物理教学中实验重构与改进的策略及思考*

时春华 陈东勤

作者：时春华，教授，中学高级教师，江苏省物理特级教师，全国优秀教师；陈东勤，淮安市教育技术装备中心主任，中学高级教师。

实验教学是物理教学的重要组成部分，教师必须根据实际情况，对教材提供的案例融入自己的理解与思想，让细微处放大化，化模糊为清晰；转换思维方式，变正向为逆向；利用日常用品进行低成本物理实验；展示物理原理的技术价值；适时运用理想实验等策略，实现对教材的重构与改进。通过对实验的重构与改进，启迪学生思维，促使学生更好地领会实验思想的精髓，提高他们的实验素养和能力。

创造性、个性化地使用教材，能够使我们的教学活动更加符合学生的认知需求，增强教学的适切性。

实验教学是物理教学的重要组成部分，是落实物理课程目标,全面提高学生科学素养的重要途径。各版本的义务教育课程标准中，针对物理教材都提供了较为丰富的实验素材及样例。但是，在实际教学中，一方面由于校际间硬件设施配备的不均衡，另一方面由于各类学生认知发展水平的差异，教师必须根据实际情况，对教材提供的案例融入自己及他人的思想，对其进行增减、置换和加工，实现对教材的重构。对教材中的案例进行重构与改进，不仅可以更好地体现教材在教学活动中的“中介”作用，从而实现创造性、个性化地使用教材，而且能够使我们的教学活动更加符合学生的认知需求，增强教学的适切性。本文拟以“苏科版义务教育课程标准实验教科书——物理”的相关案例为蓝本，谈谈实验重构与改进的策略，以供参考。

1 让细微放大，化模糊为清晰，增强学生感性认识，体验概念和规律的形成过程

对微小物理量或物理量的微小变化量进行测量，是物理实验中一个重要的领域。根据实际的测量要求，通过恰当的方法，将微小有效地放大，就可以提高实验的可观察性和测量的精确度。在“声音是什么”[1]的教学过程中，我们根据学生初识物理这一实际，对于固体发声时物体的微小振动，采用两次“光放大”的方法让振动放大，学生们对此印象十分深刻。

“声音是什么”是从学生十分熟悉的事物中提出的令学生感到陌生的问题。这有利于激发学生的探究欲望，也有利于教学内容的拓展。新教材跟以往相比有了很大的改进，“探究声音的产生”一课，教材通过安排多样化的活动，力图通过比较、归纳、转化等方法，让学生在活动与思考的过程中感悟声音是由于发声体的振动而产生的。具体教学线索如下：

试一试（一张纸、一根橡皮筋、一个笔帽、一杯水，怎样使它们发出声音？）

↓

想一想（上述物体发声与不发声有什么不同？物体发声时有什么共同特性？）

↓

做一做（讲话时，声带在振动吗？将发声的音叉触及面颊，音叉在振动吗？）

在“做一做”这一环节，教材通过“音叉贴面”让学生感受振动，许多学校由于条件所限，没有那么多数量的音叉，因此，很难达到编者的意图。为此，我们对“音叉贴面”实验作了置换，并对教学流程作了进一步完善。

根据实际情况，我们做了敲击桌子发声的实验，敲桌子时，我们能听到声音，但肉眼却看不见桌子在振动。

桌子是否在振动呢？有什么方法证明桌子在发声的同时也在振动呢？为此，我们在一张较大的桌子上放两个平面镜M和N，将玩具激光笔固定，让其发出的一束激光依次被这两平面镜反射，最后射到墙上，形成一个明亮的光斑。实验装置如图1所示。

当桌面不动时，墙上的光斑不会移动。用力敲击桌面，可以观察到在桌子在发声的同时，墙上的光斑来回移动。究其原因是因为桌子振动时，光的入射角变化，导致光斑来回移动。

为了使实验现象更明显，实验中采用了两次放大的设计。选择用激光作为光源，其优点是光的平直度好，亮度较高，易于观察。另外，激光笔作为可移动光源，操作更为灵活。

上述实验演示，可以让学生在观察中直观地感受声音所产生的振动，效果较好。

接下来，给每个同学一根吸管，让他们想办法吹响，使其体验气体发声现象。

在此基础上，我们引导学生归纳总结出：声音是由于物体振动而产生的。教材经过这样处理，具体、生动的实验情景，不仅可以缩短物理知识与学生的距离，让学生建立对物理、对科学的亲近感，而且可以让学生在刚开始学习物理时，通过教师的渗透式教学，引导其在探究的过程中，逐渐建立证据意识。学生经过深入观察和亲身体验后，物理知识不仅容易领悟而且印象深刻。

2 转换思维方式，变正向为逆向，从而化弊为利突显实验现象

客观世界存在着互为逆向的事物，由于事物的正反向，才产生思维的正反向，两者是密切相关的。实践中也有很多事例，对某些问题利用正向思维不易找到正确答案，一旦运用反向思维，常常会取得意想不到的功效。

八年级下册“摩擦力”[2]53这一节，教材不是平铺直叙给出影响滑动摩擦力大小的因素，而是从改变摩擦力大小的角度，设计了“探究影响滑动摩擦力大小的因素”的活动，让学生结合生活经验，在猜想影响摩擦力的大小可能的因素的基础上，利用通过控制变量，测出3种情况下的滑动摩擦力，从而探究得出滑动摩擦力与哪些因素有关的规律。

这一探究活动能否顺利完成，关键在于滑动摩擦力的测量。对于滑动摩擦力的测量，教材通过“信息快递”这一栏目，给出的实验方案是：将物体置于水平桌面上，用弹簧测力计沿水平拉动，使其作匀速直线运动，此时弹簧测力计的示数等于物体所受滑动摩擦力的大小。实验装置如图2所示。

上述方案中，让测力计水平拉动木块作匀速直线运动是关键。只有当木块作匀速直线运动时，弹簧测力计的示数才等于木块受到的滑动摩擦力的大小。这一方案的缺陷如下：一是手拉测力计，难以保证滑块作匀速直线运动。二是在弹簧秤运动中读数不方便，甚至难以读数。按照这一方案操作，难度较大。

为此，将上述实验方案改进为：让木块固定，用手水平拉动木块下面的木板，无论木板是否匀速运动，弹簧测力计的示数都等于滑动摩擦力的大小。实验装置如图3所示。

改进后的实验优点如下：一是弹簧测力计不动，其示数易于观察，便于读取，避免了直接拉动木块时弹簧测力计示数的不稳定性；二是不要求木板作匀速直线运动。

逆向思考是重要的思维方式，逆向，可能是事物发展方向的反方向，也可能是实验操作程序的反向。“波粒二象性”“电动生磁”“磁动生电”都是运用逆向思维方法而取得成果的典型案例。

3 利用日常用品进行低成本物理实验，让生活走向物理

用身边的物品做实验，例如使用手机、饮料瓶等日常用品进行物理实验，可以拉近物理学与生活的距离，下面拟举相关案例加以说明。

手机已经很普及，为了探究哪些介质能传播声音，将一部手机装入塑料袋内,并用一根长线密封好，然后把它慢慢浸没于水槽中，用另一个手机对其进行拨号,手机开始振铃。学生不仅看到手机屏幕的亮光,而且听到从手机发出的声音。实验表明了声音可以在气体、固体、液体中传播，同时也让学生体验了探究物理规律的方法。

利用饮料瓶能够演示光的直线传播、反射、折射等现象。准备一个稍粗一些的饮料瓶，让瓶中充满香烟的烟雾，拧紧瓶盖，就制成了一个光路显示器。用激光笔从瓶底照向瓶口，能清晰地显示光在同一种物质中沿直线传播。若将瓶底放在平面镜上，用激光笔从侧面照向瓶底的平面镜照射时，会清晰地观察到入射光线和反射光线。若饮料瓶中一半盛有未澄清的石灰水，一半是烟雾时，光从侧面射向石灰水面时，会清晰地观察到光的入射光线和折射光线。

学习“液体的压强”[2]81时，我们可以将饮料瓶装满染成红色的水，在不同的高度上扎眼，引导学生观察不同深度的水喷射的距离。实验装置如图4所示。在此基础上，就液体内部压强的特点提出问题、猜想。这虽然是定性的体验性实验，却可以为定量探究“影响液体内部压强大小的因素”做好铺垫，指明方向。

学习“气体的压强”[2]85时，将空易拉罐在酒精灯火焰上方烤一会儿，然后将罐口堵塞，撤去酒精灯，在易拉罐冷却的过程中，能听到声音且看到罐变瘪了。此时，学生很容易体验到大气压强的存在。

利用日常用品，坛坛罐罐做实验，可以为学生搭建起生活世界与科学世界的桥梁，让“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念落到实处。

4 通过展示物理原理的技术价值，让学生体验科学与技术的联系

我们设计相关物理实验时，如果在揭示新现象、探究新规律的同时，注意展示科学原理的技术价值，就能够让学生较好地理解科学与技术的联系。

“电磁感应”[3]教学中，我们设计了下面的实验：将钢丝绷紧在铁架台的支架上，在底座上靠近钢丝处放置磁铁，将钢丝两端与扬声器连接。让小提琴的琴弓从钢丝上掠过，钢丝由于振动而切割磁感线，电路中产生感应电流，用手控制钢丝的振动长度，此时，由于电流的变化，扬声器发出美妙的乐音。将钢丝加长并弯曲，模仿小提琴将其排列成为四股，琴弓从钢丝上掠过，这个电提琴其音质堪比小提琴。“电提琴”发出的美妙和弦，使学生不仅领略了格物致知的真谛，科学、技术、人文、艺术也在此得到融合。

技术与社会的联系学生容易理解，科学与技术的联系却较难建立。实验是促进学生理解科学与技术联系的有效手段，如果我们设计的实验是原汁原味的科学，却能体现比较好的技术性能，学生一看就能知道是某一个科学原理在技术上的应用，这样我们就能够让学生理解科学与技术的联系。

5 适时运用理想实验启迪学生思维，激发探索的兴趣

“牛顿第一定律”[2]65教学中，教材将“探究阻力对物体运动的影响”这一演示实验，改为学生探究性实验，让小车从斜面上的同一高度由静止滑下，让其分别滑上铺有棉布的、什么都没有铺的、铺上玻璃的水平木板，实验装置如图5所示。学生通过观察及比较发现，小车受到的阻力越小，小车运动的路程越大。

在学生已有感性认识的基础上，教材写道：“设想小车在绝对光滑的水平面上运动，即不受到阻力作用，小车将在水平面上永远运动下去。”教材接着给出了牛顿第一定律。

学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，他们学习科学的心理顺序差不多就是前人探索科学的历史顺序。上述关于“牛顿第一定律”的教学设计，其出发点是降低对学生逻辑思维和抽象思维能力的要求，由于学生没有完整经历对运动和力关系的一种认知意义上的重演，导致一部分学生到了高中，在面对跟运动和力有关的具体问题时，仍然存在错误认识。

为此，我们在上面学生实验的基础上，以问题拓展的形式将伽利略关于斜面的理想实验引入教学过程，为发展学生的思维能力安装一个“接口”。

首先，模拟演示伽利略的斜面实验。如图6所示，设置一个向下的斜面，再圆滑地连一个向上的斜面，然后拿一个小球放在斜面上某点，由静止运动下来，它将冲上另一斜面。我们发现小球在第二个斜面所能达到的高度与其起始高度相差不大。

接下来，教师通过一系列问题引发学生的思考。若换一个摩擦较小的斜面，可以看出，小球就较接近原来的高度。若摩擦越小，就越接近。这是实验事实。如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。减小第二个斜面的倾角，小球仍将上升到原来的高度，但这时它要运动得远些。继续减小第二个斜面的倾角，小球达到原来的高度所通过的路程就越长。

教师再次设疑：若将第二个斜面放置水平，球会到达多远的位置？学生的结论：球将永远滚下去。这就是说，力不是维持物体运动的原因。

当然，我们无法消除一切阻力，也不能将第二个斜面做得无限长，所以伽利略的实验是“理想实验”。在此基础上，通过引导学生讨论、归纳和推理，得出牛顿第一定律就水到渠成了。爱因斯坦指出：“伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”[4]4

安装“接口”是在处理教材跟前沿发展有关联内容时，交代一下由此延伸出去的课题或领域，以实现基础物理与当代物理适度对接的教学策略。安装一些“接口”，其目的不在于让学生对这些问题有深入了解，而是让学生感到人类对真理的追求是无止境的。其实，即使我们对这些前沿领域和课题并不作过多的展开，对学生的成长也是大有裨益的。

“科学家读自然之书必须由他自己来寻找答案”[4]3，爱因斯坦曾把一代代科学家探索自然奥秘的努力，比做福尔摩斯侦探小说中警员破案的过程。在侦探故事中，有时候明显可见的线索却把人们引到错误的判断上去，也就是说，光凭经验来做判断常常是靠不住的。因此，物理教学中必须通过一定数量的实验揭示真相。物理实验是手脑并用的实践活动。教材中大量的演示实验和学生实验，我们不能采取简单的“拿来主义”，让学生照方抓药，机械操作。我们必须根据学校自身的教学资源，学生的认知水平，对教材提供的实验方案进行适当的重构或者改进。实验教学中，我们应尽量再现实验的设计过程，多让学生想想：应该怎样做？为什么要这样做？换种方法能不能做等，以此来渗透物理思想，启迪学生思路。实践表明，在实验教学中有意识地创设一种探索的氛围，使它带上一定的研究色彩，将会促使学生更好地领会实验思想的精髓，有助于提高他们的实验素养和能力。这不仅会为学生未来的发展奠定坚实的知识基础，而且能为学生以后应对知识社会的挑战建构应有的能力结构。

[1]刘炳升,李容.义务教育课程标准实验教科书:物理（8年级，上册）[M].南京:江苏科学技术出版社,2007:8．

[2]刘炳升,李容.义务教育课程标准实验教科书:物理（8年级，下册）[M].南京:江苏科学技术出版社,2007.

[3]刘炳升,李容.义务教育课程标准实验教科书:物理（9年级，下册）[M].南京:江苏科学技术出版社,2007:51．

[4]爱因斯坦,英费尔德.物理学的进化[M].周肇威,译.长沙:湖南教育出版社,1999.