物理實驗創(chuàng)新的路徑和方法

摘 要：筆者通過觀摩和分析歷屆全國中小學(xué)實驗在線平臺上全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課活動中的高中物理實驗說課視頻，歸納出了實驗創(chuàng)新的路徑。通過該路徑可以讓學(xué)生在面對現(xiàn)有實驗的不足之處、教學(xué)實驗素材的不足之處、教材表述模糊之處和屬于教學(xué)重難點而教材中沒有的實驗時，通過變化實驗方法、運(yùn)用不同工具、轉(zhuǎn)換思維方式來實現(xiàn)物理實驗的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：物理實驗；創(chuàng)新；路徑；方法

物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”。其中“科學(xué)思維”是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì)，即指創(chuàng)新思維。［1］物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。創(chuàng)新是實驗的生命力，也是實驗的閃光點。［2］培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，可以從實驗教學(xué)入手。2019年人教版高中物理教材（以下簡稱“教材”）中與實驗有關(guān)的欄目和定位與2004年人教版高中物理教材相比，沒有顯著區(qū)別。實驗分為學(xué)生自己動手完成的學(xué)生實驗、教師演示學(xué)生觀察討論的演示實驗、動手操作的“做一做”小型實驗、根據(jù)實際條件開展的拓展實驗。2019年版高中物理教材與2004年高中物理教材的實驗數(shù)量和名稱基本穩(wěn)定，只有少量有調(diào)整。［3］那么，教師該如何進(jìn)行實驗創(chuàng)新？如何培養(yǎng)學(xué)生的實驗創(chuàng)新思維？又如何將實驗創(chuàng)新與教學(xué)相融合？

全國中小學(xué)實驗在線平臺在2013年至2020年期間共舉行了8屆全國中小學(xué)實驗教學(xué)說課活動。由于第一屆活動的說課視頻并未上傳，因此可供觀摩的是后7屆活動的共164個高中物理實驗說課視頻，其中力學(xué)實驗視頻75個、電學(xué)實驗視頻63個、光學(xué)實驗視頻17個、熱學(xué)實驗視頻4個、聲學(xué)實驗視頻5個。這些視頻中的實驗涵蓋范圍較為廣泛，有較大的參考價值。筆者對這些說課視頻中的高頻力學(xué)實驗和電學(xué)實驗進(jìn)行了統(tǒng)計（如表1所示），并通過觀摩和分析實驗視頻，歸納出了實驗創(chuàng)新的路徑和方法，以期為實驗的創(chuàng)新找到落腳點，將實驗創(chuàng)新與教學(xué)相融合，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

1 實驗創(chuàng)新的路徑

1.1 根據(jù)現(xiàn)有實驗的不足之處進(jìn)行創(chuàng)新

大部分力學(xué)實驗創(chuàng)新都是針對教材中實驗的不足之處的，它們以教材中的實驗為基礎(chǔ)進(jìn)行創(chuàng)新和拓展設(shè)計。對于全國中小學(xué)實驗在線平臺中所展示的高頻力學(xué)實驗，筆者對2004年版高中物理教材中原有學(xué)生實驗的不足之處進(jìn)行了統(tǒng)計（如表2所示）。

全國中小學(xué)實驗在線平臺上不僅有學(xué)生實驗，還有演示實驗和課后實驗。教師的演示實驗中也有不足之處。例如“觀察蠟塊的運(yùn)動”實驗中，所使用的一端封閉、長約1m的玻璃管，不僅易碎且不方便裝水；教師用手控制長玻璃管做勻速運(yùn)動有難度；該實驗既不能定量記錄蠟塊水平方向和豎直方向的運(yùn)動，也不能記錄合運(yùn)動，這使得學(xué)生難以理解運(yùn)動的合成與分解的概念。

2004年高中物理人教版教材中原有實驗的不足之處，有的源于實驗原理本身的局限性，有的源于實驗數(shù)據(jù)難以測量或處理、實驗步驟繁瑣、實驗效果不明顯、實驗耗時長、實驗誤差大、對實驗設(shè)備要求高、實驗器材功能單一等問題。實驗的過程是觀察、探究、解釋、論證的過程。要進(jìn)行實驗創(chuàng)新，這就要求教師重視實驗，親手做實驗，而不僅僅是講實驗。教師要在親身經(jīng)歷的過程中，多觀察、多思考、多實踐，發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，為后續(xù)的改進(jìn)和創(chuàng)新打下堅實的基礎(chǔ)。

1.2 根據(jù)教學(xué)實驗素材的不足之處進(jìn)行實驗創(chuàng)新

全國中小學(xué)實驗在線平臺上的實驗創(chuàng)新，是對實驗素材的創(chuàng)新。例如教材中“超重和失重”這節(jié)內(nèi)容，教材通過人站在體重計上向下蹲的過程中引起體重計示數(shù)變化的現(xiàn)象來引入問題，同時設(shè)計了“做一做”欄目中的課后活動，即“在電梯地板上放一臺體重計。站在體重計上觀察電梯啟動、制動和運(yùn)行過程中體重計示數(shù)的變化”［4］來讓學(xué)生體驗超重和失重。然而，這些生活化的實驗一般不安排在課堂中，學(xué)生通常也不會想到在電梯中觀察體重計的示數(shù)變化，而且體重計示數(shù)的變化一閃而過，無法仔細(xì)觀察，實驗現(xiàn)象不夠直觀和明顯。若是課堂上能夠呈現(xiàn)相應(yīng)實驗，將會給學(xué)生帶來更強(qiáng)的現(xiàn)場感，更有利于學(xué)生分析其中的物理規(guī)律。

1.3 根據(jù)教材表述模糊之處進(jìn)行實驗創(chuàng)新

由于篇幅和學(xué)生知識水平的限制，教材中有些表述較為模糊。例如人教版高中物理必修第三冊“磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁通量”這一節(jié)，在得出磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式時的表述是“分析了很多實驗事實后人們認(rèn)識到……由此，在導(dǎo)線與磁場垂直的最簡單的情況下，有關(guān)系式B＝FIl。”［5］“分析了很多實驗事實”這樣的表述是抽象和模糊的，沒有闡述是教材中哪些實驗，也沒有闡述如何得出結(jié)論。僅僅給出“探究影響通電導(dǎo)線受力的因素”的演示實驗［6］以及上述模糊表述，學(xué)生學(xué)習(xí)時會很困惑，教師教學(xué)也缺乏說服力。教師可以針對教材中這些表述模糊的地方進(jìn)行改進(jìn)，如全國中小學(xué)實驗在線平臺中，有視頻就對“通電導(dǎo)線在磁場中受到的力”，以及磁感應(yīng)強(qiáng)度表達(dá)式的驗證實驗進(jìn)行了創(chuàng)新，為解決該問題做出了嘗試。

1.4 根據(jù)屬于教學(xué)重難點內(nèi)容而教材中沒有的實驗進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新

對屬于教學(xué)重難點而教材中又沒有輔助實驗幫助學(xué)生理解的內(nèi)容，很多教師主要通過講解，以及大量的理論推導(dǎo)讓學(xué)生接受。這其實為實驗創(chuàng)新提供了另一種可行的路徑——教師自行設(shè)計實驗、自制創(chuàng)新教具。當(dāng)然，這對教師的能力有較高要求。教師除了要把握教材的重難點，還需將理論和實踐相結(jié)合，具備實驗設(shè)計、動手操作、制作改進(jìn)等能力。例如在學(xué)習(xí)遠(yuǎn)距離輸電知識時，由于輸電結(jié)構(gòu)復(fù)雜，物理量多，計算量大，學(xué)生缺乏直觀、形象的認(rèn)知，學(xué)習(xí)起來相當(dāng)困難。全國中小學(xué)實驗在線平臺上，有一位教師就自制了模擬遠(yuǎn)距離輸電的實驗裝置，幫助學(xué)生更好地理解和加深對相關(guān)知識的認(rèn)識。全國中小學(xué)實驗在線平臺上還有其他一些說課視頻也是通過自制教具實現(xiàn)創(chuàng)新，突破教學(xué)重難點的。

2 實驗創(chuàng)新的方法

2.1 變化實驗方法

同一物理實驗，可以通過使用不同的方法來實現(xiàn)實驗創(chuàng)新。例如“探究平拋運(yùn)動的特點”實驗，除了教材中的方案，還可以利用水流法、留跡法展開探究。利用水流法可以在較長時間內(nèi)觀察到平拋運(yùn)動，可以通過不同的儀器、不同的方式出水，而針對水流流出后水流速度發(fā)生改變的問題，又可以繼續(xù)改進(jìn)創(chuàng)新。實驗中留下平拋運(yùn)動的軌跡的方法有很多。如利用磁性畫板和磁力筆尖，讓磁力筆尖在不接觸磁性畫板的情況下在磁性畫板上留下運(yùn)動軌跡；或者改造重物，通過安裝毛筆直接描繪軌跡；或者利用自制的激光圓盤，其可以處于常亮或者頻閃的狀態(tài)，在留光布上顯示軌跡；或者通過加熱鋼球，通過熱敏記錄紙的顯色反應(yīng)顯示鋼球的運(yùn)動軌跡。通過上述留跡法，只要在背景板上設(shè)置好網(wǎng)格，即可研究平拋運(yùn)動水平和豎直方向的規(guī)律。再例如“驗證機(jī)械能守恒定律”實驗中，除了可以使物體做一維的自由落體運(yùn)動，還可以使物體做二維的曲線運(yùn)動，或者是使物體做含彈簧的涉及彈性勢能轉(zhuǎn)換的運(yùn)動，以上三種情況也可以使用不同工具測量相關(guān)數(shù)據(jù)。這就要求教師從實驗原理出發(fā)，深入思考，抓住實驗本質(zhì)，進(jìn)行實驗創(chuàng)新。同時教師還需要對教材有深刻的理解，或?qū)δ骋粏栴}深入研究，多思考實驗?zāi)康氖侨绾芜_(dá)成的，是否有其他方法可以實現(xiàn)。對于某一物理量的測量，也可以采用其他方法。通過其他方法達(dá)成實驗?zāi)康?，也是實驗?chuàng)新的一種手段。

同一種實驗方法，可以應(yīng)用于不同的實驗中。如留跡法還可以應(yīng)用于“運(yùn)動的合成與分解”“簡諧運(yùn)動”等需要描繪運(yùn)動軌跡的實驗。如運(yùn)用Tracker軟件錄制運(yùn)動軌跡視頻，分析位移、速度、加速度的方法，還可以應(yīng)用于“自由落體運(yùn)動”“探究平拋運(yùn)動的特點”“測量做直線運(yùn)動物體的瞬時速度”“驗證動量守恒定律”“用單擺測量重力加速度”等需要分析位移、速度、加速度信息的實驗。這就要求教師能夠把握各實驗的共通之處，思考各實驗測量的物理量都有哪些，以便將同一方法用于不同實驗中。

2.2 運(yùn)用不同工具

某些物理量或物質(zhì)可以利用不同的工具或方法來獲得。如磁場，可以使用磁鐵獲得，還可以使用通電導(dǎo)線、亥姆霍茲線圈獲得，甚至可以利用地磁場來獲得。

同一個物理量，可以用不同的工具測量。如測量加速度，除了可使用打點計時器、光電門（有傾斜光電門、豎直光電門、水平光電門），還可使用力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器等工具。在實驗中使用傳感器，不僅可以提高測量的精度，還可以節(jié)約時間，提高課堂效率，也符合《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中“注重課程的時代性”的要求。［7］除了實驗室專用的數(shù)字傳感器，還可以利用Phyphox軟件使用手機(jī)自帶的傳感器或者無線連接其他傳感器來直接獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

先進(jìn)的工具固然有其各種優(yōu)點，但若能夠發(fā)揚(yáng)“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實驗”的精神，使用簡單的器材達(dá)到實驗?zāi)康?，甚至進(jìn)行實驗創(chuàng)新，亦有其特色和生命力。如“研究自由落體運(yùn)動的規(guī)律”實驗中，將物體改造成等間距鏤空狀，類似于梳子，它通過光電門一次就可以得到多組數(shù)據(jù)。有些時候，一個小小的改變就是一種創(chuàng)新。

2.3 轉(zhuǎn)換思維方式

有些物理量無法直接用儀器測量，但可以轉(zhuǎn)換成其他可測量的量，如將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號和光信號等。將該思想應(yīng)用于實驗中也是一種創(chuàng)新的方法。如“超重和失重”的演示實驗中，體重秤的示數(shù)一閃而過，不夠直觀，不易被學(xué)生觀察。我們可將重物與彈簧連接，超重時重物下壓開關(guān)，接通其中一個電路，使紅燈亮或者某首音樂響起；失重時開關(guān)向上彈起，接通另一電路，使另一個顏色的燈亮或另一首音樂響起。這樣，原來不易觀察的量就被轉(zhuǎn)換成了容易觀察的量，不僅突破了教學(xué)的重難點，同時也實現(xiàn)了實驗的創(chuàng)新。［8］

3 結(jié)語教學(xué)實驗的價值追求，在于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力，通過提高實驗的質(zhì)量和水平，更有效地幫助學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力，形成科學(xué)思維。若為了實驗創(chuàng)新而忽視了學(xué)生素養(yǎng)的培養(yǎng)，那是得不償失的、不可取的。因此，教師要處理好學(xué)生實驗行為和數(shù)字化實驗之間的關(guān)系。有些實驗創(chuàng)新過度集成化、數(shù)字化，不利于學(xué)生思考。教學(xué)實驗，要帶領(lǐng)著學(xué)生探究和體驗實驗過程的魅力，引導(dǎo)他們思考實驗誤差來源、實驗的不足之處，進(jìn)而提升他們的創(chuàng)新精神。最理想的方式是師生共同設(shè)計、改進(jìn)實驗，在實驗過程中給學(xué)生提供思考的時間、創(chuàng)新實驗的空間，把創(chuàng)造性的勞動交給學(xué)生完成，而將機(jī)械性的操作交給電腦完成。

參考文獻(xiàn)

［1］［7］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4-5，1-2．

［2］董友軍，馬北河，翟春城.賞析“加速度”測法 反思“高效性”教學(xué)——以“8省聯(lián)考”力學(xué)實驗題為例［J］.物理教師，2021，42（6）：76-81.

［3］梁旭，彭前程.高中物理新教材實驗編寫的原則與方法［J］.物理實驗，2020，40（10）：51-58．

［4］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書 物理 必修 第一冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：109-112.

［5］［6］人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書 物理 必修 第三冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：109-111．

［8］應(yīng)俊.創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境 激活課堂思維 發(fā)展核心素養(yǎng)——以高中物理“超重與失重”教學(xué)為例［J］.物理教學(xué)，2020，42（4）：12-14．