基于低成本實驗的教學設計

鄧瑞華

【摘要】物理是一門以實驗為基礎的學科，在新課程標準大力提倡低成本實驗的背景下，要求教師低使用成本的實驗材料，開展低成本實驗，并保障實驗教學的預期效果實現，這就對物理教師的教學帶來了挑戰，既需要教師樹立低成本實驗的意識，又要從低成本實驗的視角出發設計教學方案，以促進學生實驗能力的提升.本文以浮力產生的原因實驗為例，對低成本實驗的概念、教學設計原則及其方法進行幾點分析，以供參考.

【關鍵詞】初中物理；低成本實驗；教學設計

實驗不僅是學生物理學科學習過程中的一項活動，同時也是教師物理教學的一種方法.對于初中學生而言，低成本的實驗設計可以讓他們有更多親身參與、體驗、操作實驗的機會.正如蘇霍姆林斯基所說，兒童的智慧在他的指尖上，只有讓學生親身經歷實驗操作的過程，參與到實驗之中，才能實現“做中學”，建立理論與實踐之間的關系，帶領學生從書本知識走向實踐能力的發展.低成本實驗的設計能夠為教師的物理實驗教學指明方向，轉變教師的實驗設計理念以及方式，促使學生在低成本實驗的參與中形成探究意識，形成自主學習能力，從低成本實驗中總結出物理概念、理論、定律等，更好地感知物理的魅力.相較于復雜的、高成本的實驗方式，低成本實驗具有簡單易行、損耗低、耗費少等特點，許多實驗材料都可以在生活中獲得，甚至是生活中的廢舊物品，能夠極大地吸引學生的注意力，讓學生知道利用生活中常見的物品也可以做出不可思議的實驗，帶領學生從中剖析物理原理，提升學生的物理學習水平.

1 什么是低成本實驗

中學物理實驗可以分為兩種，一種是常規實驗，另一種是非常規實驗.低成本實驗屬于非常規實驗，是指將一些看似與物理毫不相關的生活用品，乃至廢舊材料，通過簡單的加工、改造，制作成具有較高使用價值的物理實驗器材，這是狹義的低成本實驗.而從廣義的角度分析，實驗是指能夠補充課內常規實驗不足，取材簡單且便于操作的實驗類型，并且能夠促使學生在低成本實驗中理解實驗原理.羅杰斯所提出的學習動機理論是低成本實驗教學實施的理論基礎，可以促使學生在低成本實驗中實現自我的價值，經歷全身心投入、自我發起以及自我完善的過程，能夠激發學生的個性潛能.

2 低成本實驗教學設計應遵循的原則

2.1 簡單性原則

教師在設計低成本實驗的過程中，除了要考慮到實驗器材購買以及制作中需要消耗的資金成本，還應關注學生學習中的時間成本消耗問題.課堂教學的時間是有限的，若是因為降低實驗材料的選取成本，而大大地增加了學生的制作時間成本，并不能稱之為優質的實驗設計.麥克斯韋在研究中表明，科學探究實驗越簡單，越可以吸引學習者的目光，拉近實驗與學生之間的距離，促使學生全身心地投入到實驗探索中，實驗的價值也會更高.因此，應盡量選擇簡單的實驗器材，并且在保證實驗教學成效不受到負面影響的情況下，適當地簡化實驗過程，讓學生在簡單的物理實驗中總結物理規律，掌握物理原理.一般情況下，教師在選取實驗器材時可以從生活入手，選擇簡單、經濟實惠的身邊的生活材料，讓學生建立物理與生活之間的關系，并在后續的物理學習中學會從生活中搜集物理資源，促使學生在簡單的物理實驗中獲得更好的學習體驗，進而驗證“生活處處皆物理”的名言.

2.2 直觀性原則

從物理實驗的角度分析，實驗現象的直觀性應具備“千言萬語說不清，一看實驗就分明”的作用，教師在低成本實驗的教學設計中同樣需要遵循直觀性的原則，能夠在教學設計中充分地考慮學生的已有經驗以及知識基礎，結合初中學生以具象思維為主的發展特征，能夠盡可能地使用低成本實驗促使學生感知實驗現象，增加實驗現象的可見性以及實驗結果的可信度.若是教師在低成本實驗設計中，因為過度追求物質成本的降低，而導致實驗現象不明顯，無法讓學生從中清楚地觀察到物理現象，就會降低實驗的可信度，面對這樣的問題，需要教師改進常規的實驗材料或裝置，在教學設計中考慮到低成本實驗受到的空間環境或時間條件的約束問題，嘗試通過改進實驗的方式，增加實驗現象的直觀性，讓實驗結果更加直觀可見.

2.3 創造性原則

低成本實驗本身就是對常規實驗的一種創新，比如在取材上不同于常規的實驗，要求教師在低成本實驗的教學設計中調整實驗教學的整體框架，能夠創新實驗教學的過程或者方法，以此減少物理實驗“教”與“學”的成本投入.低成本實驗的教學設計對于教師而言是物理教學發展的必然趨勢，同時對物理教師的教學也提出了更高的標準，需要教師在降低實驗成本的同時，能夠保障原有的實驗教學價值不會被削弱，幫助學生攻克物理學習中的難關.想要實現這一目標，首先需要教師在低成本實驗的教學設計中敢于創新，其次要注重引領學生在低成本實驗學習中形成創造性思維，能夠打破傳統課堂教學的束縛，讓物理教學緊跟時代發展的步伐，在物理實驗設計中貫徹低成本實驗理念，減少不必要的實驗材料損耗，提升學生的物理學習效率.

3 基于低成本實驗的浮力產生原因實驗教學設計

3.1 學情分析

“浮力”是八年級下冊第十章的內容，在此之前學生已經基本掌握了力、力與運動、壓強等方面的知識，浮力的學習就是建立在學生了解并掌握力、力與運動、壓強等知識的基礎上的，是對力學的更進一步學習.浮力在生活中隨處可見，也被廣泛運用于多個領域之中，但是在書本中只是給出了浮力的概念，對于浮力究竟是如何產生的并未細說，只是給出了一個簡單的示意圖，要求學生利用知識經驗分析物體在水面上表面與下表面所受力的不同，認識到是因為壓力差的存在才會產生浮力.但是，若只是從理論的層面上分析浮力產生的原因，會因為過于抽象而增加學生的理解難度，結合學生的實際學習情況以及學習需求，教師可以從生活中選擇一些常見的物品自制教具，讓學生從低成本實驗中通過直觀的觀察演示實驗親身感觸，從而認識到浮力存在.

3.2 教具制作

設計靈感來源：在保證實驗的低成本前提下，為了讓物理實驗更加生動、有趣，大部分教師會選擇使用瓶子和乒乓球作為實驗器材，但是許多教師在實驗教具的設計中會存在一些問題，導致實驗的效果并不理想.比如：（1）取一個瓶口直徑略小于乒乓球直徑的水瓶，沿著中間剪開，取用帶有瓶口的一端，將瓶口向下放置；（2）取一個乒乓球，將乒乓球放置于倒置的半截礦泉水瓶中；（3）將瓶中注水，發現水會慢慢向下流，乒乓球沒有上浮；（4）用手掌將瓶口堵上，不讓水流出，發現水瓶中的水位上漲，乒乓球上浮.

此次實驗設計存在兩點不足之處：第一，在實驗過程中操作者用手堵住瓶口時，瓶子中會存有一部分氣體，這些氣體的存在會因為逐漸增加的水量而產生一定的壓力，影響了瓶內的氣壓值，對實驗結果造成了影響，無法準確地判斷乒乓球上浮的原因；第二，由于瓶子較小，當用手掌堵住瓶口時，水很快就填滿了瓶子內部空間，沒有給學生足夠的觀察時間，因為無法觀察到實驗現象，讓實驗探究的意義大打折扣.

低成本實驗材料：大的礦泉水瓶子，乒乓球，吸管，鐵絲，膠水.

低成本實驗材料制作方法：如圖1所示，（1）取來礦泉水瓶子，沿著水瓶中間剪開；（2）將切開口有底部的瓶子去底，并將其部分瓶身豎著剪開，使瓶身可以展開；（3）將去底并將瓶身剪開的部分緊貼瓶口旋轉，用鐵絲將其固定，用膠水加固，以此保障實驗器材的密閉性；（4）在瓶口側面鉆一個小孔，需要注意的是孔的位置要盡量靠近乒乓球，選擇一根吸管插入到小孔中，為了不破壞瓶子的密閉性，所選擇的吸管直徑應略小于小孔直徑，將其插入到小孔中，用膠水封好.

改進后的實驗教具可以避免上述中問題的發生，當用手掌堵住出水口時，產生的氣體可以通過吸管排出，避免氣體壓強對于實驗結果產生干擾，同時乒乓球與瓶口之間的內部空間增加，可以給學生留有更多觀察的時間，讓學生可以從實驗中觀察到內部液體的變化以及乒乓球上浮的過程.

3.3 過程設計

“浮力產生的原因”是八年級學生浮力課程學習的第一個知識點，在教學設計中教師可以將其作為新課引入的材料，有助于調動學生的學習熱情，幫助學生在后續的學習中深刻理解浮力.浮力雖然在生活中隨處可見，但是學生在本節課的學習之前對于浮力并沒有系統的概念，更不知道浮力究竟是從何而來，這個教具的設計可以以魔術表演的形式呈現出來，也可以鼓勵學生在課前按照要求完成學具的制作任務，在課堂上教師帶領學生共同完成，通過實驗的方式讓初中學生更加清晰地了解浮力.為了讓實驗現象更加明顯，可以用紅墨水、茶葉泡一些顏色比較深的液體，這樣有助于學生觀察實驗現象.在實驗過程中先在實驗器材中放置乒乓球，再將去掉茶葉的茶水自上而下倒入瓶子中，此時學生觀察到的實驗現象是乒乓球并沒有上浮，學生開始產生疑惑：“為什么預想的乒乓球漂浮現象沒有發生？”“魔術的奧秘在哪里？”“使用什么方法可以讓乒乓球上浮呢？”由此激發了學生的問題思維，紛紛開始討論，提出實驗的猜想，有的學生表示：“或許用手掌堵住瓶口就可以讓乒乓球上浮了”.為了驗證猜想，學生們開啟新一輪的實驗，發現當堵住瓶口時，瓶子中的水位越來越高，直到乒乓球的下表面接觸到水，開始上浮，隨著水位的增加，乒乓球上浮的高度也隨之增高.為了繼續驗證試驗結果的準確性，讓學生掌握實驗操作的步驟與方法，教師可以組織小組合作學習活動，以小組為單位自主操作完成實驗探究活動，記錄實驗現象，合作討論問題，總結出實驗結果，對比各自的實驗結果是否一致.

這樣的實驗器材使用可以減少物理實驗操作中的成本，具有簡單易于操作的優勢，同時解決了課本上對于浮力產生原因講解過于抽象的問題，讓學生在低成本實驗的參與、觀察、討論與總結中，對于浮力以及浮力產生的原因有一個更為直接的認識，降低了學生的學習難度，提升了物理實驗的說服力.學生在課下可以自己制作實驗器具，在生活中即可取材，很多學生在課堂學習中不盡興，課后又一次制作實驗器具，反復操作實驗過程，可見這樣的實驗備受學生的喜愛.

4 結語

綜上所述，初中物理低成本實驗教學設計的原則及其方法，教師應認識到低成本實驗的設計可以推動物理實驗教學的改革與創新，符合新課改的要求，能夠培養學生形成節約的意識，促使學生在低成本實驗活動的參與中，掌握物理實驗的方法，理解抽象的物理知識，獲得動手能力的鍛煉.因此，教師應在教學實踐中不斷地總結經驗，完善低成本實驗的教學設計方案，為課堂教學的有效實施提供保障，促進學生物理實驗能力的發展.

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