例談基于教材開展家庭實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新策略

摘 要：開展倡導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新的家庭實(shí)驗(yàn)，是充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)形式，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑.如何基于教材實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和引導(dǎo)學(xué)生探究新問題？筆者用創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)例談五個(gè)方面的策略：巧找器材替代、改變實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件的方式、改變實(shí)驗(yàn)原理、重視和鼓勵(lì)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象提出新問題并引導(dǎo)探究、學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).

關(guān)鍵詞：例談;基于教材;家庭實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）18-0018-03

作者簡介：姬永發(fā)（1980-），男，貴州織金人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課外開展物理創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)創(chuàng)新素養(yǎng).

家庭實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的延續(xù)和有力補(bǔ)充.學(xué)生在學(xué)習(xí)新課的前后，以身邊的物品、器材展演教材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、學(xué)做小實(shí)驗(yàn)、自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、探究問題，并且教師及時(shí)評價(jià)、引導(dǎo)、運(yùn)用于教學(xué)，從而能夠持續(xù)保持學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生鞏固知識，培養(yǎng)探究能力和創(chuàng)新能力，這是充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動性的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)形式;是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑.學(xué)生展演、學(xué)做實(shí)驗(yàn)是家庭實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容和基礎(chǔ).對于一些教材上的實(shí)驗(yàn)，家中存在無器材、購買器材成本較高的困難，師生若從開展家庭實(shí)驗(yàn)的角度創(chuàng)新、改進(jìn)，就能開展相關(guān)探究.家庭實(shí)驗(yàn)無論展演教材實(shí)驗(yàn)，還是學(xué)做小實(shí)驗(yàn)，因受學(xué)生主觀性的影響會有些“意外”的收獲，學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情況更多，教師要鼓勵(lì)學(xué)生“節(jié)外生枝”，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí).如何改進(jìn)、創(chuàng)新現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)兀楷F(xiàn)例談筆者的一些做法.

1 巧找器材替代

“工欲善其事，必先利其器.”家庭環(huán)境不具備實(shí)驗(yàn)室器材，進(jìn)行網(wǎng)購，在時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、器材規(guī)格等方面都存在困難，這決定了開展某些家庭實(shí)驗(yàn)就要在家中找一些具有類似功能的物品、材料替代原實(shí)驗(yàn)方案中的器材，根據(jù)選擇物品對實(shí)驗(yàn)做一些新設(shè)計(jì).思考替代、設(shè)計(jì)是深度思考的過程，既讓學(xué)生鞏固所學(xué)知識、培養(yǎng)探究能力，又能進(jìn)行創(chuàng)新思維的訓(xùn)練，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)智慧.滬科版教材中探究氣體浮力實(shí)驗(yàn)所用器材：籃球、網(wǎng)、打氣筒、氣針、氣球、杠桿、鉤碼、細(xì)線.步驟：（1）用打氣筒給籃球打足氣后裝入網(wǎng)，系在杠桿一端，并把氣球系在氣針尾端.（2）在杠桿另一端掛上鉤碼并移動位置使杠桿在水平位置平衡（如圖1a所示）.將氣針頭插入籃球氣門內(nèi)，讓籃球給氣球充氣，當(dāng)體積增大到一定程度時(shí)，可觀察到左端杠桿上升（如圖1b所示）.分析：籃球給氣球充氣，兩者總質(zhì)量保持不變，杠桿左端上升表明空氣對氣球產(chǎn)生了向上的托力，即浮力.

創(chuàng)新后的實(shí)驗(yàn)則是將兩個(gè)打火機(jī)的放氣閥門調(diào)到最大，放入排出空氣的塑料袋后扎緊袋口，替代籃球與氣球.實(shí)驗(yàn)中打開火機(jī)放氣閥門給塑料袋充氣使其變脹，可觀察到此端杠桿上升（如圖2所示）.與教材傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案相比，所用器材塑料袋、打火機(jī)比籃球、打氣筒、氣針容易尋找，成本低，器材少，操作簡單，學(xué)生在家里可以方便地探究氣體浮力;教師也可用于課堂演示.

2 改變實(shí)驗(yàn)條件的方式

從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到家庭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于環(huán)境的局限性，缺乏相應(yīng)的器材、工具、材料，規(guī)格也達(dá)不到要求，要實(shí)現(xiàn)一定的實(shí)驗(yàn)條件，必須另起“爐灶”，靠“山”吃“山”，用“土”辦法解決問題.這是家庭實(shí)驗(yàn)中學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)特色之路.在探究液體沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系時(shí)，教材常采用如圖3所示方案：用酒精燈給裝有適量水的燒瓶加熱至水沸騰，停止加熱后迅速在瓶口塞上橡皮塞，倒置燒瓶并向瓶底澆冷水，可觀察到停止沸騰的水又重新沸騰.分析：冷水吸收大量的熱量，使瓶中氣體降溫體積收縮，氣壓變小.溫度降低的水重新沸騰，說明氣壓減小，液體沸點(diǎn)降低.探究此規(guī)律，家里找不到酒精燈、燒瓶、橡皮塞，容器只能找到普通的厚壁玻璃瓶.按原方案中方式加熱所需時(shí)間長，加熱、冷卻玻璃瓶都極易出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象.如何安全完成探究？將玻璃瓶裝一半水放入盛水的鍋內(nèi)，加熱至鍋內(nèi)水沸騰.用鉗子將瓶撈出，用塑料袋包著蘸水的紙巾作塞子塞住瓶口 （如圖4所示），將瓶子倒置在戳孔的礦泉水包裝膜上（可用其它物品作為支架），在瓶底放上冰塊.一段時(shí)間后可清楚觀察到水重新沸騰，持續(xù)時(shí)間長（如圖5所示），對此現(xiàn)象進(jìn)行分析得出結(jié)論.

本方案根據(jù)家庭環(huán)境設(shè)計(jì)，與原方案相比改變加熱和冷卻方式：用水煮食物加熱，瓶子受熱均勻;冰塊代替澆冷水冷卻，瓶及瓶內(nèi)氣體溫度降低相對緩慢，防止厚玻璃瓶部分急劇升溫、降溫快速熱脹冷縮出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，保證普通厚玻璃瓶也能完成探究.后者同時(shí)讓瓶內(nèi)氣壓減小相對緩慢，水沸騰持續(xù)時(shí)間長，且沒有澆冷水降溫產(chǎn)生的水簾妨礙觀察，現(xiàn)象極為明顯，增強(qiáng)學(xué)生對物理過程的體驗(yàn).

根據(jù)家庭條件設(shè)計(jì)某個(gè)實(shí)驗(yàn)研究，對學(xué)生創(chuàng)新而言就是新世界，是學(xué)習(xí)中更高更深的思維訓(xùn)練，學(xué)生獲得了比知識更重要的研究問題的方法.

3 改變實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理是實(shí)驗(yàn)遵偱的依據(jù)，是探究的理論基礎(chǔ).受家庭環(huán)境的限制，按原方案實(shí)驗(yàn)原理無法開展探究，改變實(shí)驗(yàn)原理，重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以讓實(shí)驗(yàn)的開展出現(xiàn)“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”的境地.滬科版八年級《物理》探究“浮力與物體排開液體重力關(guān)系”實(shí)驗(yàn)（如圖6所示），原理是用彈簧測力計(jì)測出石塊的重力G石、石塊浸沒在水中時(shí)彈簧測力計(jì)對石塊的拉力F，同時(shí)收集石塊排出的水并測其重力G排;根據(jù)F浮=G石-F計(jì)算石塊所受浮力，利用G排=G總-G桶計(jì)算石塊排開水的重力，比較F浮與G排的大小得出結(jié)論.

創(chuàng)新后的實(shí)驗(yàn).器材：重物、橡皮筋、水、溢水杯（可自制）、薄而小的塑料袋、細(xì)線、細(xì)鐵絲等.步驟：（1）把橡皮筋上端固定在高處，下端系細(xì)線和細(xì)鐵絲制成的掛鉤.（2）將重物掛在橡皮筋下端，在其伸長到的地方標(biāo)記（如圖7所示）.（3）將重物放入裝滿水的溢水杯中，觀察到橡皮筋的伸長變短;同時(shí)用小塑料袋收集物體排出來的水（如圖8所示）.（4）將小塑料袋掛在橡皮筋下端掛鉤上，觀察到橡皮筋伸長恢復(fù)到標(biāo)記處（如圖9所示）.分析：掛上物體排出水后橡皮筋伸長恢復(fù)到標(biāo)記處，浮力托物體的作用效果沒有在橡皮筋上呈現(xiàn)出來，說明物體排出水的重力與浮力的作用效果相互抵消，即物體排開水的重力與浮力平衡，物體所受浮力大小等于它排開液體的重力.

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要用到彈簧測力計(jì)配合其它器材探究，操作較多;本實(shí)驗(yàn)使用橡皮筋、小塑料袋進(jìn)行探究，一是改變實(shí)驗(yàn)原理，由測F浮與G排的大小找出它們的數(shù)量關(guān)系變成利用平衡力的思想，看G排能否把F浮在橡皮筋上呈現(xiàn)出的效果抵消，思考角度另辟蹊徑.二是器材易找，成本低，操作簡單，解決家里無彈簧測力計(jì)無法探究的難題.學(xué)生在學(xué)習(xí)教材實(shí)驗(yàn)后再動手探究此實(shí)驗(yàn)，既鞏固知識，又拓寬學(xué)生的眼界，啟發(fā)學(xué)生思維.

4 重視和鼓勵(lì)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、提出新問題并引導(dǎo)探究

學(xué)生自主開展家庭實(shí)驗(yàn)，因操作、理解、思考、觀察都帶有主觀色彩，學(xué)生會在探究過程中發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象，提出一些新問題，產(chǎn)生一些新想法，做出一些新的嘗試或設(shè)計(jì)，教師要鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)驗(yàn) “節(jié)外生枝”，積極引導(dǎo)學(xué)生探究，“舊瓶裝新酒”，賦予原實(shí)驗(yàn)新生命，讓其煥發(fā)新光彩，在這個(gè)過程中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力.如探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)，探究問題多、操作多、記錄數(shù)據(jù)多、成像規(guī)律多且容易搞混淆，極有必要讓學(xué)生在家中自主展演進(jìn)行生態(tài)學(xué)習(xí).課后筆者讓學(xué)生在家用蠟燭、凸透鏡、自制光屏展演該實(shí)驗(yàn)，由于在家實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、空間的限制，學(xué)生有較多時(shí)間觀察、思考、總結(jié);可探究一些課堂上無法探究的內(nèi)容，如探究遮擋一部分凸透鏡時(shí)成像的特點(diǎn)、不同凸透鏡成像大小的特點(diǎn)等.探究過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象，如凸透鏡后方會觀察到像，經(jīng)師生分析是凸透鏡前后表面反射光形成的虛像，分別是凸、凹面鏡成像.用中間鏤空成五角星的擋板遮擋凸透鏡，光屏中心像的周圍還會形成五個(gè)較暗的像（如圖10所示）.學(xué)生到校交流，經(jīng)反復(fù)觀察、分析，凸透鏡邊緣是厚度均勻的玻璃圓環(huán)（于光而言可視為不存在），其與擋板五個(gè)角處構(gòu)成了五個(gè)小孔，師生討論認(rèn)為五個(gè)像是五個(gè)小孔的小孔成像，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：觀察其中一個(gè)像，像與物體對應(yīng)點(diǎn)的連線經(jīng)過對應(yīng)小孔;用手堵住該小孔，該像消失;拿掉凸透鏡，在對應(yīng)小孔處放上帶有同樣小孔的板，得到完全相同的像.

5 學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生根據(jù)所學(xué)的物理知識、方法、思想，選擇和利用身邊的常見物品、材料，不按固定的方法和形式設(shè)計(jì)出具有新意的實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對學(xué)生要求較高，學(xué)生可以通過展演教材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、學(xué)做小實(shí)驗(yàn)積累基礎(chǔ)，從而培養(yǎng)探究能力，在到達(dá)一定程度便能開展.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)并非要求學(xué)生整個(gè)方案都創(chuàng)新，像前文所述在一個(gè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)點(diǎn)、環(huán)節(jié)有所設(shè)計(jì)、改進(jìn)也行，最終過渡到全新的實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是家庭實(shí)驗(yàn)的高級形態(tài)，在鞏固學(xué)生所學(xué)知識、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力方面可以有效達(dá)成目標(biāo)，應(yīng)大力倡導(dǎo)這一未來最優(yōu)物理教學(xué)途徑.

楊振寧說：“物理本身就是現(xiàn)象，物理教學(xué)就是讓學(xué)生‘識物樹理‘悟物窮理，沒有‘物，便沒有‘識與‘悟.”這樣改進(jìn)創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn)開展家庭實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生觀察到大量的物理現(xiàn)象，經(jīng)歷相關(guān)的物理過程、創(chuàng)新過程，能讓學(xué)生“識”與“悟”，再“識”再“悟”，除了達(dá)到讓學(xué)生鞏固知識、培養(yǎng)探究能力的目的外，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng).因此，學(xué)生、教師積極設(shè)計(jì)、思考創(chuàng)新教材實(shí)驗(yàn)開展家庭實(shí)驗(yàn)是一件意義重大的事情，能讓學(xué)生生態(tài)地學(xué)習(xí)，讓家庭實(shí)驗(yàn)真正成為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑，讓家庭成為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要陣地.

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（收稿日期：2021-04-13）