來實施教學，用演示法、啟發法的綜合教學實現有關實驗教學創新。多媒體課件內容可設計如下：講述物質結構早期探究，包括我國西周時期、古希臘時期的研究成果；講解德國物理學家發現電子，用圖片來展示“陰極射線”；用多媒體課件展示相關實驗操作與密立根油滴實驗的原理圖，用更直觀的方式讓學生理解。2.幾何畫板。考慮到部分物理實驗存在特殊性，如宏觀、微觀的、運動極快（或極慢）的過程，難以很直觀地為學生展示。例如：在教學“波的衍射與干涉”時，物理教師可積極運用幾何畫板來教學。教師演示時只需點擊按鈕，學生便能迅速發現波會從波源的位置朝著四周發散開來，教師點擊寬度按鈕后狹縫尺寸也隨之變化。教學波的干涉時也可利用幾何畫板，邊點擊按鈕邊讓學生自行觀察并思考實驗結論。幾何畫板的優勢在于能展示常規實驗無法演示的過程，揭示物理規律，切實地實現了實驗教學的創新。條件允許下還可運用仿真物理實驗室來實現教學創新，發揮出現代科技在物理實驗教學中的優勢。

結束語

綜上所述，高中物理課程教學中創新實驗的設計和實踐能很大程度提高學生學習參與性，有效保障物理教學效率。經研究得出結論：物理教學創新實驗設計與實踐意義重大，具體實施中可從七點落實：遵循創新原則要求，明確實驗設計與實踐的流程；轉變傳統教學理念，營造良好創新實驗教學氛圍；細化創新實驗環節，放大實驗要點加深學生記憶；引導觀察實驗過程，指導學生分組參與實驗操作；加強實驗與生活的聯系，培養學生物理學科核心素養；探究物理實驗原理，構建物理典型模型加以驗證；積極運用現代科技，優化物理創新實驗實踐形式。相信實施后能為高中物理教學改革與實踐創新奠定基礎，順利完成物理教學目標。

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