淺談初中物理教學中實驗設(shè)計與創(chuàng)新

張艷

實驗設(shè)計與創(chuàng)新依據(jù)義務(wù)教育課程標準針對義務(wù)教育物理教科書設(shè)計一系列的物理實驗，實驗設(shè)計與創(chuàng)新的主要方法是案例研究。通過案例研究獲得并積累經(jīng)驗與方法，循序漸進地改進、完善、豐富實驗設(shè)計與創(chuàng)新的案例，形成與物理教材相匹配的較完整的實驗課程。

（一） 實驗設(shè)計與創(chuàng)新研究的主要原則

1.科學性原則：實驗方案設(shè)計科學，實驗原理所涉及的科學知識沒有錯誤，因果關(guān)系正確，邏輯推理嚴謹。實驗裝置的設(shè)計符合實驗原理設(shè)計的要求，通過規(guī)范的實驗操作方法準確地體現(xiàn)實驗原理，達到預期的實驗效果。

2.安全性原則：在實驗設(shè)計中嚴禁危害人身安全，特別是學生的安全。

3.直觀性原則：實驗裝置清晰有序，可視效果好。實驗過程的步驟與階段明顯，操作方法透明可見。實驗現(xiàn)象明顯，演示實驗的現(xiàn)象能盡可能地讓全體學生清楚地觀察到，學生分組實驗?zāi)茏寣嶒炐〗M的學生清楚地觀察到。

（二） 實驗設(shè)計與創(chuàng)新研究的主要內(nèi)容

實驗設(shè)計與創(chuàng)新主要包括四個方面的內(nèi)容。①優(yōu)化教材演示實驗內(nèi)容，改進教材演示實驗設(shè)計，增強實驗探究設(shè)計的方法性和示范性。使演示實驗的現(xiàn)象更加明顯，更加有利于絕大多數(shù)學生理解物理原理。②優(yōu)化教材學生探究實驗內(nèi)容與實驗活動內(nèi)容，改進教材學生探究實驗設(shè)計與實驗活動設(shè)計，注重實驗探究設(shè)計的過程、方法和主動性。使學生探究實驗與實驗活動的現(xiàn)象更加明顯，不斷提高學生實驗成功的機遇，更加有利于培養(yǎng)絕大多數(shù)學生的學習興趣、探究學習方法、探究學習習慣。③在實驗設(shè)計中，根據(jù)物理實驗的難易程度、學生的實驗?zāi)芰σ约鞍踩蛩氐?，適當增加某些驗證性實驗中的探究性因素，適當增加某些探究性實驗中的驗證性因素，使物理實驗設(shè)計更加符合物理實驗教學的實際需要。④增補相關(guān)實驗，幫助學生理解物理重難點知識或物理核心知識。如設(shè)計補充實驗，有效地促進學生理解和認識物理概念、理論、規(guī)律等。

（三）實驗設(shè)計與創(chuàng)新的研究模式

實驗設(shè)計與創(chuàng)新課題研究包括宏觀研究和微觀研究兩個層面。宏觀研究：不僅包括教材現(xiàn)有的教師演示實驗、學生探究實驗、學生分組實驗，還包括增補實驗。

（四）實驗設(shè)計與創(chuàng)新的研究策略

實驗設(shè)計與創(chuàng)新研究策略：①根據(jù)義務(wù)教育物理課程標準，設(shè)計符合教材教學內(nèi)容的實驗?zāi)繕?。根?jù)實驗?zāi)繕撕蛯W生的學習水平設(shè)計實驗原理，根據(jù)實驗原理和實際實驗條件等設(shè)計實驗器材和實驗操作方法，根據(jù)實驗現(xiàn)象反饋改進實驗設(shè)計。②中學生獲得的物理知識與實驗技能有限，為調(diào)動學生參與物理實驗的積極性，充分發(fā)揮物理實驗在學生認知活動中的橋梁作用，應(yīng)該淡化演示實驗與學生實驗的界限、驗證性實驗與探究性實驗的界限、單一性實驗與綜合性實驗的界限、課堂實驗與課外實驗的界限、實驗評價中成功與失敗的界限。

（五）實驗設(shè)計與創(chuàng)新的個案研究

個案研究是實驗設(shè)計與創(chuàng)新研究的主要方法，也是重要方法。圍繞教材中的物理核心知識、疑難知識等教學內(nèi)容，依據(jù)義務(wù)教育物理課程標準和綠色物理理念設(shè)計實驗?zāi)康模x擇與學生生活實際或?qū)W習需要聯(lián)系緊密的物理實驗素材，設(shè)計符合學生認知水平的物理實驗原理。根據(jù)實驗原理設(shè)計簡潔直觀的實驗裝置，優(yōu)化實驗操作的過程與方法，精簡實驗過程，節(jié)省課堂時間。

下面以《“水蒸氣做功”實驗的改進》為例介紹實驗設(shè)計創(chuàng)新的案例研究方法。

在人教版義務(wù)教育課程標準九年級物理教科書十四章的《熱機》這一節(jié)中，提到了這樣一個演示實驗（如圖）。

如圖，在試管內(nèi)裝些水，用橡膠塞塞住管口，將水加熱一段時間，觀察現(xiàn)象。

討論這個過程中不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化情況。

在實際教學過程中，發(fā)現(xiàn)本實驗確實有不少弊端。其一，實驗中塞子的松緊度不易掌握，過松會導致不密封、漏氣，塞子無法沖出;過緊會導致加熱時間過長，甚至可能試管內(nèi)氣壓過大，試管炸裂。其二，本實驗即使成功，也有安全隱患。教師在實驗中經(jīng)過反復調(diào)試塞子的松緊，終于成功的完成了實驗，但是當塞子沖出的過程中，試管中的沸水也噴出不少，差點造成燙傷事故，教師驚出一身冷汗。

本節(jié)安排這個演示實驗的目的是為了說明可以將燃料的化學能最終轉(zhuǎn)化為塞子的機械能，利用蒸氣的內(nèi)能做功。能不能將此實驗加以改進，既安全又容易操作呢？在該實驗基礎(chǔ)上經(jīng)過多次改進，確定了一個安全簡易可行的實驗方案。

器材：燒瓶1個、帶導管的瓶塞1個、鐵架臺1個、橡膠管一截、膠頭滴管1個（去掉膠頭）、酒精燈、自制葉輪（直徑約5-10cm）。

以上器材多數(shù)都是實驗室的常見器材，容易得到。自制葉輪可以用鋁制易拉罐制作，再裝上一個支架（如右圖）。

操作方法：在燒瓶中裝適量的水，將膠頭滴管（去掉膠頭）和橡膠導管連接再與瓶塞連接并塞緊，用酒精燈加熱至沸騰，當從導管噴出大量“白氣”時就可以將出氣口對著葉輪，葉輪在“白氣”推動下轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了一個利用內(nèi)能做功的過程。

注意事項：噴氣時導管的溫度太高不能直接用手拿著，可以用木夾夾著。如果噴出的氣流不能夠使葉輪轉(zhuǎn)動，那是因為氣流還不夠快，可以不用酒精燈而將酒精直接倒入一個坩堝內(nèi)點燃進行加熱（或者酒精噴燈），但是要注意操作仔細，避免酒精灑出。

三、在物理實驗設(shè)計與創(chuàng)新研究中必須注意的問題

實驗設(shè)計創(chuàng)新應(yīng)該以學為本，注意克服實驗設(shè)計與創(chuàng)新可能導致課堂學習低效的不利因素。如實驗素材要充分體現(xiàn)物理核心知識、重難疑點知識，遠離偏、怪、繁等超越義務(wù)教育物理課程標準難度要求的知識。實驗原理符合學生的認知水平，禁止設(shè)計超越學生理解能力的實驗原理，避免加重學生理解物理知識的負擔，保護學生熱愛物理實驗的積極性。