高中物理教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

韋葉平

（前黃高級(jí)中學(xué)，江蘇常州213161）

1 引 言

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本出發(fā)點(diǎn)不僅是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，更重要的是啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力.考慮到高中物理較難學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)，筆者嘗試在新課教學(xué)中，有意識(shí)地設(shè)計(jì)一系列創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以人的創(chuàng)造本性為前提，采取創(chuàng)造教育的科學(xué)方法，開(kāi)拓物理創(chuàng)造性思維，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)成科學(xué)精神、提高科學(xué)素質(zhì)的教學(xué)目的.本文例舉的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)均是筆者在各級(jí)各類(lèi)公開(kāi)課中精心設(shè)計(jì)的，以饗讀者.

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的功能與設(shè)計(jì)

筆者從演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)兩大方面結(jié)合實(shí)例闡述創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的功能和設(shè)計(jì).

2.1 演示實(shí)驗(yàn)的功能與設(shè)計(jì)

演示實(shí)驗(yàn)是以教師為主要操作者的示范表演實(shí)驗(yàn).它把要研究的物理現(xiàn)象展示在學(xué)生的眼前，引導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察思考，配合講授或課堂討論等方式，幫助學(xué)生建立概念和認(rèn)識(shí)規(guī)律.

1）由演示實(shí)驗(yàn)引入課題，激發(fā)學(xué)生的探究欲望，同時(shí)注重知識(shí)的首尾呼應(yīng).

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)、形象、生動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)中學(xué)生有很強(qiáng)的吸引力，極易喚起他們的興趣.在引入新課時(shí)，教師可以選擇一些有趣、新奇和使學(xué)生感到意外的演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造愉悅的物理學(xué)習(xí)環(huán)境，以激發(fā)學(xué)生的求知欲望.

筆者在全國(guó)公開(kāi)課“牛頓第一定律”的教學(xué)中，用“吹乒乓球的挑戰(zhàn)”引入新課.嬌小的女生輕易可以吹起乒乓球，而高大的男生用最大的力卻也吹不動(dòng)乒乓球（因?yàn)楣P者換了一個(gè)內(nèi)部裝滿(mǎn)小鋼珠的乒乓球）.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出乎學(xué)生的意料，恰到好處地將學(xué)生的“無(wú)意注意”向“有意注意”轉(zhuǎn)變，使學(xué)生的興趣不只停留在已觀(guān)察的表面現(xiàn)象上.在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過(guò)程上，做到“首尾呼應(yīng)”.講解完“質(zhì)量是慣性的唯一量度”后，讓“挑戰(zhàn)失敗”的男生體會(huì)2個(gè)乒乓球的差別并解釋挑戰(zhàn)失敗的原因.

2）突出演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思維訓(xùn)練、引發(fā)思維沖突的功能，鞏固和應(yīng)用物理知識(shí).

思維沖突是指教師精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與正確的物理規(guī)律間產(chǎn)生矛盾的現(xiàn)象.思維沖突的解決過(guò)程可以?xún)?yōu)化學(xué)生的理性思維，拓寬視野，升華認(rèn)知水平.

“以卵擊石，蛋碎瓦全”，在講解“作用力和反作用力特點(diǎn)”時(shí)經(jīng)常提到，但很少有教師在課堂上演示.筆者將之搬到了課堂，面對(duì)簡(jiǎn)單的操作和明顯的現(xiàn)象，引發(fā)了學(xué)生的矛盾沖突.沒(méi)有人感到幼稚，反而增添了課堂教學(xué)的趣味性和有效性.

3）利用演示實(shí)驗(yàn)提供感性素材，幫助學(xué)生建立概念、認(rèn)識(shí)規(guī)律，加深對(duì)物理規(guī)律的理解.

教師可用演示實(shí)驗(yàn)展示物理現(xiàn)象和過(guò)程，使學(xué)生獲得豐富的感性知識(shí)，形成鮮明的物理表象，有效激發(fā)認(rèn)知沖突，為學(xué)生建立正確的概念、認(rèn)識(shí)規(guī)律奠定基礎(chǔ).特別是幾代科學(xué)家經(jīng)過(guò)分析研究的實(shí)驗(yàn)，不可能讓學(xué)生通過(guò)幾分鐘就能設(shè)計(jì)出來(lái)并得到想要的物理規(guī)律，筆者認(rèn)為這樣的實(shí)驗(yàn)適宜做演示實(shí)驗(yàn).

筆者觀(guān)摩過(guò)一位教師設(shè)計(jì)的“牛頓第一定律”，讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明“力不是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因（即力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系）”，這是一個(gè)用5min時(shí)間將歷史上持續(xù)2000多年的錯(cuò)誤進(jìn)行修正的“假探究”過(guò)程.筆者主要對(duì)“伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)”在實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)、可視性、實(shí)驗(yàn)效果、啟發(fā)性等方面作了精心設(shè)計(jì)，如圖1所示.實(shí)驗(yàn)器材為：彩鋼板1塊（長(zhǎng)約150cm，寬約10cm），木地板邊線(xiàn)2條（長(zhǎng)約150cm），鋼球1個(gè)（直徑約2cm），棉布1塊（長(zhǎng)約160cm，寬約6cm），書(shū)立2個(gè)（高約19cm），攝像頭1個(gè)（約130萬(wàn)像素）等.實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)：彩鋼板的韌性適中，斜面的傾斜角可以任意調(diào)節(jié)；2條邊線(xiàn)組成軌道，減小了摩擦力；利用2個(gè)書(shū)立等高的特點(diǎn)規(guī)定了小球運(yùn)動(dòng)的等高線(xiàn)；攝像拍攝將實(shí)驗(yàn)過(guò)程同時(shí)放大在屏幕上，現(xiàn)象明顯直觀(guān)，效果很好.

圖1 改進(jìn)的“伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)”教學(xué)演示

當(dāng)然，演示實(shí)驗(yàn)對(duì)教師提出了更高的要求，教師通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法、步驟和技能的示范，充分展示其實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)肅認(rèn)真的優(yōu)良作風(fēng)，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生潛移默化的影響.

2.2 分組實(shí)驗(yàn)的功能與設(shè)計(jì)

課堂教學(xué)中設(shè)計(jì)的分組實(shí)驗(yàn)是指在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生親自動(dòng)手操作、觀(guān)察測(cè)量、獲取資料數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析、評(píng)估和交流.它是學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用物理知識(shí)、學(xué)習(xí)科學(xué)方法的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科研啟蒙教育的重要途徑.

1）徒手做分組“小”實(shí)驗(yàn).

基本不需其他實(shí)驗(yàn)材料，主要利用雙手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其特點(diǎn)是突破材料限制，適應(yīng)性強(qiáng)，親近感強(qiáng).如，將雙手的食指伸出，兩食指肚正對(duì)接觸并用力擠壓，可發(fā)現(xiàn)：兩食指的彎曲程度近似相同且兩手指接觸面是平面.由此可說(shuō)明“作用力與反作用力大小相等、方向相反、作用在一條直線(xiàn)上”.再如，左手伸展、五指并攏，右手調(diào)節(jié)左手指縫間距，可使之滿(mǎn)足單縫條件，觀(guān)察遠(yuǎn)處日光燈光線(xiàn)的衍射現(xiàn)象.

2）自組物件或器具巧妙設(shè)計(jì)分組“小”實(shí)驗(yàn).

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，力求器材簡(jiǎn)單、操作方便、現(xiàn)象明顯、全員參與.在做平拋運(yùn)動(dòng)的分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，筆者經(jīng)多次探索，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)了這樣的分組實(shí)驗(yàn)：用左手2個(gè)手指輕輕夾住2個(gè)竹質(zhì)的象棋子，右手彈出其中1個(gè)棋子做平拋運(yùn)動(dòng)，同時(shí)剩下的棋子作自由落體運(yùn)動(dòng)，如圖2所示.用此來(lái)說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的特征.這種實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是取材于生活，選擇容易得到的材料，不需加工，只借用其某種物理屬性，組合起來(lái)進(jìn)行物理教學(xué)活動(dòng).其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟發(fā)性和拓展性強(qiáng).

圖2 平拋運(yùn)動(dòng)演示圖

3）設(shè)計(jì)趣味性和探究性強(qiáng)的分組“大”實(shí)驗(yàn).

這類(lèi)實(shí)驗(yàn)的主要目的是讓學(xué)生經(jīng)歷“提出問(wèn)題—猜想假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—實(shí)施實(shí)驗(yàn)—分析評(píng)估—交流總結(jié)”的探究過(guò)程.

“追尋守恒量”一課，筆者和很多教師一樣，提到了似乎違背能量守恒的“怪坡現(xiàn)象”.但筆者改變了教學(xué)方法，通過(guò)觀(guān)察演示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀半p錐體上滾”，利用準(zhǔn)備的器材讓學(xué)生分組探究產(chǎn)生怪坡現(xiàn)象的原因.

器材：2塊橡皮（高度差約0.4cm）、2根玻璃棒（長(zhǎng)約30cm）、1個(gè)玻璃球（直徑約2.2cm），探究如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使玻璃球由靜止沿玻璃棒從較低的橡皮向較高的橡皮運(yùn)動(dòng)，如圖3所示.學(xué)生經(jīng)過(guò)合作探究，成功完成了實(shí)驗(yàn)，并且找到了本質(zhì)原因：看似向上運(yùn)動(dòng)，但小球的重心實(shí)際是下降的，重力勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化.

圖3 雙錐體上滾實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

學(xué)生經(jīng)歷類(lèi)似科學(xué)家探索物理世界的過(guò)程，不僅學(xué)習(xí)到新知識(shí)，加深了對(duì)物理規(guī)律的理解和信任，同時(shí)也體驗(yàn)到科學(xué)探究的喜悅，領(lǐng)悟到一定的科學(xué)思想和精神，進(jìn)一步培養(yǎng)了動(dòng)手、歸納、交流的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神.

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐的教學(xué)策略

傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，教師往往是說(shuō)生活中的實(shí)例，借助學(xué)生的想象去講實(shí)驗(yàn)，學(xué)生成為“聽(tīng)眾”.筆者認(rèn)為，新課程背景下的物理教學(xué)，教師可以在課堂上演示，甚至讓學(xué)生參與一些簡(jiǎn)單易行的小實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生成為“演員”.同時(shí)適當(dāng)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性，能激發(fā)學(xué)生的興趣，也能活躍課堂氣氛，讓學(xué)生在快樂(lè)中學(xué)習(xí)物理知識(shí).

筆者在近年開(kāi)設(shè)的公開(kāi)課中，一直嘗試用最簡(jiǎn)單的器材設(shè)計(jì)具有一定創(chuàng)新意義的小實(shí)驗(yàn).如“1張廢紙帶來(lái)的精彩課堂”.

案例1：區(qū)級(jí)公開(kāi)課“自由落體運(yùn)動(dòng)”.2張完全一樣的廢紙，一張自然展開(kāi)，另一張揉成紙團(tuán)，從同一高度同時(shí)釋放，分析下落快慢的影響因素.

案例2：名師工作室展示課“平拋運(yùn)動(dòng)”.讓學(xué)生用1張廢紙折成紙飛機(jī)，并拋出去.問(wèn)：拋紙飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)是拋體運(yùn)動(dòng)嗎？為什么？學(xué)生在體驗(yàn)童趣的過(guò)程中學(xué)習(xí)物理知識(shí)，頓時(shí)興趣高漲，課堂氣氛熱烈.再問(wèn)：怎樣改進(jìn)后就是拋體運(yùn)動(dòng)？（答：將廢紙揉成盡量小的紙團(tuán)）

案例3：全國(guó)公開(kāi)課“牛頓第一定律”.其中，探究“慣性大小與質(zhì)量的關(guān)系”時(shí)，設(shè)計(jì)了“單手撕紙條競(jìng)賽”小實(shí)驗(yàn)，如圖4.主要流程是：引起思維沖突（筆者捏住A處甩紙片，很難將紙條B甩斷）→學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)（要求：用最省力的方式，最快速度將A與B甩斷）→分析總結(jié)→拓展延伸（用鐵夾夾住B處再甩）

圖4 單手撕紙實(shí)驗(yàn)

高中學(xué)生有豐富的想象力，好奇心強(qiáng)，求知欲旺盛.教師應(yīng)抓住這一特點(diǎn)，發(fā)揮創(chuàng)新小實(shí)驗(yàn)輔助物理教學(xué)的功能.實(shí)踐證明，通過(guò)這些創(chuàng)新小實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)物理的情緒高漲，興趣盎然，達(dá)到了事半功倍的效果.

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者嘗試用身邊的物件自制或引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，并將其用于輔助物理課堂教學(xué)，同時(shí)，還在進(jìn)一步構(gòu)建更加豐富多彩的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源，以激發(fā)學(xué)生探究物理規(guī)律的積極性和求知欲.另外，筆者也意識(shí)到在設(shè)計(jì)與實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)，還要注重科學(xué)性、教育性、藝術(shù)性相結(jié)合的原則；聯(lián)系生活、技術(shù)、社會(huì)實(shí)際，創(chuàng)設(shè)物理環(huán)境的同時(shí)要突出啟發(fā)思考、教給方法的原則；要適時(shí)發(fā)揮創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的探究功能在物理教學(xué)過(guò)程中的重要作用.