中學物理趣味競賽實驗探析

［摘 要］物理是一門實驗性學科，實驗對于學生認識物理世界具有至關重要的作用。《義務教育物理課程標準（2022年版）》對課程內容進行了調整，將原先的“科學探究”改為了“實驗探究”。然而，現有的實驗內容仍不能滿足學生的學習需求，因此需要教師開發更具趣味性和創新性的實驗——趣味競賽實驗。文章結合四個具體實例詳細闡述趣味競賽實驗的設計原則與實際用途。

［關鍵詞］趣味競賽實驗；中學物理；案例；設計原則

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0036-03

物理是一門以實驗為基礎的實踐性學科，豐富多彩的實驗活動能夠有效增強學生的實踐體驗。實驗既是物理學的靈魂，也是展現物理學魅力、激發學生物理學習興趣的源泉。《義務教育物理課程標準（2022年版）》對課程內容進行了調整，將原先的“科學探究”改為了“實驗探究”[1]，這一變化凸顯了物理實驗在學生認識物理世界過程中的重要性。然而，隨著信息社會的快速發展，現有實驗仍不能滿足學生的學習需求。因此，教師需要對原有實驗進行拓展與創新，開發出更具趣味性和創新性的實驗——趣味競賽實驗。趣味競賽實驗是一種新型實驗，它既區別于常規的學生實驗，也不同于教師演示實驗。它以經典演示實驗為靈感來源進行創新性改造，同時兼具趣味性與競賽性。趣味競賽實驗的趣味性在于能夠激發學生內在的學習動機，使他們樂于學習、愿意學習、輕松學習；其競賽性則體現在學生操作不同、實驗結果各異，便于在學生間開展競賽活動。

下面，筆者將結合四個趣味競賽實驗案例，闡述此類實驗的設計原則與實際用途，希望對中學物理實驗教學有所幫助。

一、趣味競賽實驗案例舉隅

（一）隨機炮彈發射器

實驗用具：塑料軟管（橫截面積略大于乒乓球直徑）、乒乓球（若干）。

實驗操作：如圖1所示，將乒乓球放在實驗盒中。塑料軟管一端靠近乒乓球，另一端手持并傾斜約45°。通過搖擺塑料軟管，使其像炮管一樣向各方“隨機”發射乒乓球。

競賽方式：比試在單位時間內，誰發射的乒乓球更多、更遠。為便于收集和計分，可對乒乓球進行編號。

探究問題：哪些因素會影響乒乓球的發射距離和頻率？

實驗設計原理：本實驗基于“流體壓強和流速的關系”原理，靈感來源于“天女散花”實驗。為了增強實驗效果，將“天女散花”實驗中的碎紙屑替換為體積更大的乒乓球。需注意的是，塑料軟管管口應盡可能靠近乒乓球。在操作過程中，學生會逐漸了解到手搖塑料軟管的速度與管口到乒乓球的距離之間的關系：乒乓球離管口越遠，塑料軟管搖動的速度需越快。

（二）肺活量測試器

實驗用具：易拉罐、廣口瓶、白紙。

實驗操作：如圖2所示，將易拉罐放入廣口瓶中，然后對易拉罐用力吹氣，它會從廣口瓶中躍起。吹力越大，易拉罐躍起的高度越高。用白紙包裹易拉罐并在紙上畫上等距的間隔線，可半定量地反映出吹氣人的肺活量。

實驗成功關鍵：易拉罐需輕便（即質量小），鋁質最佳（鐵質因過重而不宜使用）；易拉罐與廣口瓶的尺寸需匹配，易拉罐放入廣口瓶后，二者之間的縫隙不宜過大，否則會影響實驗效果。

探究問題：影響易拉罐升起高度的因素有哪些？

實驗設計原理：本實驗基于“流體壓強和流速的關系”原理，靈感來源于“硬幣跳臺階”實驗。吹氣時，易拉罐上部氣體流速加快，壓強減小，易拉罐被托起（如圖3）。本實驗可間接反映學生的肺活量，肺活量越大，吹起易拉罐的高度越高。

（三）拇指取水器

實驗用具：細長玻璃管、燒杯、紅色墨水。

實驗操作：如圖4所示，將一根兩端開口的細長玻璃管，一端浸入裝有水的燒杯中，用手指堵住玻璃管的另一端并將其提起，此時液體會自動順著玻璃管上升，形成一段水柱。為了增強實驗的趣味性，可在燒杯中加入紅墨水。這樣，在進行學生取水競賽時，會更加直觀和有趣。

探究問題：影響取水量多少的因素有哪些？

實驗設計原理：本實驗基于大氣壓強原理，類似于活塞式抽水機的工作原理。將玻璃管的一端插入水中，并用手指堵住另一端以隔絕空氣，當提起玻璃管，大氣壓會使管內存留住水。手與玻璃管的貼合度是影響取水量多少的關鍵因素，也是競賽取得成功的關鍵。

（四）空氣彈發射器

實驗用具：紙箱（或硬紙盒）、膠帶、紙杯。

實驗操作：如圖5所示，將一個紙箱或硬紙盒的前部開孔作為炮口，并用膠帶封住除炮口的其他縫隙。拍箱子后部，即可射出環形氣流（空氣彈）。學生可比賽空氣彈的射程及威力，如以擊倒遠處紙杯數量的多少作為評判標準。

探究問題：影響空氣炮射程與威力的因素有哪些？

實驗設計原理：通過用力擊打箱子后部，壓縮箱內空氣，壓縮的空氣從開口處噴射形成環形氣流，并向前飛行。由于空氣彈與空氣的摩擦力較小，其動量在飛行過程中衰減較少，因此能夠飛行較遠的距離。敲擊的力道和箱體的大小是影響發射效果的兩個重要因素。

二、趣味競賽實驗的設計原則

（一）內容選擇遵循適切性原則

物理實驗旨在為物理教學服務，因此擇取的趣味競賽實驗內容必須貼合學生的認知水平與知識儲備，不可一味追求新奇而脫離課程內容。例如，筆者在設計趣味競賽實驗時曾考慮斯蒂夫·莫德的“珠鏈噴泉”實驗，即將一串長長的珠鏈疊放在燒杯中，然后輕甩一端使珠鏈噴出。但該實驗涉及的物理知識超出學生的認知范圍，故不宜采用。

（二）進階目標的制定遵循因材施教原則

因材施教原則強調教師應從學生的實際出發，實施差別化教學，以確保每個學生都能獲得最適合自己的發展。鑒于中學生在認知水平、學科能力等方面存在差異，筆者在制定趣味競賽實驗的進階目標時盡可能遵循因材施教原則。具體來說，將實驗分為基礎型和拓展型兩類。基礎型實驗目標要求學生能夠完成基本的實驗任務，如在“氣壓取水”實驗中成功取出水；拓展型實驗目標要求學生能保質保量地完成實驗任務，如能夠在規定時間內取出更多的水或完成進階任務。通過這樣的進階式設定，讓所有學生都能積極參與實驗活動，避免他們成為實驗的“看客”。

（三）實驗器材的準備遵循自制性原則

趣味競賽實驗離不開器材的支持，而自制性原則是我們準備實驗器材時的重要指導原則。這一原則強調器材應來源于生活，如硬紙盒、易拉罐等，鼓勵學生和教師親手制作，避免使用那些高端復雜的成品器材。之所以遵循這一原則，是因為復雜器材往往會讓學生感到物理離他們很遠。英國物理學家麥克斯韋曾指出，實驗的教育價值與儀器的復雜性成反比。雖然學生用自制器材進行實驗時容易出錯，但他們能學到更多的東西[2]。此外，教師在實驗前需悉心檢查自制器材，反復調試，確保它們安全無誤。

（四）實驗設計遵循安全性原則

安全性原則是趣味競賽實驗設計與開展的基礎。物理實驗中存在一些危險性項目，如炫舞燈、電池打火機等，這些實驗雖然現象玄妙但具有安全隱患。因此，教師有責任對實驗的安全性進行評估，在設計實驗時避免選用具有潛在危險的實驗器材。在實驗前需再次檢查實驗器材，排除一切潛在危險，以確保實驗穩定、安全地開展。

三、趣味競賽實驗的實際用途

眾所周知，目的是行為的導向。趣味競賽實驗不僅能在日常教學引課中展現震撼力，激發學生的學習興趣，還有以下用途。

（一）為物理題目的編制提供素材

物理是一門以實驗為基礎的自然科學，在物理考試中尤為重視實驗考查。當前的中、高考試題中，物理實驗占比較大，但多取材于教材中的常規實驗，缺乏新奇性與延伸性。學生僅憑記憶即可快速答題，這難以激發他們的高階思維，也不利于促進遷移能力的發展。相比之下，趣味競賽實驗在學生的認知基礎上進行適度創新與擴展，既超出了學生思維的舒適區，又未超越學生思維的“最近發展區”，能夠有效推動學生的探究積極性，挖掘他們的潛能。因此，教師可將趣味競賽實驗改編為題目，融入日常作業與測驗中。以“肺活量測試器”趣味競賽實驗為例，可以改編為以下題目：將一個易拉罐放入某一廣口瓶中，然后對著易拉罐用力吹氣，易拉罐便會從瓶中躍起，吹力越大，易拉罐躍起得越高。請分析該實驗的原理，并設計一個簡易的肺活量測量裝置。

（二）為物理學科周的開展提供資源

“物理學科周”是一種活動性課程，它將學習與游戲相結合，旨在潛移默化地培養學生的學習興趣，并優化學生的思維結構。實驗展覽會是物理學科周中一種典型的活動形式。在策劃實驗展覽會時應避免選擇常規實驗和高科技實驗：前者因為學生過于熟悉而缺乏吸引力，后者則因其復雜性而難以操作。相比之下，趣味競賽實驗因其兼具可操作性和競技性，非常適合作為體驗式展品。這些趣味競賽實驗原本多出現在試題中、網絡上或由教師演示，現讓學生親自操作，從離身認知轉變為具身體驗，有助于促進學生探究能力的提升。例如，學生在操作“隨機炮彈發射器”時，會發現手搖塑料軟管的速度與管口到乒乓球的距離之間存在一定聯系：球離管口越遠，塑料軟管搖動的速度需越快。教師可針對這一發現引導學生展開進一步的探究式驗證，提升學生的探究能力。同時，教師應鼓勵學生展示他們課下開發的趣味競賽實驗，以此營造一種激勵創新的研究氛圍。

四、結語

創造力強的教師更能培養出具有創造力的學生。對實驗的拓展與創新正是教師智慧的體現。隨著課程與教學論研究的不斷深入，教師的角色已悄然發生了改變。教師不再是他人開發的產品的“推銷者”抑或是他人研發的技術的“應用者”，而是課程的積極創造者。因此，在物理實驗教學中，教師不應局限于課標和教材中的常規實驗，而應在此基礎上進行拓展與創新，以啟迪學生的物理思維，激發他們對物理學的熱愛和探索精神。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 彭前程，馬賢榮.聚焦學科核心素養" " 促進學習方式變革：義務教育物理課程標準（2022年版）》變化要點分析[J].課程·教材·教法，2022，42（9）：35-40，86.

[2]" 邢紅軍.中學物理論文寫作教程[M].鄭州：河南科學技術出版社，1993.

（責任編輯" " 黃春香）