中学物理“微实验”创设的价值思考

汪德强 唐伯景

(宿迁市马陵中学，江苏 宿迁 223800)

中学物理是建立在实验基础上的一门学科，实验教学是物理教学的重要基础、重要内容和重要方法，其重要性自是不言而喻[1]。除了课本上明确列出的实验外，针对一些问题，师生自主创设的微实验对物理教学有很大的帮助，有时会带来意想不到的收获。本文探讨的“微实验”是指师生立足于现实学情，为达成高效教学，借助身边常见的生活器材，经过大量的身心劳动创造出来的针对性小实验。下文就自创微实验的教学实践及其价值作一些阐述。

一、激发兴趣，引发探究

图1 变压器实验

中学物理课程难度较大，如果不能通过有效的方法调动学生的积极性，势必会影响该学科的有效教学，创设趣味性小实验是破解这一难题的一条好途径。通过学情分析，找到学生的兴趣点之所在，然后进行针对性的实验创设，这对唤起学生的兴趣、引起学生的探究欲望、实现教学的高效化有非常好的效果。例如变压器的教学，如果用书上“思考与讨论”提供的实验难以真正调动学生的兴趣，这是因为该实验没有真正切合学生的兴趣点，为了真正调动起学生的兴趣，给学生带来强烈的感官冲击，笔者创设如下实验(如图1所示)：将手机、扩音器分别接到教学变压器两臂上。先演示手机、扩音器没有接到变压器时的情景，学生只能听到手机中微弱的音乐声，旁边的扩音器没有声音；然后演示手机、扩音器接到变压器上的情况，学生会听到扩音器里传出嘹亮的音乐声。音乐也要选学生感兴趣而且欢快的曲目，当扩音器中嘹亮的音乐声传出时，学生兴奋得不得了，急切地想弄清楚手机中的音乐是怎么传到没跟手机相连的扩音器中去的，这就为这一堂课的高效教学打下了基础。事实上整堂课学生的注意力都非常集中，探究热情非常高涨。

二、破解难点，助推理解

有些物理问题若从理论逻辑上进行处理，学生理解上有困难，这时若能根据问题情境创设相应而恰当的物理小实验，往往能起到化难为易、事半功倍的效果[2]。下面摘选部分学生在理解上感觉困难的案例进行分析。

案例1：竖直面内圆周运动，在最高点无支撑状态下，圆周运动物体的最小速度不为零。关于这个问题，在历次教学中都会发现学生在理解上存在困难，有些学生只是死记硬背结论而已。经过与学生的交流发现，学生普遍的思维障碍点在于 “学生从惯性和能量守恒的角度考虑，认为小球往上运动只要有速度就可以继续上升，临界情况就是到最高点速度刚好减到零”。针对学生这样的思维障碍，笔者在之前的处理是：一方面肯定学生思考中的正确一面；另一方面对学生强调，圆周运动还要满足圆周运动特有的动力学特点(沿法向的合力指向圆心充当向心力)。带领学生经过受力分析，找到法向合力，列方程，从方程的数理逻辑上进行讲解。笔者自认为讲解思路很清晰、严密，事实上有些学生还是理解不了，有的在以后相关问题的处理上又出现模糊不清状态。这时如果现场创设小实验，给学生活生生的现场体验，学生心里的认同感马上增强，正所谓“眼见为实”，这时再从数理逻辑上阐明，就可以水到渠成地使学生将该规律悦纳到自己的认知结构中去。笔者所做的实验非常简单，找一铁环和一小钢珠。使小钢珠在铁环内侧最高点速度为零释放，让学生观察小钢珠能否从铁环内侧最高点继续沿铁环圆周运动，学生从自己亲眼见到的小钢珠的落体运动很快就清楚了。通过自创实验，丰富学生的体验感比理论上不厌其烦地讲解收到的效果要好得多。

案例2：用等大对称的两个力将一物体提起悬停在空中，当这两个力夹角变大时，这两个力的大小如何变化。

图2 力的变化实验

这个问题我们通常通过受力分析结合平衡状态进行理论上的求解。理论上求解的好处在于逻辑严密，不足在于对于抽象逻辑思维能力不强的学生会存在理解上的困难。通过创设实验的演示，学生可以获得非常直观形象的感知，进而实现理解难度的降低。图2为就地取材所设计的小实验，现象一目了然，不用多讲，学生就知道夹角越大对称的两个力也越大。

案例3：一对相互作用力的做功特点分析

图3 相互作用力实验

一对相互作用力可以都做正功；可以都做负功；可以一个做正功，另一个做负功；可以一个做功为零，另一个做正功或负功；还可以同时做功为零。这里的情况多而复杂，学生要想理解全面到位有相当的难度，如何破解这一教学疑难，笔者创设这样一个小实验：将两块小磁铁固定在两辆小车上(如图3)，通过实验演示来一一阐明上面对应的各种可能情况。创设这样一个适切的小实验，能将一对相互作用力的各种复杂的做功情况尽数明确地解释清楚，学生印象深刻，真正起到了“小实验大突破”的教学效果。

从上面案例分析可见，为促进学生认知，无论是为了某个问题的突破，还是某道习题的讲解，都可以创设相应的微实验。

三、发现新现象，引出新思考

在一些问题的处理中经过自创的小实验进行处理，有时会有意想不到的发现，这个意外结果的背后，往往会带给我们更多的思考，会使我们的思维从对实验现象的表面感性认识过渡到物理规律的理性思考上来，这对我们深化问题的理解、厘清一些错误的认识有重要的作用。下面摘选几个案例分析如下：

案例4：学生电源“含容”直流电路中小灯泡发光问题

图4 学生电源“含容”实验

电容器的特点是“通交流隔直流”，而在用学生电源直流档验证该结论时，却发现：含有电容器的直流电路中的小灯泡居然亮了(如图4所示)！小灯泡的额定电压3.8 V，而现在的供电电压达到8 V与10 V！如果不做实验而按常规定式思维分析，就很难有这样的新发现。这种情况的出现自然会引起师生的探究兴趣，师生在探究原因的过程中对相关问题有了更深刻的理解，对学生电源的工作原理也有了更加全面的认识。

案例5：变压器线圈两端电压与匝数的关系

图5 变压器实验

这个小实验本来是想给学生直观的感知，明确电压比与匝数比的定量关系(如图5所示)。但演示的结果却不是理论上的4 V而是3.2 V，这样的实验结果会引发学生强烈的认知冲突和认知失衡。针对出现的现象，让学生进行原因分析，学生会在认知冲突中积极地认知，学生经过思考、讨论、交流，从而对理想变压器的“理想”二字有了更深刻的理解。为了充分发挥这一微实验的教学价值，这时教师再适时呈现出一道学生易错的高考试题。

【原题】如图6甲，矩形金属线框绕与磁感线垂直的转轴在匀强磁场中匀速转动，产生的交变电流经理想变压器给负载供电。原线圈两端的交变电压随时间变化的图像如图6乙(电压表和电流表均为理想电表)。

图6

设问：当t=0.005 s时的电压表、电流表读数是怎样的？为零吗？学生经过现实的观察知道电表读数不为零而是一定值。再经过讨论、交流，学生就能明确交流电表读的是有效值而不是瞬时值。这个微实验的创设就同时起到了“引导”与“释疑”的双重效果，使学生的认知思维过程自然流畅、水到渠成，实现对知识的全面把握和透彻理解。

四、培养实践意识，提高核心素养

“实验探究”是中学物理学科素养的主要内容之一。物理学科核心素养形成关键是要落实到人的良好行为习惯上。在一些学生理解上有困难的教学问题上，都该有创设实验来简化问题处理的意识，这种意识不光教师要有，也应该有意识地培养学生通过创设实验进行学习的意识。运用自创微实验进行检验、研究、求证，若能内化为学生的行为习惯，这对学生物理学科素养的提高有着重要的意义。如江苏省中考联考试题：

【原题】小刚将盛满水的圆柱形透明玻璃杯贴近书本(如图7)，透过玻璃杯观看书上的鹦鹉图片(圆圈中的鹦鹉图与书本中的鹦鹉图实际大小相等)，他所看到的虚像可能是：

图7 成像实验

有教师认为该题在考核上有失公平，因为有一些学生手里有瓶装矿泉水，通过矿泉水瓶往试卷上一看，很快就清楚图像应该是什么样的。笔者认为这部分学生得到分数是合理的，因为事实上很多学生手头有矿泉水也未必会想到这么操作，能想到这样操作的学生至少说明他的实践操作意识很强，能够灵活地迁移处理问题。实践意识与实践能力的培养不是口头说说就能实现的，这需要踏踏实实地落实到平时的实验活动中去。学生经常通过这种与问题解决相关联的实验操作，日积月累，便能形成一种自动化的行为表现，如果做到就地取材、高品质设计、深层次探究，学生的实践意识与实践能力也就真正养成了。

《高中物理课程标准》对实验教学的要求是：第一，传统常规实验：教师应该积极开发适合教学的常规实验资源，并充分利用这些实验资源开展实验；第二，低成本实验：提倡使用身边随手可得的普通物品或工具来设计物理实验；第三，设计探究实验：鼓励教师设计感知体验的实验，帮助学生形成概念或规律[3]。这就要求教师要结合学生的认识规律和教学的现实情况，设计出一些科学、有趣、简易而又内涵丰富的微实验。通过自创微实验来扩大实验资源，增强实验的育人功能，引导学生在自主设计和主动探究体验中建构自己的知识，探求物理规律，增强实践意识及创新能力，从而有效提升学生的物理核心素养。当然，无论创设的微实验是基于“激趣”，还是基于“验证”；也无论是基于“引导”，还是基于“释疑”，都要适时恰当才能收到应有的效果。

[参 考 文 献]

[1] 陶洪.物理实验论[M].南宁：广西教育出版社，1996：24-26.

[2] 李进.基于数字化实验系统的物理实验拓展[J].实验仪器与实验，2009(12)：11-14.

[3] 魏华.在物理实验选修课中开展研究性学习的实验与体会[J].实验仪器与实验，2017(4)：16-19.