中學(xué)物理趣味競賽實(shí)驗(yàn)探析

［摘 要］物理是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生認(rèn)識物理世界具有至關(guān)重要的作用?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對課程內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，將原先的“科學(xué)探究”改為了“實(shí)驗(yàn)探究”。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，因此需要教師開發(fā)更具趣味性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)——趣味競賽實(shí)驗(yàn)。文章結(jié)合四個(gè)具體實(shí)例詳細(xì)闡述趣味競賽實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則與實(shí)際用途。

［關(guān)鍵詞］趣味競賽實(shí)驗(yàn)；中學(xué)物理；案例；設(shè)計(jì)原則

［中圖分類號］" " G633.7" " " " " " " " ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］" " A" " " " " " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2025）02-0036-03

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的實(shí)踐性學(xué)科，豐富多彩的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)能夠有效增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)既是物理學(xué)的靈魂，也是展現(xiàn)物理學(xué)魅力、激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的源泉?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對課程內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，將原先的“科學(xué)探究”改為了“實(shí)驗(yàn)探究”[1]，這一變化凸顯了物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)生認(rèn)識物理世界過程中的重要性。然而，隨著信息社會的快速發(fā)展，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)仍不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。因此，教師需要對原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展與創(chuàng)新，開發(fā)出更具趣味性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)——趣味競賽實(shí)驗(yàn)。趣味競賽實(shí)驗(yàn)是一種新型實(shí)驗(yàn)，它既區(qū)別于常規(guī)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也不同于教師演示實(shí)驗(yàn)。它以經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)為靈感來源進(jìn)行創(chuàng)新性改造，同時(shí)兼具趣味性與競賽性。趣味競賽實(shí)驗(yàn)的趣味性在于能夠激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使他們樂于學(xué)習(xí)、愿意學(xué)習(xí)、輕松學(xué)習(xí)；其競賽性則體現(xiàn)在學(xué)生操作不同、實(shí)驗(yàn)結(jié)果各異，便于在學(xué)生間開展競賽活動(dòng)。

下面，筆者將結(jié)合四個(gè)趣味競賽實(shí)驗(yàn)案例，闡述此類實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則與實(shí)際用途，希望對中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所幫助。

一、趣味競賽實(shí)驗(yàn)案例舉隅

（一）隨機(jī)炮彈發(fā)射器

實(shí)驗(yàn)用具：塑料軟管（橫截面積略大于乒乓球直徑）、乒乓球（若干）。

實(shí)驗(yàn)操作：如圖1所示，將乒乓球放在實(shí)驗(yàn)盒中。塑料軟管一端靠近乒乓球，另一端手持并傾斜約45°。通過搖擺塑料軟管，使其像炮管一樣向各方“隨機(jī)”發(fā)射乒乓球。

競賽方式：比試在單位時(shí)間內(nèi)，誰發(fā)射的乒乓球更多、更遠(yuǎn)。為便于收集和計(jì)分，可對乒乓球進(jìn)行編號。

探究問題：哪些因素會影響乒乓球的發(fā)射距離和頻率？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理：本實(shí)驗(yàn)基于“流體壓強(qiáng)和流速的關(guān)系”原理，靈感來源于“天女散花”實(shí)驗(yàn)。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，將“天女散花”實(shí)驗(yàn)中的碎紙屑替換為體積更大的乒乓球。需注意的是，塑料軟管管口應(yīng)盡可能靠近乒乓球。在操作過程中，學(xué)生會逐漸了解到手搖塑料軟管的速度與管口到乒乓球的距離之間的關(guān)系：乒乓球離管口越遠(yuǎn)，塑料軟管搖動(dòng)的速度需越快。

（二）肺活量測試器

實(shí)驗(yàn)用具：易拉罐、廣口瓶、白紙。

實(shí)驗(yàn)操作：如圖2所示，將易拉罐放入廣口瓶中，然后對易拉罐用力吹氣，它會從廣口瓶中躍起。吹力越大，易拉罐躍起的高度越高。用白紙包裹易拉罐并在紙上畫上等距的間隔線，可半定量地反映出吹氣人的肺活量。

實(shí)驗(yàn)成功關(guān)鍵：易拉罐需輕便（即質(zhì)量?。X質(zhì)最佳（鐵質(zhì)因過重而不宜使用）；易拉罐與廣口瓶的尺寸需匹配，易拉罐放入廣口瓶后，二者之間的縫隙不宜過大，否則會影響實(shí)驗(yàn)效果。

探究問題：影響易拉罐升起高度的因素有哪些？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理：本實(shí)驗(yàn)基于“流體壓強(qiáng)和流速的關(guān)系”原理，靈感來源于“硬幣跳臺階”實(shí)驗(yàn)。吹氣時(shí)，易拉罐上部氣體流速加快，壓強(qiáng)減小，易拉罐被托起（如圖3）。本實(shí)驗(yàn)可間接反映學(xué)生的肺活量，肺活量越大，吹起易拉罐的高度越高。

（三）拇指取水器

實(shí)驗(yàn)用具：細(xì)長玻璃管、燒杯、紅色墨水。

實(shí)驗(yàn)操作：如圖4所示，將一根兩端開口的細(xì)長玻璃管，一端浸入裝有水的燒杯中，用手指堵住玻璃管的另一端并將其提起，此時(shí)液體會自動(dòng)順著玻璃管上升，形成一段水柱。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性，可在燒杯中加入紅墨水。這樣，在進(jìn)行學(xué)生取水競賽時(shí)，會更加直觀和有趣。

探究問題：影響取水量多少的因素有哪些？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理：本實(shí)驗(yàn)基于大氣壓強(qiáng)原理，類似于活塞式抽水機(jī)的工作原理。將玻璃管的一端插入水中，并用手指堵住另一端以隔絕空氣，當(dāng)提起玻璃管，大氣壓會使管內(nèi)存留住水。手與玻璃管的貼合度是影響取水量多少的關(guān)鍵因素，也是競賽取得成功的關(guān)鍵。

（四）空氣彈發(fā)射器

實(shí)驗(yàn)用具：紙箱（或硬紙盒）、膠帶、紙杯。

實(shí)驗(yàn)操作：如圖5所示，將一個(gè)紙箱或硬紙盒的前部開孔作為炮口，并用膠帶封住除炮口的其他縫隙。拍箱子后部，即可射出環(huán)形氣流（空氣彈）。學(xué)生可比賽空氣彈的射程及威力，如以擊倒遠(yuǎn)處紙杯數(shù)量的多少作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

探究問題：影響空氣炮射程與威力的因素有哪些？

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理：通過用力擊打箱子后部，壓縮箱內(nèi)空氣，壓縮的空氣從開口處噴射形成環(huán)形氣流，并向前飛行。由于空氣彈與空氣的摩擦力較小，其動(dòng)量在飛行過程中衰減較少，因此能夠飛行較遠(yuǎn)的距離。敲擊的力道和箱體的大小是影響發(fā)射效果的兩個(gè)重要因素。

二、趣味競賽實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則

（一）內(nèi)容選擇遵循適切性原則

物理實(shí)驗(yàn)旨在為物理教學(xué)服務(wù)，因此擇取的趣味競賽實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須貼合學(xué)生的認(rèn)知水平與知識儲備，不可一味追求新奇而脫離課程內(nèi)容。例如，筆者在設(shè)計(jì)趣味競賽實(shí)驗(yàn)時(shí)曾考慮斯蒂夫·莫德的“珠鏈噴泉”實(shí)驗(yàn)，即將一串長長的珠鏈疊放在燒杯中，然后輕甩一端使珠鏈噴出。但該實(shí)驗(yàn)涉及的物理知識超出學(xué)生的認(rèn)知范圍，故不宜采用。

（二）進(jìn)階目標(biāo)的制定遵循因材施教原則

因材施教原則強(qiáng)調(diào)教師應(yīng)從學(xué)生的實(shí)際出發(fā)，實(shí)施差別化教學(xué)，以確保每個(gè)學(xué)生都能獲得最適合自己的發(fā)展。鑒于中學(xué)生在認(rèn)知水平、學(xué)科能力等方面存在差異，筆者在制定趣味競賽實(shí)驗(yàn)的進(jìn)階目標(biāo)時(shí)盡可能遵循因材施教原則。具體來說，將實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)型和拓展型兩類?；A(chǔ)型實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求學(xué)生能夠完成基本的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，如在“氣壓取水”實(shí)驗(yàn)中成功取出水；拓展型實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求學(xué)生能保質(zhì)保量地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，如能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)取出更多的水或完成進(jìn)階任務(wù)。通過這樣的進(jìn)階式設(shè)定，讓所有學(xué)生都能積極參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，避免他們成為實(shí)驗(yàn)的“看客”。

（三）實(shí)驗(yàn)器材的準(zhǔn)備遵循自制性原則

趣味競賽實(shí)驗(yàn)離不開器材的支持，而自制性原則是我們準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材時(shí)的重要指導(dǎo)原則。這一原則強(qiáng)調(diào)器材應(yīng)來源于生活，如硬紙盒、易拉罐等，鼓勵(lì)學(xué)生和教師親手制作，避免使用那些高端復(fù)雜的成品器材。之所以遵循這一原則，是因?yàn)閺?fù)雜器材往往會讓學(xué)生感到物理離他們很遠(yuǎn)。英國物理學(xué)家麥克斯韋曾指出，實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值與儀器的復(fù)雜性成反比。雖然學(xué)生用自制器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)容易出錯(cuò)，但他們能學(xué)到更多的東西[2]。此外，教師在實(shí)驗(yàn)前需悉心檢查自制器材，反復(fù)調(diào)試，確保它們安全無誤。

（四）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)遵循安全性原則

安全性原則是趣味競賽實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開展的基礎(chǔ)。物理實(shí)驗(yàn)中存在一些危險(xiǎn)性項(xiàng)目，如炫舞燈、電池打火機(jī)等，這些實(shí)驗(yàn)雖然現(xiàn)象玄妙但具有安全隱患。因此，教師有責(zé)任對實(shí)驗(yàn)的安全性進(jìn)行評估，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)避免選用具有潛在危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)器材。在實(shí)驗(yàn)前需再次檢查實(shí)驗(yàn)器材，排除一切潛在危險(xiǎn)，以確保實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定、安全地開展。

三、趣味競賽實(shí)驗(yàn)的實(shí)際用途

眾所周知，目的是行為的導(dǎo)向。趣味競賽實(shí)驗(yàn)不僅能在日常教學(xué)引課中展現(xiàn)震撼力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還有以下用途。

（一）為物理題目的編制提供素材

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，在物理考試中尤為重視實(shí)驗(yàn)考查。當(dāng)前的中、高考試題中，物理實(shí)驗(yàn)占比較大，但多取材于教材中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，缺乏新奇性與延伸性。學(xué)生僅憑記憶即可快速答題，這難以激發(fā)他們的高階思維，也不利于促進(jìn)遷移能力的發(fā)展。相比之下，趣味競賽實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)上進(jìn)行適度創(chuàng)新與擴(kuò)展，既超出了學(xué)生思維的舒適區(qū)，又未超越學(xué)生思維的“最近發(fā)展區(qū)”，能夠有效推動(dòng)學(xué)生的探究積極性，挖掘他們的潛能。因此，教師可將趣味競賽實(shí)驗(yàn)改編為題目，融入日常作業(yè)與測驗(yàn)中。以“肺活量測試器”趣味競賽實(shí)驗(yàn)為例，可以改編為以下題目：將一個(gè)易拉罐放入某一廣口瓶中，然后對著易拉罐用力吹氣，易拉罐便會從瓶中躍起，吹力越大，易拉罐躍起得越高。請分析該實(shí)驗(yàn)的原理，并設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的肺活量測量裝置。

（二）為物理學(xué)科周的開展提供資源

“物理學(xué)科周”是一種活動(dòng)性課程，它將學(xué)習(xí)與游戲相結(jié)合，旨在潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并優(yōu)化學(xué)生的思維結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)展覽會是物理學(xué)科周中一種典型的活動(dòng)形式。在策劃實(shí)驗(yàn)展覽會時(shí)應(yīng)避免選擇常規(guī)實(shí)驗(yàn)和高科技實(shí)驗(yàn)：前者因?yàn)閷W(xué)生過于熟悉而缺乏吸引力，后者則因其復(fù)雜性而難以操作。相比之下，趣味競賽實(shí)驗(yàn)因其兼具可操作性和競技性，非常適合作為體驗(yàn)式展品。這些趣味競賽實(shí)驗(yàn)原本多出現(xiàn)在試題中、網(wǎng)絡(luò)上或由教師演示，現(xiàn)讓學(xué)生親自操作，從離身認(rèn)知轉(zhuǎn)變?yōu)榫呱眢w驗(yàn)，有助于促進(jìn)學(xué)生探究能力的提升。例如，學(xué)生在操作“隨機(jī)炮彈發(fā)射器”時(shí)，會發(fā)現(xiàn)手搖塑料軟管的速度與管口到乒乓球的距離之間存在一定聯(lián)系：球離管口越遠(yuǎn)，塑料軟管搖動(dòng)的速度需越快。教師可針對這一發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生展開進(jìn)一步的探究式驗(yàn)證，提升學(xué)生的探究能力。同時(shí)，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生展示他們課下開發(fā)的趣味競賽實(shí)驗(yàn)，以此營造一種激勵(lì)創(chuàng)新的研究氛圍。

四、結(jié)語

創(chuàng)造力強(qiáng)的教師更能培養(yǎng)出具有創(chuàng)造力的學(xué)生。對實(shí)驗(yàn)的拓展與創(chuàng)新正是教師智慧的體現(xiàn)。隨著課程與教學(xué)論研究的不斷深入，教師的角色已悄然發(fā)生了改變。教師不再是他人開發(fā)的產(chǎn)品的“推銷者”抑或是他人研發(fā)的技術(shù)的“應(yīng)用者”，而是課程的積極創(chuàng)造者。因此，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師不應(yīng)局限于課標(biāo)和教材中的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，而應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展與創(chuàng)新，以啟迪學(xué)生的物理思維，激發(fā)他們對物理學(xué)的熱愛和探索精神。

［" "參" "考" "文" "獻(xiàn)" "］

[1]" 彭前程，馬賢榮.聚焦學(xué)科核心素養(yǎng)" " 促進(jìn)學(xué)習(xí)方式變革：義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》變化要點(diǎn)分析[J].課程·教材·教法，2022，42（9）：35-40，86.

[2]" 邢紅軍.中學(xué)物理論文寫作教程[M].鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

（責(zé)任編輯" " 黃春香）