巧用“非常規(guī)”物理實驗培育學(xué)生學(xué)科品質(zhì)

教師在教學(xué)中可以充分利用學(xué)生生活中的易得器具、學(xué)習(xí)用品、玩具、手機(jī)等，開發(fā)出展示物理現(xiàn)象、啟迪物理思維、揭示物理規(guī)律等寓教于樂的“非常規(guī)”物理實驗，既簡便易得生活化，又能很好地體現(xiàn)自創(chuàng)性、體驗性、趣味性。下面，筆者將“非常規(guī)”物理實驗分為“情境實驗”“體悟?qū)嶒灐薄疤骄繉嶒灐薄皠?chuàng)新實驗”四類，通過列舉、分析相關(guān)實驗案例，梳理“非常規(guī)”物理實驗的功能作用與育人價值。

一、情境實驗——創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

創(chuàng)設(shè)情境是學(xué)生有效學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行教學(xué)，在培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)方面有著重要作用。在情境中產(chǎn)生疑難，在疑難中產(chǎn)生問題，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，促使學(xué)生積極思考，對其核心素養(yǎng)培育至關(guān)重要。教學(xué)中教師可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，利用生活中各種不起眼的物品，創(chuàng)設(shè)一些能使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，或與現(xiàn)實生活和已有經(jīng)驗相矛盾的情境，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，啟發(fā)學(xué)生深度思維。

在進(jìn)行自由落體教學(xué)中，可以把一張紙對折拆分成兩張相同的紙，然后將其中一張紙揉成紙團(tuán)，將紙團(tuán)和紙張從同一高度同時靜止釋放，隨即提出問題：兩張紙誰先落地？兩張紙質(zhì)量相同，一個揉成團(tuán)，一個是一張紙，為什么下落時間不一樣呢？引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突。指導(dǎo)分析原因：物體體積不同、空氣阻力大小不同，會影響其落體運動，導(dǎo)致下落的時間不同。在進(jìn)行超重與失重教學(xué)時，可以自制失重演示儀（圖1），將兩個環(huán)形磁鐵穿在一根筷子上面，初始兩個環(huán)形磁鐵異名磁極相對且靜止于筷子上，將這一系統(tǒng)整體平穩(wěn)拋出，會觀察到兩個環(huán)形磁鐵相互吸引到一起，這是為什么呢？讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)。在學(xué)完超重和失重規(guī)律以后進(jìn)行原因分析：兩個環(huán)形磁鐵被拋出后處于完全失重狀態(tài)，環(huán)形磁鐵與筷子之間的彈力為0，導(dǎo)致環(huán)形磁鐵與筷子之間沒有摩擦力，又因為環(huán)形磁鐵間的相互吸引使得磁鐵移動到了一起。

情境實驗意在通過實驗創(chuàng)設(shè)真實情境，并設(shè)置合適的問題，激發(fā)學(xué)生探究欲，培養(yǎng)學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、解決問題的能力。

二、體悟?qū)嶒灐囵B(yǎng)學(xué)生正確的物理觀

物理觀的建立需要學(xué)生在自我認(rèn)知經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行深度的提煉和領(lǐng)悟，體悟?qū)嶒灷脤W(xué)生身邊物品進(jìn)行實驗，讓學(xué)生在實驗中觀察物理現(xiàn)象，用物理思維、學(xué)科觀點等分析實驗。

在進(jìn)行力的合成與分解教學(xué)時，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察衣服上的拉鏈，拉鏈在拉合后很難徒手掰開，可是一個小小的拉鎖頭卻可以輕松拉開，這是為什么呢？先讓學(xué)生觀察拉鎖頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生從力學(xué)結(jié)構(gòu)方面思考探究原理。用杯子和乒乓球定性研究圓周運動向心力。在圓周運動向心力的情境創(chuàng)設(shè)中，在杯子里面放一個乒乓球后倒扣在桌面上，設(shè)置問題：如何在手不接觸杯子里乒乓球的前提下，讓乒乓球離開桌面呢？然后指導(dǎo)學(xué)生快速轉(zhuǎn)動杯子，使乒乓球沿杯子側(cè)壁做圓周運動，隨著角速度的增大，乒乓球與杯子間的彈力越來越大，乒乓球沿著水平方向做穩(wěn)定的圓周運動，最后將杯子緩慢提起，因為杯中的乒乓球依舊在做水平方向的圓周運動，所以也隨之離開桌面。

體悟?qū)嶒炓庠诶脤W(xué)生身邊易得到的物品創(chuàng)設(shè)直觀情境，便于學(xué)生參與，以更好地引發(fā)學(xué)生思考并提出自己的一些猜想，讓學(xué)生體悟現(xiàn)象背后的物理原因，使學(xué)生通過觀察生活中的一些現(xiàn)象，提出有價值的物理問題，最后逐步形成提出問題、分析問題及解決問題的能力。

三、探究實驗——啟迪學(xué)生科學(xué)思維

科學(xué)探究既是學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式之一?？茖W(xué)探究的形式多種多樣，要避免讓學(xué)生按教師或教材的既定步驟進(jìn)行虛假探究，即只把注意力集中在與探究假設(shè)相符的物理事實上。此外，不用視頻實驗或PPT動畫等多媒體實驗代替真實實驗，盡量不用制式的成套器材探究所謂的實驗現(xiàn)象。

光的全反射演示。將礦泉水瓶側(cè)壁開約為0.5厘米的口，倒入水放置在燒杯架上，將激光筆水平對準(zhǔn)礦泉水瓶開口處，可以看見激光在水柱中的全反射，并且隨著水流的流出水柱將發(fā)生變形，激光依然發(fā)生全反射，并隨著水柱的變形“封閉”在水柱中（圖2）。用松緊帶、筷子、泡沫球制作簡易波演示儀，然后進(jìn)行波的形成和傳播的可視化演示（圖3）。傳統(tǒng)制式波演示儀集成化程度高，內(nèi)部用的是偏心輪，無法外在演示波的形成和傳播，學(xué)生也就無法觀察到質(zhì)點間的相互作用，這導(dǎo)致學(xué)生對波的形成機(jī)理理解形式化、表面化。簡易波演示儀用長80厘米、寬3厘米的松緊帶每隔5厘米左右固定一根筷子，筷子一端固定直徑為2厘米的泡沫球，然后將整個儀器水平固定在光具座上，驅(qū)動一端筷子在豎直方向上振動，可以直觀地看到筷子之間逐漸起振，最后再將各點連成線以便于更形象地演示。

探究實驗意在培養(yǎng)學(xué)生利用各種簡易器材或物品設(shè)計科學(xué)的探究方案，通過改進(jìn)已有制式儀器以更好地展示物理現(xiàn)象及內(nèi)涵，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生參與實驗探究，推理物理規(guī)律，解釋物理現(xiàn)象，等等。

四、創(chuàng)新實驗——樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

學(xué)生的學(xué)習(xí)用品琳瑯滿目且設(shè)計精美，其中就有許多可以用來進(jìn)行“非常規(guī)”物理實驗。教師在教學(xué)中可以根據(jù)現(xiàn)實條件選取學(xué)生學(xué)習(xí)用品，采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ岢龊线m的創(chuàng)新實驗任務(wù)，在學(xué)習(xí)用品的構(gòu)造、原理中提煉、挖掘物理實驗素材。

修正帶里的圓周運動。學(xué)生用的修正帶，其結(jié)構(gòu)含有豐富的圓周運動知識，在描述圓周運動的物理量學(xué)習(xí)中可以將廢舊的修正帶進(jìn)行拆解，然后引導(dǎo)學(xué)生觀察探索，在這一過程中不僅可以直觀地將線速度、角速度等物理量進(jìn)行定義解釋，同時還能使學(xué)生更深刻地理解同齒輪邊沿處具有相同的線速度等物理規(guī)律。智能手機(jī)的應(yīng)用。教學(xué)中可以利用智能手機(jī)傳感器進(jìn)行創(chuàng)新實驗，以解決傳統(tǒng)實驗中的一些困難之處。例如，利用手機(jī)物理工坊軟件進(jìn)行物理實驗創(chuàng)新研究，可以方便快捷地進(jìn)行向心加速度測量、磁感應(yīng)強度測量、多普勒效應(yīng)、聲音振幅等實驗，全過程數(shù)字化采集數(shù)據(jù)，實時圖形化分析數(shù)據(jù)，隨時隨地進(jìn)行實驗，是對傳統(tǒng)實驗方式的有機(jī)補充。

創(chuàng)新實驗意在促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境，逐漸形成科學(xué)的態(tài)度和強烈的責(zé)任感。同時善于從身邊的現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)問題，然后從不同角度思考問題，創(chuàng)新性地解決問題，進(jìn)而熱愛自然、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源等。

“非常規(guī)”物理實驗以其多樣化的器材來源，雖然簡陋粗糙但十分便利好用，方便演示參與，越來越受到一線教師的重視。因此，教師在教學(xué)中要善于設(shè)計“非常規(guī)”物理實驗，促使學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W生潛能，讓學(xué)生在觀察和體驗后有所發(fā)現(xiàn)、有所聯(lián)想及有所收獲等。挖掘“非常規(guī)”物理實驗的育人價值，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及解決問題的能力，推動學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新、個性化學(xué)習(xí)，最終形成良好的學(xué)科品質(zhì)。

作者單位 "西北大學(xué)附屬中學(xué)