高中物理實驗教學的創(chuàng)新設計與實施

高中物理作為培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和幫助學生掌握實驗技能的關鍵學科，其實驗環(huán)節(jié)是教學改革的焦點。傳統(tǒng)的物理實驗教學往往受限于教材框架，學生大多按照預設步驟機械操作，缺乏創(chuàng)新與探索的空間。這限制了學生的創(chuàng)新思維與探索欲，也難以滿足新一輪課程改革對學生綜合能力培養(yǎng)的要求。隨著新課程改革的不斷深入和學生需求的日益增長，高中物理實驗教學的創(chuàng)新變得刻不容緩。文章探討了高中物理實驗教學創(chuàng)新設計與實施的策略，以供參考。

一、運用現(xiàn)代科技工具增強高中物理實驗教學成效

隨著學校教學硬件的日益完善，過去因設備不足和條件限制導致的實驗現(xiàn)象不明顯、操作不便于學生觀察等情況已得到顯著改善，教師可以充分利用新工具和新實驗方法來改進物理實驗。

（一）借助投影設備優(yōu)化教學展示

針對一些演示實驗中實驗變化不明顯、操作范圍小、實驗結果難以清晰傳達給每個學生的問題，教師可以借助投影儀放大實驗效果，如在“游標卡尺的使用和測量”教學中，以往都是由教師操作演示，但由于游標卡尺體積小，坐在后面的學生可能難以看清其細節(jié)。現(xiàn)在，教師可以通過投影儀將游標卡尺的影像放大并投射到屏幕上，確保每個學生都能清晰觀察實驗細節(jié)，從而更好地理解和掌握相關知識。

（二）深化Excel數(shù)據(jù)處理功能的應用

隨著信息技術技能的普及，當前，多數(shù)高中生已掌握Excel的基本操作技能，能獨立處理簡單的表格。然而，部分學生對Excel的強大功能了解尚淺。事實上，充分利用Excel數(shù)據(jù)處理功能，可以極大地幫助學生解決實驗數(shù)據(jù)處理中的難題，提高數(shù)據(jù)處理的效率和實驗結果的準確性。因此，在實驗教學中，教師應引導學生熟練掌握Excel的數(shù)據(jù)處理技能。例如，在探索質量和加速度之間關系的實驗中，面對多組數(shù)據(jù)的收集與比較，手工統(tǒng)計不但耗時而且容易出錯。若學生能熟練掌握Excel的數(shù)據(jù)處理技能，便能直接將兩組數(shù)據(jù)轉換為Excel圖表，自動生成反向曲線，直觀展示二者之間的關系。

（三）數(shù)字化革新實驗

數(shù)字化實驗以其自動采集數(shù)據(jù)、提高實驗效率的特點，正逐步成為物理實驗的新趨勢。這種高技術含量的實驗方法在探究相關物理規(guī)律時，展現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。例如，在探究牛頓第三定律的實驗中使用數(shù)字化實驗設備，計算機可以快速顯示相互作用力之間的關系，直接驗證“作用力和反作用力大小相等、方向相反”的結論，并進一步探究力的大小與物體加速度方向之間的無關性。

二、以生活現(xiàn)象為引，深化高中物理實驗教學

選擇貼近生活的實驗內容，能夠使學生深刻理解物理知識與現(xiàn)實生活的緊密聯(lián)系，從而激發(fā)學生的學習興趣，啟發(fā)學生的物理思維，提高學生設計實驗和動手操作的能力。

（一）借助日常工具探索物理世界

物理實驗并非只能在實驗室利用專業(yè)設備完成。在保證安全的前提下，教師可以指導學生利用生活中的物品進行有趣的實驗。例如，教師可以巧妙地利用磁鐵、罐頭、竹簽、紙盒等日常材料設計實驗。實驗中，當旋轉的易拉罐靠近靜止的磁鐵時，易拉罐會迅速靜止；當旋轉磁鐵時，易拉罐也會隨之轉動。這一簡單明了的實驗直觀展示了電磁阻尼和電磁驅動原理。

（二）融入人體感知，豐富物理實驗體驗

其實，最簡單的實驗工具就是人體，甚至不需要任何外部干預，教師僅憑自己的身體就能進行一些“實驗”，從而引導學生直觀感受物理現(xiàn)象。例如，手指敲擊桌面時，手指作為受力方能感覺到疼痛，且敲擊力越大，疼痛感越明顯。這直觀地證明了作用力與反作用力之間的關系。又如，做下蹲運動的同時水平伸展手臂，學生觀察會發(fā)現(xiàn)下蹲者的手臂呈勻速斜向運動，繼而了解到簡單的運動合成現(xiàn)象。

（三）聯(lián)系真實生活經(jīng)驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提出，教師應重視實驗教學，并運用多種形象直觀的教學手段激發(fā)學生的學習興趣，引導學生主動參與高中物理實驗創(chuàng)新活動。高中物理教材內容與學生的生活密切相關，教師應為學生安排既源于生活又高于生活的實驗內容，以喚醒學生的已有經(jīng)驗，有效落實實驗教學，豐富學生的學習體驗，提高學生的創(chuàng)新能力。

以魯科版高中物理選擇性必修第一冊第五章第四節(jié)“光的偏振”實驗教學為例。該節(jié)課的教學設計思路以科學思維為主線，旨在通過課堂內容引發(fā)學生的自主思考和提高學生的自主設計能力，促使學生提高對物理規(guī)律和模型的認知敏感度，進而提高自主探究能力。該節(jié)課教材內容分為理論和應用兩大部分，既介紹了理論框架，又突出了知識與實際的聯(lián)系。通過該節(jié)課的學習，學生可以加深對光的波動說的認識，并了解物理學知識在生活中的廣泛應用。由于光的偏振內容本身以光學現(xiàn)象為基礎且理論分析相對簡單，因此，該課的課程內容安排以科學探究為主線，采用課堂實驗結合理論分析的教學方法。教師可以帶領學生共同梳理科學思維方法，并鼓勵學生采用分組實驗和討論的方式，自主設計課堂實驗、觀察實驗現(xiàn)象、總結實驗結果。最后，教師可以分析總結科學思維和探究方法的重要性，并進一步介紹偏振的應用，使學生構建連續(xù)的思維體系，豐富學生的體驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

三、優(yōu)化教學流程，革新高中物理實驗教學

目前，高中物理實驗教學主要遵循教材既定步驟進行實驗設計，這些步驟雖然經(jīng)過了多次驗證，但未必完全符合所有的教學情況。因此，教師可以緊密圍繞教材，對材料選用與實驗步驟設計進行適當調整，使實驗過程更加完善。

（一）對傳統(tǒng)實驗缺陷進行優(yōu)化升級

部分經(jīng)典實驗雖然歷史悠久，但實驗結果常難以令人滿意。教師可以嘗試微調實驗過程或操作方法，以增強實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和實驗的可操作性。例如，在探究滑動摩擦力的實驗中，傳統(tǒng)的手拉彈簧測力計的方法難以精準控制力度，常導致數(shù)據(jù)波動，影響實驗結果。對此，教師可以改用手拉木板的方式。這種方式能更穩(wěn)定地控制張力，從而獲得更準確的數(shù)據(jù)。對于整個實驗來說，這一細微改動雖不顯眼，卻提高了實驗的準確性，顯著增強了實驗效果。

（二）依據(jù)現(xiàn)實情境制訂實驗方案

教師在設計課堂實驗時，需兼顧實驗效果、課堂環(huán)境及實際操作情況。必要時，教師可以對實驗流程進行適當調整，以創(chuàng)造良好的課堂教學條件。例如，在牛頓管自由落體實驗中，傳統(tǒng)方法是將羽毛放在空氣牛頓管中進行自由落體，然后抽出牛頓管中的空氣，再觀察這種現(xiàn)象，空氣抽取過程煩瑣且耗時，影響教學的連貫性。對此，教師可以采用預制的真空牛頓管進行實驗展示，這樣既保證了實驗效果，又節(jié)省了時間，使教學更加流暢。

（三）豐富物理實驗教學，提高實踐操作與創(chuàng)新能力

在物理實驗教學過程中，教師應致力于豐富實驗教學活動的內容，以激發(fā)學生的潛能。通過多樣化的實驗，學生不僅能激發(fā)探索科學世界的興趣，加深對物理知識的理解，還能有效提高實踐操作與創(chuàng)新能力，從而提高物理實驗學習的效率。

例如，在魯科版高中物理必修第二冊第三章第二節(jié)“科學探究：向心力”的實驗教學中，教師可以設計實驗，讓學生通過對照實驗，分別探究以下內容：在質量、半徑一定的情況下，向心力大小與角速度的關系；在質量、角速度一定的情況下，向心力大小與半徑的關系；在半徑、角速度一定的情況下，向心力大小與質量的關系。實驗中，學生需要分別將兩個質量相等的小球置于實驗儀器的兩個小槽中，確保小球到轉軸的距離相同（即圓周運動半徑相同）。之后，教師將皮帶放置在適當位置，驅動兩個轉盤轉動，并記錄不同角速度下向心力的變化。為了進一步提高學生的創(chuàng)新能力，教師可以引導學生思考并討論問題：“某名學生為了比較不同物體與轉盤間動摩擦因數(shù)的大小，設計了一套裝置，在該裝置中，已知固定于轉軸上的角速度傳感器和力傳感器與電腦連接，通過一根不可拉伸的細繩連接物塊，當細繩剛好拉直時，物塊隨轉盤緩慢加速。請思考若將物塊視為非質點（即考慮其形狀和大?。?，這一設計對實驗結果可能產生何種影響？”討論這一問題有助于學生將理論知識與實際問題相結合，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維，提高他們解決問題的能力。

四、探索新穎實驗途徑，激活高中物理實驗教學

在高中物理實驗教學中，教師應避免對物理實驗進行簡單的定型和形式化處理，而應采取實事求是的態(tài)度，不斷探索和創(chuàng)新物理實驗方法，以提高學生的物理核心素養(yǎng)。教師可以帶領學生改造傳統(tǒng)實驗并自行設計實驗方案，探索更新穎、更便捷的實驗方法。這不僅能激活高中物理實驗課堂，還能培養(yǎng)學生的探索精神。

（一）微實驗、深洞察，學習與實踐并行

部分實驗所需材料簡單，步驟也不復雜，適合學生自行設計并完成。例如，學習“平行四邊形法則”，筆者鼓勵學生動手設計實驗來驗證這一法則。一名學生提出了利用橡皮筋的張力來直觀展示作用力的可視化方案。這一創(chuàng)意啟發(fā)了大家。通過調整橡皮筋的伸長長度和角度，學生成功驗證了“平行四邊形法則”，并在這一過程中掌握了新的測試方法。

對于一些復雜或難以直接驗證的定理和規(guī)則，教師和學生需要共同探索，不斷修改實驗方案，以達到理想效果。例如，在學習“曲線運動中的受力方向”知識點時，一名學生利用玩具車和賽車軌道設計了實驗，但發(fā)現(xiàn)汽車容易脫軌。經(jīng)過討論，大家決定用鋼球代替汽車，并在軌道上自由滑行，最終成功驗證了曲線運動中物體的受力方向。通過這一過程，學生不僅加深了對相關知識的理解，還提高了動手操作能力和團隊協(xié)作能力。

（二）利用物理實驗問題，培養(yǎng)實驗創(chuàng)新意識

在高中物理實驗教學中，教師應尊重學生的學習主體地位，緊密結合學生的學習發(fā)展需求及其年齡、心理特點，巧妙利用物理實驗問題，激發(fā)學生的學習興趣，豐富學生的學習體驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

例如，在魯科版高中物理選擇性必修第一冊第一章第一節(jié)“動量和動量定理”實驗教學中，雖然學生此前已經(jīng)學習了動量及動量守恒定律的基本概念，并能對部分物理模型進行簡單應用，但知識的內化與深化仍是一個挑戰(zhàn)，教師可以引導學生圍繞反沖現(xiàn)象進行深入探討，幫助學生加深對動量守恒定律的理解，進一步提高學生從實際問題中抽象出物理模型的能力。首先，教師應引導學生回顧動量守恒定律的內容及其成立條件，確保學生對基本概念有清晰的認識。其次，教師可以提出“動量守恒定律成立的條件是什么”這一問題，自然過渡到新課內容。接著，教師可以給學生展示生動有趣的演示實驗：一個易拉罐側面下方斜扎有三個小孔，當它被注滿水并吊起來后，在噴水過程中會旋轉起來。同時，教師可以利用多媒體設備播放火箭升空的視頻，引導學生觀察兩者之間的相似之處。這些現(xiàn)象迅速激發(fā)了學生的好奇心和探究欲，他們紛紛猜測其中的物理原理。為了讓學生更直觀地理解反沖現(xiàn)象，教師可以設計分組實驗，讓學生將吹滿氣的氣球（不封口）釋放，并觀察其運動狀態(tài)。實驗過程中，教師要引導學生積極參與，認真觀察并記錄實驗結果。實驗結束后，教師可以繼續(xù)提出“這些現(xiàn)象有什么共同特征”“我們可以認為物體由哪兩個部分組成，這兩部分構成的系統(tǒng)所受外力是否接近為0，或至少在某一方向上的合力接似為0”等問題，引導學生深入思考，鼓勵學生在小組內進行討論。最后，教師總結實驗中的反沖現(xiàn)象，幫助學生深入理解動量守恒定律、反沖現(xiàn)象的概念和原理，并強調其在日常生活和工程實踐中的廣泛應用，鼓勵學生用所學知識解決實際問題，以提高學生的實踐能力、提升學生的物理學科素養(yǎng)，從而為其后續(xù)的學習奠定堅實的基礎。

（作者單位：福建省廈門雙十中學）