高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實驗的有效應(yīng)用

朱庭榮

摘 要：創(chuàng)新實驗在高中物理課程教學(xué)中扮演著極為重要的角色，通過創(chuàng)新實驗的設(shè)計和應(yīng)用，可以激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。本文探討了在高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實驗的基本原則，并以魯科版高中物理教材為例分別說明了創(chuàng)新實驗的具體應(yīng)用策略，通過這些方式可以有效提高學(xué)生的參與興趣，培養(yǎng)他們的實踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理；創(chuàng)新實驗；應(yīng)用策略

高中物理教學(xué)中，創(chuàng)新實驗作為一種重要的教學(xué)手段，能夠在更大程度上促進學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。傳統(tǒng)實驗課程往往缺乏趣味性和實踐性，學(xué)生可能對抽象的物理概念感到困惑。在新課改背景下，為提高教學(xué)質(zhì)量和效果，教師在物理實驗設(shè)計中應(yīng)注重創(chuàng)新，充分利用現(xiàn)代技術(shù)和學(xué)生的主動參與，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。

一、創(chuàng)新實驗的定義和價值

創(chuàng)新實驗是指在物理學(xué)科教學(xué)中通過獨立思考、設(shè)計和實施實驗項目，以探究新穎的物理現(xiàn)象、解決實際問題或驗證科學(xué)理論的實踐性活動，要求學(xué)生運用已學(xué)的物理知識和科學(xué)方法，以創(chuàng)新和探索的方式進行實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析。在高中物理創(chuàng)新實驗中，學(xué)生可以選擇感興趣的主題或問題進行深入研究，他們將成為實驗的主體，可參與方案的設(shè)計與實施，從前期的設(shè)計實驗方案、選擇合適的儀器和設(shè)備到中期的實驗操作、收集數(shù)據(jù)，再到分析數(shù)據(jù)并得出相應(yīng)的結(jié)論。同時，學(xué)生還可以通過探索性實驗和改進性實驗，嘗試不同的方法和策略，以提升實驗結(jié)果的可靠性和準確性。新課改背景下，高中物理創(chuàng)新實驗可培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，通過自主設(shè)計和實施實驗項目發(fā)展學(xué)生的問題意識、觀察能力、實驗技能和數(shù)據(jù)處理能力，同時培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和解決問題的能力。

二、高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實驗的基本原則

（一）安全

安全是創(chuàng)新實驗的首要原則。在進行任何實驗之前，教師必須確保實驗環(huán)境和實驗器材的安全性，包括檢查實驗室設(shè)備的完整性和可靠性，確保實驗室通風(fēng)良好，并提供適當?shù)膫€人防護裝備，如實驗室外套、手套和護目鏡。同時，教師還需清楚地說明實驗操作步驟和安全注意事項，并監(jiān)督學(xué)生在實驗過程中遵守安全規(guī)范。為此，教師應(yīng)提前對學(xué)生進行安全培訓(xùn)，確保他們了解和掌握正確的操作方法[1]。實驗結(jié)束后，所有的實驗器材和試劑的處理方式非常重要。試管、燒杯和顯微鏡等必須清洗干凈，徹底去除可能殘留的化學(xué)物質(zhì)。遺留的試劑必須按照相應(yīng)的安全程序和指南進行處理，不能隨意倒入下水道或垃圾桶。通過這些細致嚴謹?shù)牟僮鞑粌H能確保實驗室的整潔，還能防止意外的化學(xué)反應(yīng)或者設(shè)備損壞，從而為下一次實驗創(chuàng)造良好的環(huán)境。

（二）科學(xué)

創(chuàng)新實驗應(yīng)基于科學(xué)原理和物理學(xué)的基本概念，整個實驗設(shè)計應(yīng)符合科學(xué)的邏輯和原則，能夠幫助學(xué)生觀察、探索和驗證物理學(xué)的規(guī)律。為此，教師在設(shè)計實驗時應(yīng)確保實驗的目標明確，有針對性地展示特定的物理概念或現(xiàn)象。同時，實驗設(shè)備和儀器的選擇應(yīng)與實驗?zāi)繕讼嗥ヅ洌⒛軌蛱峁蚀_和可靠的實驗數(shù)據(jù)。為提高學(xué)生的參與度，教師還應(yīng)鼓勵學(xué)生提出問題、進行推理和分析，以培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和實驗?zāi)芰2]。在實驗設(shè)計過程中，教師應(yīng)注重激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲望，讓他們主動參與到實驗的過程中去，從而加深他們對于物理學(xué)原理的理解。

（三）實用

創(chuàng)新實驗應(yīng)具有實用性，能夠與學(xué)生的生活經(jīng)驗和實際問題聯(lián)系起來。一方面，實驗的內(nèi)容和設(shè)計應(yīng)當與學(xué)生的日常生活和實際應(yīng)用密切相關(guān)，更大程度上激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心。通過實驗，學(xué)生可以親身體驗物理現(xiàn)象，并將所學(xué)的知識應(yīng)用到解決實際問題中[3]。另一方面，教師可設(shè)計與生活相關(guān)的實際應(yīng)用實驗，如測量物體的質(zhì)量、測量光的折射角度等，讓學(xué)生在實踐中理解物理概念的意義。

三、高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實驗的應(yīng)用策略

（一）精心設(shè)計趣味性實驗課程，逐級提升操作難度系數(shù)

趣味性實驗課程是指通過設(shè)計有趣、富有創(chuàng)意的實驗項目，以提供愉悅和有趣的學(xué)習(xí)體驗，并激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣和好奇心。在高中物理教學(xué)中，趣味性實驗課程可以采用具有趣味性的實驗設(shè)計、故事性的情境設(shè)置或奇特的實驗裝置等方式，使學(xué)生在實驗過程中獲得樂趣，同時加深對物理概念和原理的理解。這種課程可以激發(fā)學(xué)生主動參與和探索的興趣，培養(yǎng)他們的觀察力、實驗技能和科學(xué)思維能力。為了引發(fā)學(xué)生的興趣并提高他們的參與度，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)主題的特點設(shè)計趣味性實驗課程，并通過選擇與學(xué)生日常生活相關(guān)的實際問題和實驗內(nèi)容來實現(xiàn)。同時，教師可以逐漸提升實驗的操作難度系數(shù)，讓學(xué)生在實踐中不斷挑戰(zhàn)和提升自己的實驗技能和思維能力，激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)他們的實驗興趣和實驗?zāi)芰4]。在魯科版高中物理“摩擦力”的教學(xué)中，教師可設(shè)計一個趣味性實驗“滑稽比拼——摩擦力對滑板運動的影響”，以此激發(fā)全體學(xué)生的興趣，再鼓勵學(xué)生對該實驗進行創(chuàng)新，提高全班學(xué)生的實驗參與度。

首先，教師可組織學(xué)生一起準備實驗材料。

（1）滑板：準備多塊滑板，可以是木質(zhì)或塑料材質(zhì)的，大小相似。（2）表面材質(zhì)：準備幾種不同的材質(zhì)，如紙張、塑料薄膜、毛毯、砂紙等。（3）傾斜面：使用一個傾斜的平面，如一塊長板或書本，使滑板可以在上面滑動。（4）測量工具：如尺子、秒表等。為提高學(xué)生參與感，部分實驗器材可由學(xué)生準備，比如紙張、塑料薄膜等。其次，組織學(xué)生開展相應(yīng)實驗。（1）設(shè)定實驗條件：將傾斜面放置在平整的桌面上，確保其傾角不變。（2）準備不同材質(zhì)的表面：在傾斜面上分別放置不同材質(zhì)的表面材料，如紙張、塑料薄膜、毛毯、砂紙等。每種表面材料都需要有足夠的長度以供滑板滑動。（3）準備滑板：將不同材質(zhì)的滑板放置在傾斜面上，確保其位置和初始狀態(tài)相同。（4）實施實驗：以一定的起始高度讓滑板自由滑下，記錄滑板到達底部所用的時間或滑動距離。然后，重復(fù)上述步驟，每次更換不同的表面材質(zhì)，至少進行三次重復(fù)實驗，以取得可靠的數(shù)據(jù)。（5）數(shù)據(jù)分析：比較不同表面材質(zhì)下滑板滑動的時間或距離，觀察不同材質(zhì)對摩擦力的影響。在這個實驗中，學(xué)生可以觀察和記錄每種表面材質(zhì)下滑板滑動的時間或距離，并比較它們之間的差異。通過分析數(shù)據(jù)，學(xué)生可以得出結(jié)論：不同材質(zhì)的表面對滑板的摩擦力產(chǎn)生了影響。一些材質(zhì)可能減小了滑板與傾斜面之間的摩擦力，使其更快地滑動；而其他材質(zhì)可能增加了摩擦力，使其滑動速度減慢。

為進一步體現(xiàn)實驗的創(chuàng)新性，教師還可鼓勵學(xué)生進一步思考并討論摩擦力與滑板材質(zhì)、表面材質(zhì)之間的關(guān)系，并探索如何減小或增大摩擦力的方法。學(xué)生可以在“滑稽比拼——摩擦力對滑板運動的影響”實驗中進行多個角度的創(chuàng)新。（1）探究不同滑板材質(zhì)的影響：學(xué)生可以選擇不同材質(zhì)的滑板，如木質(zhì)、塑料或金屬滑板，觀察不同滑板材質(zhì)對滑動速度的影響。他們可以比較不同材質(zhì)滑板在相同表面材質(zhì)下的滑動性能，并得出關(guān)于滑板材質(zhì)與摩擦力的結(jié)論。（2）利用潤滑劑減小摩擦力：學(xué)生可以嘗試在滑板與傾斜面之間應(yīng)用不同的潤滑劑，如油脂、潤滑油或凡士林，觀察潤滑劑對滑板滑動的影響。他們可以記錄下使用潤滑劑后的滑動速度，并與無潤滑劑的情況進行比較。（3）考慮斜度對摩擦力的影響：學(xué)生可以調(diào)整傾斜面的角度，比較不同斜度下滑板滑動的速度。他們可以設(shè)計實驗來探究傾斜角度與摩擦力之間的關(guān)系，并觀察斜度對滑板滑動的影響。通過以上創(chuàng)新，學(xué)生能夠擴展實驗的范圍和深度，進一步探究摩擦力對滑板運動的影響，并培養(yǎng)他們的實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析和創(chuàng)新思維能力。同時，教師可以引入一些實際問題，比如怎么提高輪胎的抓地力，或是如何判斷機器人的運動方向等，學(xué)生通過小組的方式進行探究，且可自行提出其他問題進行自主探究。這樣的創(chuàng)新能夠增加實驗的趣味性和學(xué)習(xí)的樂趣，學(xué)生有機會結(jié)合自己的興趣和生活進行實踐，還可提出創(chuàng)新想法，能夠更好激發(fā)學(xué)生對物理學(xué)科的興趣和好奇心。

（二）善于利用學(xué)生的沖突思維，引導(dǎo)學(xué)生主動深度探索

在實驗過程中，學(xué)生常常會有疑惑和思考，他們會遇到認知上的沖突和困惑。教師可利用學(xué)生的沖突思維，引導(dǎo)他們主動深度探索。在設(shè)計實驗時，教師可以故意設(shè)置一些反常或矛盾的實驗結(jié)果，引發(fā)學(xué)生的思考和討論。通過這種方式，學(xué)生不僅能夠加深對物理規(guī)律的理解，還能夠培養(yǎng)解決問題的能力和批判性思維[5]。在此過程中，教師可以鼓勵學(xué)生提出自己的假設(shè)和解釋，并引導(dǎo)他們進行實驗驗證和推理，以加深對物理概念的理解。在魯科版高中物理“楞次定律”的教學(xué)中，教師可以進行環(huán)跳實驗，展示當一個金屬環(huán)在一個變化的磁場中被放置時，它會跳起來的現(xiàn)象。然后詢問學(xué)生：“金屬環(huán)為什么會跳起來？”這個問題會引發(fā)學(xué)生的思考。學(xué)生可能會提出一些假設(shè)和解釋，例如認為金屬環(huán)跳起來是因為有電流在環(huán)中流動，或者是因為磁力作用等。在此基礎(chǔ)上，教師再進一步引導(dǎo)學(xué)生思考感應(yīng)電流的方向與磁通量變化的關(guān)系，由此提問：“感應(yīng)電流的方向和磁通量的變化有什么關(guān)系？感應(yīng)電流的方向又與原磁場的方向有什么關(guān)系？”通過這些問題激發(fā)學(xué)生對于磁通量變化和感應(yīng)電流方向之間的聯(lián)系的思考。然后，教師再指出原磁場的方向和運動對磁通量的變化有直接的影響，并引導(dǎo)學(xué)生思考如何建立感應(yīng)電流方向與原磁場方向之間的聯(lián)系，通過比較尋找它們之間的關(guān)系。通過這樣的引導(dǎo)，學(xué)生會逐漸理解和掌握楞次定律的概念，以此培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和解決問題的能力，讓學(xué)生體驗到科學(xué)探究的樂趣和成就感。

（三）積極創(chuàng)新傳統(tǒng)實驗課程，不斷強化學(xué)生的實踐力

傳統(tǒng)的實驗課程是物理教學(xué)中的重要組成部分，但教師可以積極創(chuàng)新這些實驗，使其更具實踐性和互動性。例如引入計算機模擬實驗、虛擬實驗和實驗仿真等現(xiàn)代技術(shù)，讓學(xué)生通過計算機軟件進行實驗操作和數(shù)據(jù)分析。這樣的創(chuàng)新可以幫助學(xué)生更直觀地觀察和理解物理現(xiàn)象，并提供更多的實驗機會，不受時間和資源的限制。在魯科版高中物理“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”教學(xué)中，教師可以引入計算機模擬實驗軟件，讓學(xué)生通過電腦進行實驗操作和數(shù)據(jù)分析。學(xué)生可以在虛擬實驗室中進行不同條件下的力、質(zhì)量和加速度的實驗，通過改變不同參數(shù)，觀察實驗結(jié)果，并分析它們之間的關(guān)系。通過這樣的模擬實驗，學(xué)生能夠更直觀地觀察和理解物理現(xiàn)象，也能夠進行更多的實驗嘗試，并且不受時間和資源的限制。同時，教師還可利用實驗仿真軟件，讓學(xué)生通過虛擬實驗設(shè)備進行實驗。例如使用仿真軟件模擬在不同力作用下的物體運動情況，觀察加速度和質(zhì)量之間的關(guān)系。實踐過程中，學(xué)生可以自主設(shè)置實驗參數(shù)，并觀察仿真結(jié)果，進一步加深對加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的理解。通過實驗仿真，學(xué)生能夠進行多次實驗，比較不同條件下的實驗結(jié)果，加深對物理規(guī)律的理解。通過這樣的創(chuàng)新實驗形式，學(xué)生可以更直觀地觀察和理解物理現(xiàn)象，并進行更多的實驗探究，從而加深對物理規(guī)律的理解。

（四）鼓勵學(xué)生自主設(shè)計和改進，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維

創(chuàng)新實驗的設(shè)計還應(yīng)積極調(diào)動學(xué)生的參與性，教師可鼓勵學(xué)生進行自主設(shè)計和改進傳統(tǒng)實驗，以提高學(xué)生的實踐能力。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和需求選擇實驗主題，并設(shè)計實驗方案、收集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。一個智能機器人除了由機械部件、控制器、編程等構(gòu)成，通常也具備一定的感知能力。在高中物理教學(xué)中，這些具有感知能力的電子器件稱為傳感器，學(xué)生常常會接觸到聲音傳感器、煙霧傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等。而這些傳感器如何將非電學(xué)量轉(zhuǎn)成電學(xué)量呢，在日常生活中話筒中電磁感應(yīng)現(xiàn)象就是一個生動的載體。師生可以共同利用“話筒”破解電磁感應(yīng)現(xiàn)象的應(yīng)用，同時，教師也可以鼓勵學(xué)生多設(shè)計創(chuàng)新實驗，使用電磁爐為載體進行實驗觀察。教師可先展示電磁爐內(nèi)部大線圈，用另一連接著燈泡閉合線圈在通電的大線圈上方左右移動，觀察燈泡的亮暗，體會互感原理；可讓學(xué)生展示通電后電磁爐驅(qū)動易拉罐運動的情景，觀察怎樣使易拉罐運動更快些；可展示電磁爐給手機充電，觀察如何更快更安全充滿手機的電量。學(xué)生可以比較自己的實驗結(jié)果與理論預(yù)期，分析實驗的誤差和改進的可能性。這個創(chuàng)新實驗不僅能培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力、創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)，同時還能讓學(xué)生體驗到科學(xué)探索的樂趣和成就感。

結(jié)束語

綜上所述，高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實驗的應(yīng)用策略包括精心設(shè)計趣味性實驗課程、善于利用學(xué)生的沖突思維和積極創(chuàng)新傳統(tǒng)實驗課程。通過這些策略，教師可以激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，引導(dǎo)學(xué)生主動探索和深入思考，提高學(xué)生的實踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。創(chuàng)新實驗不僅可以增強學(xué)生對物理知識的理解和應(yīng)用能力，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新意識。

參考文獻

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本文系福州市教育信息技術(shù)研究課題“基于機器人的物理創(chuàng)新實驗實踐研究”（課題編號：FZDJ2020A04）的主要研究成果。