初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新取向

杜素峰

摘 要：實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新（尤其是在學(xué)生初學(xué)物理的初中階段）并非平地起高樓，需要以教材實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，關(guān)注定量、實(shí)操和數(shù)字化等。具體地，可從定性到定量，從習(xí)題到實(shí)操，從傳統(tǒng)到數(shù)字化，從而走向創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：初中物理；實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，要“注重發(fā)揮每個(gè)學(xué)生的創(chuàng)新潛力，鼓勵(lì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自制實(shí)驗(yàn)器材、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置及操作方法，給學(xué)生提供自主探究的時(shí)間和空間”^［1］。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新（尤其是在學(xué)生初學(xué)物理的初中階段）并非平地起高樓，需要以教材實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，關(guān)注定量、實(shí)操和數(shù)字化等，從而走向創(chuàng)新。

一、 從定性到定量

初中物理教材中很多實(shí)驗(yàn)都是定性地去比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以得出兩個(gè)物理量之間是否存在關(guān)聯(lián)。這是由啟蒙階段的教學(xué)要求決定的。在學(xué)生已經(jīng)完成定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生嘗試從定性到定量，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案。這不僅可以讓學(xué)生驗(yàn)證之前所學(xué)，還可以有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)思維。學(xué)生會(huì)按照更嚴(yán)格的邏輯指導(dǎo)和架構(gòu)去思考問(wèn)題，養(yǎng)成基本的科學(xué)素養(yǎng)。

例如，蘇科版初中物理八年級(jí)下冊(cè)《液體的壓強(qiáng)》一節(jié)設(shè)置了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：“如下頁(yè)圖1所示，瓶中注滿水。若在a、b（a、b在同一水平面上）、c處各扎一個(gè)小孔，你會(huì)看到什么現(xiàn)象？”教材想通過(guò)該實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單明了地說(shuō)明液體壓強(qiáng)和液體深度有關(guān)。在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生提出：a、b兩孔噴射出的水的噴射距離是否相等靠人的眼睛直接觀察肯定是不科學(xué)的，必須測(cè)量出來(lái)才能更好地比較。于是，教師順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生思考：能否測(cè)出這個(gè)距離的具體數(shù)值來(lái)比較呢？學(xué)生剛開(kāi)始想到用刻度尺來(lái)測(cè)量，但在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于幾個(gè)小孔同時(shí)出水，且出水時(shí)液面在不斷下降，導(dǎo)致噴射距離會(huì)逐漸變小，所以距離測(cè)量變得非常困難。對(duì)此，教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想八年級(jí)上冊(cè)學(xué)習(xí)“速度”時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案：地上放軟尺，瓶中裝染色的水，在同一時(shí)刻從上方拍一張照片然后記錄數(shù)據(jù)，分別測(cè)量不同深度時(shí)水的噴射距離。

雖然這樣的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但將實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)從定性改為定量可以使實(shí)驗(yàn)更具有說(shuō)服力，更能夠培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力。所以，這不失為一種引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的好方向。教師可以從教材中的定性實(shí)驗(yàn)（如“探究電熱大小與哪些因素有關(guān)”“探究滑動(dòng)摩擦力大小與哪些因素有關(guān)”等）入手，讓學(xué)生進(jìn)一步思考能否設(shè)計(jì)成定量實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。

二、 從習(xí)題到實(shí)操

很多時(shí)候，我們的教學(xué)會(huì)把實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)割裂開(kāi)，實(shí)驗(yàn)時(shí)只關(guān)注操作和結(jié)果，做題時(shí)只關(guān)注“標(biāo)準(zhǔn)答案”。其實(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們可以重現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)題中的情境，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的再現(xiàn)與實(shí)際操作，鼓勵(lì)學(xué)生細(xì)致觀察，達(dá)成教、學(xué)、評(píng)一體化。

例如，這樣一道教材習(xí)題^［2］：

如圖2所示，在水平天花板與豎直墻壁間，通過(guò)不計(jì)質(zhì)量的柔軟繩子和光滑的輕小滑輪懸掛重物G=40N，繩長(zhǎng)L=2.5m，OA=1.5m，求繩中張力的大小，并討論：

（1）當(dāng)B點(diǎn)位置固定，A端緩慢向左移動(dòng)時(shí)，繩中張力如何變化？

（2）當(dāng)A點(diǎn)位置固定，B端緩慢向下移動(dòng)時(shí)，繩中張力又如何變化？

W同學(xué)和H同學(xué)在利用理論推導(dǎo)的方法答完這道題后，向教師表達(dá)了對(duì)第（2）小問(wèn)結(jié)果的好奇——B端沿著豎直墻壁緩慢下移，繞過(guò)動(dòng)滑輪的細(xì)繩所成角度真的不變嗎？這是對(duì)第（2）小問(wèn)作出“繩中張力保持不變”判斷的重要中間判據(jù)。此時(shí)兩位學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)，已經(jīng)不再是數(shù)學(xué)推演過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性，而是現(xiàn)實(shí)物理世界對(duì)這一現(xiàn)象的可實(shí)現(xiàn)性。兩位學(xué)生的這種實(shí)證意識(shí)，正是學(xué)習(xí)物理難能可貴的品質(zhì)，只有讓他們親自動(dòng)手做一做，才能讓這種品質(zhì)得到鼓舞和提升。于是，教師指導(dǎo)他們開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)探究：線頭（B端）從圖3所示的位置緩慢移動(dòng)到下頁(yè)圖4所示的位置的過(guò)程中，三角尺（其實(shí)用量角器更好）上邊緣與細(xì)繩交點(diǎn)位置不變，即細(xì)繩所成角度保持不變。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生證實(shí)了推理結(jié)果的正確性。

思維是構(gòu)成學(xué)生素養(yǎng)的重要方面，學(xué)生的成長(zhǎng)源于自主的思考和感悟。上述實(shí)操雖然器材很簡(jiǎn)單，卻折射出了學(xué)生創(chuàng)新思維的智慧光芒，從最簡(jiǎn)單的現(xiàn)象出發(fā)，思考現(xiàn)象的本質(zhì)，并發(fā)散性地提出新的問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想。這樣的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驑O大地改善學(xué)生的思維品質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生思維的健康發(fā)展。

三、 從傳統(tǒng)到數(shù)字化

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，中學(xué)物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新達(dá)到了新的高度，將傳感器與傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，不僅可以讓初中物理中很多懸而未決的問(wèn)題通過(guò)科技手段得以解決，還可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，提升學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的熱情和探索新鮮事物的能力。

例如，蘇科版初中物理九年級(jí)下冊(cè)《電流表與電功》一節(jié)的“比較兩個(gè)燈泡的亮暗”實(shí)驗(yàn)，是為了探究電功大小和電壓、電流的關(guān)系。將兩個(gè)不同規(guī)格的燈泡串聯(lián)時(shí)，根據(jù)P=I²R，電阻大的燈泡較亮；將兩個(gè)不同規(guī)格的燈泡并聯(lián)時(shí)，根據(jù)P=U²/R，電阻大的燈泡應(yīng)該暗一些。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用規(guī)格為“4.8V0.5A”的燈泡L₁和“2.5V0.3A”的燈泡L₂，按照如圖5所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將L₁和L₂并聯(lián)接入電路，發(fā)現(xiàn)電流表A₁的示數(shù)為0.3A，電流表A₂的示數(shù)為0.25A。根據(jù)P=UI，并聯(lián)時(shí)，U₁=U₂，I₁>I₂，P₁>P₂，故L₁比L₂亮。但實(shí)際觀察到L₁明顯比L₂暗，與理論分析的現(xiàn)象不符。

教師引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)思考：

第一種可能，由于存在電表電阻和導(dǎo)線電阻，可能使得燈泡雖然并聯(lián)但兩端電壓不等，導(dǎo)致電壓和電流乘積反而是電流小的更大。對(duì)此，教師引導(dǎo)學(xué)生將兩個(gè)電壓表同時(shí)并聯(lián)在L₁和L₂兩端，發(fā)現(xiàn)其兩端電壓都為2.6V。所以，不是導(dǎo)線和電表分壓導(dǎo)致該現(xiàn)象產(chǎn)生。

第二種可能，“燈泡的亮度由實(shí)際功率決定”成立的前提是燈泡的光電轉(zhuǎn)化效率相同，那么，這個(gè)現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是兩個(gè)燈泡的光電轉(zhuǎn)化效率不同。一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)的電表測(cè)量很難直觀地比較兩個(gè)燈泡的光電轉(zhuǎn)化效率。對(duì)此，考慮引入數(shù)字傳感器技術(shù)，即利用光傳感器測(cè)出與兩個(gè)燈泡相同距離（如2cm）處的光照強(qiáng)度E，通過(guò)光照強(qiáng)度和電功率之比粗略地體現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化效率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由此發(fā)現(xiàn)：L₁的光電轉(zhuǎn)化效率比L₂小很多。所以，可以推斷上述現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是燈泡的光電轉(zhuǎn)化效率不同。

為什么在這種情況下光電轉(zhuǎn)化效率會(huì)不同呢？對(duì)于同一個(gè)燈泡，其光電轉(zhuǎn)化效率是否一直不變呢？我們用圖6所示電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)出不同亮度下光照強(qiáng)度和電功率之比，得到表2。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燈泡越亮的時(shí)候，其光電轉(zhuǎn)化效率越高，故“同一個(gè)燈泡的實(shí)際功率越大，燈泡的亮度越大”是沒(méi)有問(wèn)題的。但對(duì)不同規(guī)格的燈泡，這句話就不能完全成立，因?yàn)樵诓煌炼认虏煌瑹襞莸墓怆娹D(zhuǎn)化效率是不一定相同的。這就導(dǎo)致了燈泡實(shí)際功率大的反而暗的現(xiàn)象產(chǎn)生。

于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并引發(fā)思考，再利用數(shù)字化傳感器技術(shù)解決問(wèn)題，為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新插上翅膀。良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣是在不斷地質(zhì)疑和思考中養(yǎng)成的，這樣的品質(zhì)對(duì)學(xué)生的影響是終身的，也是最有價(jià)值的。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：32.

［2］ 詹善生，王建剛，湯金波.基于實(shí)驗(yàn)：物理習(xí)題訓(xùn)練的創(chuàng)新［J］.教育研究與評(píng)論（中學(xué)教育教學(xué)），2023（2）：55.