論高中物理教學中創(chuàng)新實驗的設(shè)計與實踐

余草蘆

摘 要：高中物理教育改革中強調(diào)要培養(yǎng)學生的“科學思維”。實驗是物理學科的基石，也是激發(fā)學生創(chuàng)新意識的重要手段，成為當前物理教學改革的中心要素。文章從物理創(chuàng)新實驗的概念及其設(shè)計實踐的意義上切入，剖析了物理實驗教學的特點與優(yōu)勢。隨后以魯科版高三物理教學為例，探索創(chuàng)新實驗設(shè)計與實踐的可行策略，以期能為所在地區(qū)的有關(guān)物理教學工作者提供可靠依據(jù)，從而改善當前物理教學質(zhì)量，讓學生能在創(chuàng)新實驗中體會到物理學習樂趣的同時提高成績。

關(guān)鍵詞：高中物理；物理教學；創(chuàng)新實驗；設(shè)計實踐；策略

《普通高中物理課程標準》（2017年版2020年修訂）明確要求教學活動中要進一步落實學生的科學思維、創(chuàng)新精神培育。黨的二十大報告中提出“創(chuàng)新是第一動力”。創(chuàng)新驅(qū)動本質(zhì)是人才驅(qū)動，再次論證了培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識與精神的重要性，這對教育內(nèi)容、教學方法都提出嚴格要求。物理學科教學過程中，學生的創(chuàng)新個性、創(chuàng)新思維、實踐能力與想象力都可依托實驗來實現(xiàn)。由此可見，物理創(chuàng)新實驗的設(shè)計與運用至關(guān)重要[1]。

一、物理創(chuàng)新實驗概念與設(shè)計實踐意義

（一）物理創(chuàng)新實驗

《物理實驗論》指出“物理實驗”是研究者使用科學儀器與設(shè)備，按預先設(shè)想進程開展來探究物理規(guī)律的活動。立足于高中物理實驗教學的角度來看，它指教師或?qū)W生使用實驗器材在課堂中（或課外）來觀察物理現(xiàn)象，探究或驗證物理規(guī)律的實踐活動。當前實驗在物理教學中的作用愈發(fā)突出，為適應新時代下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的趨勢，新課標中強調(diào)了要“創(chuàng)新物理實驗教學方式”。物理創(chuàng)新實驗指以物理學科為對象，通過探究性實驗等培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神、意識與思維，深度挖掘出學生創(chuàng)新潛力的實驗。關(guān)于物理實驗的“創(chuàng)新”體現(xiàn)于兩點：第一，對實驗的創(chuàng)新，例如將原本教材中的實驗加以改進，從實驗條件、設(shè)計、手段上創(chuàng)新；第二，對實驗教學的創(chuàng)新，體現(xiàn)在實驗教學的設(shè)計、實施上[2]。

（二）物理創(chuàng)新實驗設(shè)計與實踐意義

首先，創(chuàng)新實驗設(shè)計，激發(fā)學生興趣。物理理論枯燥復雜，部分學生學習會有難度，易失去對物理的興趣。創(chuàng)新實驗教學能用生動趣味的方式呈現(xiàn)知識，讓學生主動投入探索中。其次，鼓勵學生自主探究，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。物理創(chuàng)新實驗教學中學生在課堂上的角色發(fā)生轉(zhuǎn)變，不再是以往課堂上的旁觀者，而是參與者。學生可運用各種物理儀器與工具來觀察物理現(xiàn)象，能很好地激發(fā)其潛在創(chuàng)造創(chuàng)新的能力，這也與新課標中“突出學生主體地位”內(nèi)涵契合。

二、高中物理實驗教學現(xiàn)狀概述

高中物理對于學生的邏輯思維要求較高，若學生僅僅是對物理理論知識和原理死記硬背，無法達到理想的教學效果。創(chuàng)新物理實驗作為有效的教學手段之一，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，具備突出的運用價值。從實際調(diào)查上分析，當前高中物理實驗教學現(xiàn)狀與問題表現(xiàn)如下：首先，從學生角度上分析。大部分學生對于物理實驗的興趣度高，對創(chuàng)新實驗的興趣更高，但因高中學習壓力大，學生在創(chuàng)新實驗中的主動性會被削弱；部分學生的創(chuàng)新能力不足，對于物理知識的遷移能力較弱，也并不善于信息的歸納整理，容易依賴教師或其他同學；還有部分學生存在思維惰性，在物理實驗中的創(chuàng)新欲望和意識淡薄。其次，從教師角度分析。部分教師對創(chuàng)新物理實驗教學缺乏深層次認識，導致物理實驗教學流于表面，缺乏思維深度與廣度；部分物理教師會過度看重創(chuàng)新實驗結(jié)果，卻忽略實驗開展過程，例如：片面地認為只要讓學生掌握實驗結(jié)論，能回答考試題目即可，卻忽視了對學生深層思維的激發(fā)，很難培養(yǎng)其創(chuàng)新能力；教師重知識傳授，輕探究指引，導致學生創(chuàng)新能力不足。部分教師教學有“急功近利”的意識，甚至有“講實驗不如背實驗”的謬論，學生長期不動手、不動腦，自然會影響創(chuàng)新能力提升[3]。

三、高中物理創(chuàng)新實驗教學特點與優(yōu)勢

創(chuàng)新教育是以繼承為基礎(chǔ)，學生全面發(fā)展為目標的新型教育模式。創(chuàng)新實驗教學從以往物理教學中傳統(tǒng)的“知識講述”“填鴨式教學”進行轉(zhuǎn)變，強調(diào)對學生的知識、能力與思維的綜合培養(yǎng)。物理創(chuàng)新實驗教學的特點有三：第一，教學要求層次性。不同學生在物理知識基礎(chǔ)、認知水平、學習態(tài)度多方面差異突出，創(chuàng)新實驗教學能結(jié)合不同層次學生提出差異性的教學要求與任務，讓教學工作更具針對性，例如教師可將物理實驗項目分為選做、必做不同類型。第二，學生學習的探究性。物理創(chuàng)新實驗內(nèi)容往往會涉及多個章節(jié)的知識，要求學生在實驗中要自主探究分析，從以往的“要你學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”。第三，信息交流的互動性。創(chuàng)新實驗教學突破了傳統(tǒng)教學的單一化模式，促使師生間、生生間在教學過程中圍繞著實驗來溝通，激發(fā)學生興趣。

創(chuàng)新實驗教學與傳統(tǒng)實驗教學相比，具備優(yōu)勢如下：首先，有利于學生知識建構(gòu)與綜合能力培養(yǎng)。實驗教學具備理論驗證、技能訓練、探索研究等功能，能更好地幫助學生構(gòu)建物理知識體系。1.理論驗證功能，即學生能借助創(chuàng)新實驗去驗證相關(guān)理論知識，實現(xiàn)鞏固。2.技能訓練功能[4]。3.探索研究功能。實驗中學生觀察、記錄、處理數(shù)據(jù)，分析、歸納整理等過程，能訓練其科研能力，激發(fā)其探索意識。其次，有利于激發(fā)學生學習積極性。創(chuàng)新實驗教學注重實驗的科學化設(shè)計和學生深入探究的過程，有效引導學生動手動腦，發(fā)揮學生實驗過程中的主動性與創(chuàng)造性。

四、高中物理教學中創(chuàng)新實驗的設(shè)計與實踐策略

（一）遵循創(chuàng)新原則要求，明確實驗設(shè)計與實踐的流程

在實施物理創(chuàng)新實驗教學前，要先深入了解它與傳統(tǒng)實驗的區(qū)別，從而在設(shè)計與實踐中遵循相關(guān)原則并按照流程實施。如下表1所示，是整理出來的物理創(chuàng)新實驗與傳統(tǒng)實驗的差異表。在實驗設(shè)計與實踐中要遵循的基本原則有：第一，創(chuàng)新性。實驗教學可從多元化的角度來實現(xiàn)創(chuàng)新，例如將生活中常見的物品轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶒灲叹?，讓學生眼前一亮，激發(fā)學生思考的積極性；又如搭建創(chuàng)新的實驗情境，讓復雜的物理知識被簡化。第二，實用性。教師要明確物理創(chuàng)新實驗并非為了“創(chuàng)新”而創(chuàng)新，要確保將物理實驗的現(xiàn)象與結(jié)論等知識傳遞給學生。第三，親和性。物理創(chuàng)新實驗中的儀器可從學生生活中選取，且營造出師生、生生思維碰撞的契機，讓學生體驗到研究過程的曲折。高中物理創(chuàng)新實驗要滿足相關(guān)要求，如便于學生觀察，有沖擊力，同時還具備良好互動性，能突出教學課程的重點。作為新時期下的物理教師，要明確創(chuàng)新實驗的設(shè)計和實踐基本流程，分別有：前期分析、實驗設(shè)計、實驗制作、實驗運行、效果評估，并按要求逐一落實從而確保教學效果，有效培養(yǎng)出學生在物理學科中的創(chuàng)新能力[5]。

（二）轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學理念，營造良好創(chuàng)新實驗教學氛圍

創(chuàng)新實驗設(shè)計與實踐中，物理教師教學理念及整體教學氛圍都是確保實驗順利的基礎(chǔ)條件。物理教師要具備更專業(yè)的教學能力和良好的學科素養(yǎng)，能端正教學思想，轉(zhuǎn)變以往的教學思路。例如：在學生實驗動手操作的階段，要循序漸進地加以引導，并提出問題讓學生主動去思考探究，做好學生的啟迪；又如：在教學的材料準備、流程設(shè)計中教師也要主動轉(zhuǎn)變觀念，強化實驗教學的趣味性。與此同時，物理教師要努力構(gòu)建出適合創(chuàng)新實驗教學的良好氛圍，鼓勵學生參與其中。例如：為創(chuàng)新實驗精心設(shè)計出導入語，奠定教學氛圍；在實驗設(shè)計階段教師要留給學生思考的空間，讓學生自主地去歸納和實驗有關(guān)的課程知識點，激發(fā)學生學習熱情；教學中通過巧妙點撥、結(jié)合時代信息，也能優(yōu)化實驗教學的氣氛。以教學魯科版選擇性必修“固體與液體”為例，教師可精心設(shè)計，運用古詩詞來導入。分別用“波中植甚固，磔磔如蝦須”“花自飄零水自流”來分別讓學生掌握固體、液體的特征，為創(chuàng)新實驗教學開展打下基礎(chǔ)。同樣，以教學選修課3-3第六章《能源與可持續(xù)發(fā)展》為例，教師可為學生列舉出奧運體育館“水立方”膜結(jié)構(gòu)（外圍材料：環(huán)保節(jié)能ETFE四氟乙烯膜）、世博會“陽光谷”的采光通風新技術(shù)、江水源熱泵生態(tài)技術(shù)、冬運會電子火炬減排措施等多個案例，將社會信息引入物理知識教學中，為創(chuàng)新實驗教學創(chuàng)設(shè)出良好情境，從而在傳授物理知識、激發(fā)學生大局觀的過程中，營造出良好的實驗氛圍，活躍學生在實驗教學中的思維。

（三）細化創(chuàng)新實驗環(huán)節(jié)，放大實驗要點加深學生記憶

物理教學創(chuàng)新實驗中要細化并改進實驗，幫助學生強化記憶和理解。以教學魯科版“分子動理論與氣體實驗定律”中的第二節(jié)為例，在“油膜法估測分子大小”的測量實驗中，可通過改進實驗環(huán)節(jié)，并放大實驗細節(jié)等方式來加深學生記憶。相關(guān)實驗步驟如下：1.準備好淺盤并用稀釋的酒精溶液清洗，再用清水過濾，確保消除油污、粉塵等；同時還提前準備了注射器、量筒、塑料水槽、玻璃板（30cm×30cm）、坐標紙、痱子粉等器材。2.配置酒精油酸溶液，將1ml油酸置于200ml容量瓶中，隨后注入酒精，直至容量約200ml并均勻搖動。3.指導學生計算純油酸體積。4.往淺盤倒約2ml的清水，撒上痱子粉，滴油酸酒精溶液，待其形成薄膜（如圖1）。5.將油酸膜形狀用彩筆畫在玻璃上。6.將玻璃板放在坐標紙上，計算其面積。7.根據(jù)每滴油酸體積與薄膜面積來計算油酸膜厚度，即分子大小。實際操作中存在撒粉、滴液控制、計算等方面的問題，物理教師可改進實驗。例如：部分學生撒粉過厚或不均勻，可借助直徑2～4cm的塑料筒（如廣口塑料瓶）來解決問題，將筒的口與蓋間夾上紗布，輕輕倒立并敲擊，從而能解決撒粉質(zhì)量的問題；為解決滴液中“多滴”“滴成液線”問題，物理教師可指導學生先在水槽旁豎立滴管滴出4～5滴，勻速移動到水盤上方滴入，再迅速移開，簡化操作并能讓學生明確人為誤差對實驗結(jié)果的影響。通過細化與改進此類創(chuàng)新實驗，能讓更多學生了解油酸分子的結(jié)構(gòu)特點并掌握“油膜法”的要點，還能初步學會統(tǒng)計法來計算物理量，顯著提升物理知識的運用成效。

（四）引導觀察實驗過程，指導學生分組參與實驗操作

為了確保學生在物理創(chuàng)新實驗的操作規(guī)范性，能及時發(fā)現(xiàn)不合適的物理現(xiàn)象后及時糾正，作為物理教師要反復強調(diào)教學要點，并重視對學生的指導。雖然高三階段的學生相較而言獨立操作的能力明顯提升，但面對各種新奇新鮮的物理知識，學生難免會有緊張的情緒，易造成操作失誤的現(xiàn)象。為此，物理教師要拉近與學生溝通的距離，引導學生觀察并參與操作。為提升實驗教學效率，實驗分組是有效的手段之一。教師要結(jié)合班級學生物理知識掌握程度、自學能力、實踐技能、協(xié)調(diào)能力與性格特征等來劃分小組，并要求各小組要自行安排小組長和組員的分工。例如某同學負責搜集實驗資料，某同學負責檢查實驗工具，某同學負責代表小組向教師和同學匯報實驗操作結(jié)果等。通過在實驗教學中融合小組學習的模式，能在實現(xiàn)創(chuàng)新的同時讓學生緊跟教師步伐學習，提升教學效率。以教學選修3-4第五章《光的干涉》為例，教師同樣可將學生劃分小組，借助“雙縫干涉測光的波長”的創(chuàng)新實驗來教學。但該章節(jié)的相關(guān)實驗中不但涉及的器材種類較多，且操作難度較大。例如：實驗中不僅要安裝和調(diào)整器材（光源、單縫、雙縫、遮光筒等），且學生還需仔細觀察雙縫干涉的圖樣，確保通過調(diào)節(jié)單縫位置等來讓雙縫干涉的條紋亮度更清晰。在實際的實驗操作中許多學生可能存在操作不當?shù)葐栴}，會影響實驗結(jié)果。物理教師要在此過程中做好組內(nèi)成員的督促和有效分工，保障學生能相互提醒與指導，最大限度上減少實驗操作中的錯誤，讓學生取長補短，最終成功完成實驗操作。

（五）加強實驗與生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)

物理創(chuàng)新實驗設(shè)計與實踐，要滲透在學生的生活實際中，方可達到理想效果。以教學熱力學定律章節(jié)“能量的轉(zhuǎn)化與守恒”為例，在實施創(chuàng)新實驗教學前要先讓學生了解該定律的內(nèi)涵與生活的聯(lián)系。該定律中涉及了力學、熱學、電學、磁學、電化學等多個領(lǐng)域，解釋了自然界中常見的現(xiàn)象。因此在教學中物理教師要加強實驗與學生生活的聯(lián)系并強化點撥，從而幫助學生樹立起科學的價值觀，形成可持續(xù)化發(fā)展的觀念，有效培養(yǎng)學生的物理學科素養(yǎng)。在實驗教學前，先提出問題“為什么水只能從高處流向低處”，學生可通過思考得出結(jié)論“能量的轉(zhuǎn)化需要條件”。隨后繼續(xù)提問：“電風扇工作時消耗的電能和電動機獲得的機械能是不是一樣的？”學習“能的轉(zhuǎn)化”內(nèi)容時分別讓學生完成幾種科學小實驗：1.準備黑色塑料袋和盆子，在塑料袋中盛滿一半的水并插好溫度計，將其置于教室窗外使其曬陽光，過段時間后記錄溫度計的變化。2.讓帶有太陽能電池的小風扇對著太陽光，促使風扇自然轉(zhuǎn)動。3.用鋼筆桿在毛衣或頭發(fā)上摩擦，靠近碎紙，觀察紙片是否被吸起。通過完成生活小實驗，能讓學生分別總結(jié)出光現(xiàn)象、力現(xiàn)象和電現(xiàn)象的聯(lián)系，并總結(jié)出能的轉(zhuǎn)化過程，有效提升教學成效[6]。

（六）探究物理實驗原理，構(gòu)建物理典型模型加以驗證

物理教學創(chuàng)新實驗教學中，要圍繞探究實驗原理為宗旨來設(shè)計與實踐。以教學“光電效應”相關(guān)知識為例，提前可準備自制的光電效應實驗演示儀器、DIS實驗系統(tǒng)、GD-28光電管、發(fā)光二極管等來設(shè)計實驗。結(jié)合傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上來進行創(chuàng)新與優(yōu)化。首先，將以往的純理論教學變?yōu)橹庇^化的教學實驗，回歸到物理教學本質(zhì)中，幫助學生以實驗來剖析原理知識。其次，教師利用傳感器等設(shè)備來繪制出I-U圖像，結(jié)合圖像法、對比法等綜合的教學模式，讓學生掌握飽和電流、遏止電壓等知識，為與其他物理知識的整合奠定了基礎(chǔ)。分步驟實施創(chuàng)新實驗：1.無光照的條件下，予以光電管正向電壓，觀察是否存在光電流，學生結(jié)合實驗結(jié)果回答“無”并做好記錄。2.用藍光照射光電管，增加正向電壓，觀察電流；隨后再照射同時改變成增加反向電壓，讓學生再次記錄下電流的改變，做好記錄。3.用藍光照射光電管，將所增加的電壓看作是橫坐標，電流值則為縱坐標，讓學生嘗試探究兩者間的關(guān)系。4.在步驟3的基礎(chǔ)上再次強化光照的強度，分析電壓、電流變化。5.將藍光換作紫光，重復步驟3、4的操作。6.分別改變光強度、光照的時間，用紅外線再照射，觀察是否存在光電效應。在教學過程中可結(jié)合DIS實驗系統(tǒng)來記錄分析，幫助學生探究不同實驗條件下的結(jié)果。在實驗教學中還可引入相關(guān)物理典型模型來實現(xiàn)創(chuàng)新，同時強化學生對物理定律的理解。以“動量守恒定律”為例，教學中可圍繞碰撞模型、反沖模型、人船模型等，深化學生理解。

（七）積極運用現(xiàn)代科技，優(yōu)化物理創(chuàng)新實驗實踐形式

將現(xiàn)代科技教學手段融入高中物理實驗教學是必然趨勢。1.多媒體課件。以教學“電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆孫原子模型”為例，由于該課程復雜抽象知識點較多，為幫助學生理解，便可利用多媒體課件來實施教學，用演示法、啟發(fā)法的綜合教學實現(xiàn)有關(guān)實驗教學創(chuàng)新。多媒體課件內(nèi)容可設(shè)計如下：講述物質(zhì)結(jié)構(gòu)早期探究，包括我國西周時期、古希臘時期的研究成果；講解德國物理學家發(fā)現(xiàn)電子，用圖片來展示“陰極射線”；用多媒體課件展示相關(guān)實驗操作與密立根油滴實驗的原理圖，用更直觀的方式讓學生理解。2.幾何畫板?？紤]到部分物理實驗存在特殊性，如宏觀、微觀的、運動極快（或極慢）的過程，難以很直觀地為學生展示。例如：在教學“波的衍射與干涉”時，物理教師可積極運用幾何畫板來教學。教師演示時只需點擊按鈕，學生便能迅速發(fā)現(xiàn)波會從波源的位置朝著四周發(fā)散開來，教師點擊寬度按鈕后狹縫尺寸也隨之變化。教學波的干涉時也可利用幾何畫板，邊點擊按鈕邊讓學生自行觀察并思考實驗結(jié)論。幾何畫板的優(yōu)勢在于能展示常規(guī)實驗無法演示的過程，揭示物理規(guī)律，切實地實現(xiàn)了實驗教學的創(chuàng)新。條件允許下還可運用仿真物理實驗室來實現(xiàn)教學創(chuàng)新，發(fā)揮出現(xiàn)代科技在物理實驗教學中的優(yōu)勢。

結(jié)束語

綜上所述，高中物理課程教學中創(chuàng)新實驗的設(shè)計和實踐能很大程度提高學生學習參與性，有效保障物理教學效率。經(jīng)研究得出結(jié)論：物理教學創(chuàng)新實驗設(shè)計與實踐意義重大，具體實施中可從七點落實：遵循創(chuàng)新原則要求，明確實驗設(shè)計與實踐的流程；轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學理念，營造良好創(chuàng)新實驗教學氛圍；細化創(chuàng)新實驗環(huán)節(jié)，放大實驗要點加深學生記憶；引導觀察實驗過程，指導學生分組參與實驗操作；加強實驗與生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)；探究物理實驗原理，構(gòu)建物理典型模型加以驗證；積極運用現(xiàn)代科技，優(yōu)化物理創(chuàng)新實驗實踐形式。相信實施后能為高中物理教學改革與實踐創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)，順利完成物理教學目標。

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