學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“四部曲”

孟富林　湯金波

摘要：學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不同于一般的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，它指向?qū)W生的創(chuàng)新和自主，是由學(xué)生利用身邊的物品、儀器等資源，自主提出問(wèn)題、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)分析論證、得出科學(xué)結(jié)論的一種綜合性實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基于生活、取材方便、自主性強(qiáng)、強(qiáng)調(diào)合作。玩、改、思、創(chuàng)“四部曲”，既是學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的幾種途徑，又是學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相互關(guān)聯(lián)、不斷遞進(jìn)的各個(gè)階段——玩中體驗(yàn)，改中求變，思中頓悟，創(chuàng)中提能。

關(guān)鍵詞：初中物理自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)

一、學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵與價(jià)值

學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不同于一般的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，它指向?qū)W生的自主和創(chuàng)新，是由學(xué)生利用身邊的物品、儀器等資源，自主提出問(wèn)題、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)分析論證、得出科學(xué)結(jié)論的一種綜合性實(shí)踐活動(dòng)。

學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)具有四大特點(diǎn)。一是基于生活。學(xué)生需要觀察生活，從中選取實(shí)驗(yàn)資源。二是取材方便。學(xué)生借助生活中隨處可得的器材就可以開(kāi)展活動(dòng)。三是自主性強(qiáng)。學(xué)生是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的主體，觀察、思考、設(shè)計(jì)方案、解決問(wèn)題都需要學(xué)生充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性。四是強(qiáng)調(diào)合作。學(xué)生個(gè)體的動(dòng)手、動(dòng)腦能力千差萬(wàn)別，但通過(guò)相互合作，匯聚集體的智慧，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到“1+1>2”的效果。

二、學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“四部曲”

筆者結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“四部曲”——玩、改、思、創(chuàng)。“玩、改、思、創(chuàng)”既是學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的幾種途徑，又是學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)相互關(guān)聯(lián)、不斷遞進(jìn)的各個(gè)階段——玩中體驗(yàn)，改中求變，思中頓悟，創(chuàng)中提能。

玩，是學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的初級(jí)階段，即學(xué)生根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，利用身邊的器材進(jìn)行模仿實(shí)驗(yàn)。這一階段，更多關(guān)注的是學(xué)生的直觀體驗(yàn)和興趣激發(fā)，是學(xué)生動(dòng)手能力和科學(xué)態(tài)度的培養(yǎng)。

改，是玩的發(fā)展，是創(chuàng)新的一種基本形式。這一階段，是對(duì)已有實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的改進(jìn)，需要針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題有意識(shí)地加以改良，從而使現(xiàn)象更明顯，操作更簡(jiǎn)單。

思，是學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的較高階段。這一階段，是經(jīng)歷體驗(yàn)、模仿、改進(jìn)之后的沉淀，需要突破舊有的思路，形成創(chuàng)新路徑。

創(chuàng)，是學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的最高形式和價(jià)值追求。這一階段，需要通過(guò)自主思考和實(shí)踐，形成完整、完善的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。這對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力的培養(yǎng)意義重大。

三、具體案例

（一）“玩”出樂(lè)趣

“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行?！睂?shí)踐方能出真知，學(xué)習(xí)的過(guò)程實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)“實(shí)踐-理論-實(shí)踐”循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。手巧方能心靈，讓學(xué)生在動(dòng)手中豐富智慧，在玩中學(xué)，玩出物理學(xué)科的魅力，玩出物理學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。

例如，蘇科版初中物理八年級(jí)上冊(cè)中設(shè)置了有關(guān)聲能的探究實(shí)驗(yàn)：將蠟燭正對(duì)著發(fā)聲的喇叭，引導(dǎo)學(xué)生用蠟燭的火焰來(lái)探究聲音響度與振幅的關(guān)系。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：聲音的響度越大，燭焰晃動(dòng)的幅度越大。由此，可以得出響度與振幅有關(guān)的結(jié)論。學(xué)生進(jìn)一步思考，設(shè)計(jì)出了“音樂(lè)點(diǎn)燃蠟燭”的趣味創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)裝置如圖1）。實(shí)驗(yàn)操作步驟為：（1）將多根高度不同的蠟燭由低到高依次排列成一條直線;（2）將藍(lán)牙音箱放置在最低的蠟燭前端;（3）點(diǎn)燃最低的蠟燭，調(diào)節(jié)音箱高度，使發(fā)聲位置正對(duì)燭焰，然后播放音樂(lè)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：音樂(lè)比較激昂時(shí)，燭焰晃動(dòng)幅度比較大，后面的蠟燭依次被點(diǎn)燃。

對(duì)于簡(jiǎn)單易行的教材實(shí)驗(yàn)，學(xué)生卻玩出了趣味，玩出了創(chuàng)意?！巴妗边@一階段，可以在學(xué)習(xí)新的物理知識(shí)之前進(jìn)行激趣和鋪墊，如研究聲音產(chǎn)生的原因、探究光的色散等;也可以在學(xué)習(xí)新的物理知識(shí)之后進(jìn)行鞏固和應(yīng)用，如研究水果電池、探究樹(shù)蔭下的光斑等。

（二）“改”出新意

改進(jìn)就是改變舊有情況，使之有所進(jìn)步。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的難點(diǎn)往往是改進(jìn)的出發(fā)點(diǎn)，如現(xiàn)象不易觀察、測(cè)量不夠方便等。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的方式多種多樣，如采用示波器將無(wú)形的“聲”變?yōu)橛行蔚摹安ā?，通過(guò)傳感器將難以測(cè)量的溫度、磁場(chǎng)等物理量輕松記錄下來(lái)，將延時(shí)對(duì)比改為實(shí)時(shí)對(duì)比等。

例如，蘇科版初中物理九年級(jí)上冊(cè)中設(shè)置了阻值不同的兩個(gè)電阻串聯(lián)在電路中，分別加熱液體（煤油）的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生定性地認(rèn)識(shí)電熱與電阻、電流等物理量之間的關(guān)系。由于本實(shí)驗(yàn)對(duì)定量的要求不高，所以不僅煩瑣、耗時(shí)，而且效果不佳。

焦耳定律演示器（實(shí)驗(yàn)裝置如圖2）是對(duì)教材實(shí)驗(yàn)的一種改進(jìn)：將加熱液體（煤油）改成加熱密閉的空氣，將溫度計(jì)改成一根封有一段水柱的玻璃管（兩端分別插入兩個(gè)密閉容器內(nèi)，再比較兩邊水柱上升的高度）。改進(jìn)后，能比較快速地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但水柱上升的高度差不夠明顯。

于是，學(xué)生進(jìn)一步加以改進(jìn)（實(shí)驗(yàn)裝置如圖3）：將兩個(gè)密閉容器分別與一根封有一段水柱的玻璃管的兩端相連，通過(guò)觀察水柱的左右移動(dòng)距離判斷產(chǎn)生電熱的多與少。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象十分直觀，易于觀察。

（三）“思”出深度

在“玩”和“改”的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)有意想不到的發(fā)現(xiàn)或產(chǎn)生新的問(wèn)題，需要積淀、反思，以更好地理解現(xiàn)象、解決問(wèn)題。經(jīng)歷“思”的過(guò)程，方能實(shí)現(xiàn)新的跨越?！八肌背錾疃?，才能不斷逼近事物的本質(zhì)。

例如，蘇科版初中物理八年級(jí)下冊(cè)“探究流速對(duì)流體壓強(qiáng)的影響”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用自己制作的機(jī)翼進(jìn)行探究：讓電吹風(fēng)正對(duì)上凸下凹的機(jī)翼吹風(fēng)，可以看到機(jī)翼上升，由此得出“流速越大，壓強(qiáng)越小”的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)一步思考，提出了如下兩個(gè)新問(wèn)題：

問(wèn)題1：能否利用這一原理設(shè)計(jì)一個(gè)有用的器具呢？

有學(xué)生利用木板、網(wǎng)兜、手持電扇的扇葉、玩具車上的電機(jī)和裝電池部分等，自制了一個(gè)如圖4所示的“簡(jiǎn)易吸塵器”。將瓶口對(duì)準(zhǔn)輕小垃圾，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，可以看到：空氣以極高的速度排出，在外界大氣壓的作用下，瓶口的垃圾隨氣流進(jìn)入瓶中。

問(wèn)題2：為何機(jī)翼上凸的部分流速大呢？如何用實(shí)驗(yàn)證明呢？

學(xué)生經(jīng)過(guò)深入思考，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)器材：蠟燭、塑料板、吹風(fēng)機(jī)、擋板。

實(shí)驗(yàn)操作：（1）用塑料板做出上表面是曲面、下表面是平面的“機(jī)翼”;（2）將“機(jī)翼”豎放在水平桌面上，兩側(cè)放置擋板;（3）將點(diǎn)燃的蠟燭分別放置在“機(jī)翼”尾部的兩側(cè)（見(jiàn)下頁(yè)圖5）;（4）在“機(jī)翼”的頂端用吹風(fēng)機(jī)正對(duì)著吹風(fēng)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)“機(jī)翼”表面時(shí)，兩側(cè)的蠟燭會(huì)同時(shí)熄滅（晃動(dòng)）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：“機(jī)翼”兩側(cè)蠟燭同時(shí)熄滅（晃動(dòng)），說(shuō)明通過(guò)“機(jī)翼”兩側(cè)的氣體同時(shí)到達(dá)尾部，即曲面一側(cè)流速大于平面一側(cè)流速（曲面一側(cè)的“路程”比平面一側(cè)的長(zhǎng)）。

（四）“創(chuàng)”出能力

學(xué)生的創(chuàng)新能力從哪里來(lái)？來(lái)自每一次動(dòng)手實(shí)踐，來(lái)自每一次對(duì)物理概念和原理深入思考后的靈光一閃。

例如，有學(xué)生在學(xué)習(xí)了“電流的熱效應(yīng)”之后，對(duì)家中的電飯鍋進(jìn)行了改進(jìn)和深入的思考，設(shè)計(jì)出了“全自動(dòng)電飯鍋”。以下是該生的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1.項(xiàng)目由來(lái)：目前市場(chǎng)上的電飯鍋無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)煮飯，需要提前將米和水裝入電飯鍋內(nèi)。盡管有些電飯鍋具備了預(yù)約功能，但由于大米長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)影響米飯的口感，所以很多家庭仍然使用傳統(tǒng)的煮飯方式?！叭詣?dòng)電飯鍋”的創(chuàng)意由此而來(lái)。

2.基本思路：用一個(gè)時(shí)控器控制注水時(shí)間，用另一個(gè)時(shí)控器控制老式電飯鍋燒飯和保溫，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)注水、自動(dòng)燒飯和保溫的功能。

3.產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)：這款“全自動(dòng)電飯鍋”采用米和水分離放置，到達(dá)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)完成注水和燒飯，有效實(shí)現(xiàn)“全自動(dòng)”;改進(jìn)市場(chǎng)上的老式電飯鍋，無(wú)須修改電路，只要增加一個(gè)自動(dòng)注水裝置就可以實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)易方便。

看似簡(jiǎn)單的原理和器材，卻折射出學(xué)生創(chuàng)新思維的智慧光芒。學(xué)生在思考、實(shí)踐的過(guò)程中不僅需要?jiǎng)幽X設(shè)計(jì)出新穎的方案，還需要不斷動(dòng)手進(jìn)行調(diào)試，解決出現(xiàn)的各種問(wèn)題，創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力都得到了有效的培養(yǎng)和提升。

物理學(xué)科的魅力在于實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的成長(zhǎng)源于自主的體驗(yàn)和感悟。開(kāi)展學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)學(xué)生全面發(fā)展的有效途徑，無(wú)論對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)、素養(yǎng)的提高，還是對(duì)全面培育適合國(guó)家建設(shè)的有用人才，促進(jìn)民族和人類社會(huì)的進(jìn)步，都具有重大意義。在具體實(shí)施過(guò)程中，教師需要心存大愛(ài)，以仁愛(ài)之心關(guān)注學(xué)生的點(diǎn)滴進(jìn)步;需要擁有睿智的眼光，不斷發(fā)現(xiàn)學(xué)生的每一點(diǎn)閃耀的創(chuàng)意火花，以審慎的態(tài)度呵護(hù)它使之形成燎原之勢(shì);更需要有堅(jiān)持不懈的信念和為國(guó)家培育全面發(fā)展人才的使命感和責(zé)任感。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯金波，黃網(wǎng)官.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是未來(lái)物理教學(xué)的最優(yōu)途徑[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018（6）.

[2] 丁玉祥.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的意義、價(jià)值與實(shí)踐路徑[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2019（5）.