学生自主创新实验“四部曲”

孟富林　汤金波

摘要：学生自主创新实验不同于一般的学生实验，它指向学生的创新和自主，是由学生利用身边的物品、仪器等资源，自主提出问题、创新设计方案、实验分析论证、得出科学结论的一种综合性实践活动。学生自主创新实验基于生活、取材方便、自主性强、强调合作。玩、改、思、创“四部曲”，既是学生开展自主创新实验的几种途径，又是学生开展自主创新实验相互关联、不断递进的各个阶段——玩中体验，改中求变，思中顿悟，创中提能。

关键词：初中物理自主创新实验学生实验

一、学生自主创新实验的内涵与价值

学生自主创新实验不同于一般的学生实验，它指向学生的自主和创新，是由学生利用身边的物品、仪器等资源，自主提出问题、创新设计方案、实验分析论证、得出科学结论的一种综合性实践活动。

学生自主创新实验具有四大特点。一是基于生活。学生需要观察生活，从中选取实验资源。二是取材方便。学生借助生活中随处可得的器材就可以开展活动。三是自主性强。学生是创新实验活动的主体，观察、思考、设计方案、解决问题都需要学生充分发挥自己的主观能动性。四是强调合作。学生个体的动手、动脑能力千差万别，但通过相互合作，汇聚集体的智慧，可以实现优势互补，达到“1+1>2”的效果。

二、学生自主创新实验“四部曲”

笔者结合实践经验，总结出了学生自主创新实验“四部曲”——玩、改、思、创。“玩、改、思、创”既是学生开展自主创新实验的几种途径，又是学生开展自主创新实验相互关联、不断递进的各个阶段——玩中体验，改中求变，思中顿悟，创中提能。

玩，是学生自主创新实验的初级阶段，即学生根据已有经验，利用身边的器材进行模仿实验。这一阶段，更多关注的是学生的直观体验和兴趣激发，是学生动手能力和科学态度的培养。

改，是玩的发展，是创新的一种基本形式。这一阶段，是对已有实验活动的改进，需要针对实验中存在的问题有意识地加以改良，从而使现象更明显，操作更简单。

思，是学生自主创新实验的较高阶段。这一阶段，是经历体验、模仿、改进之后的沉淀，需要突破旧有的思路，形成创新路径。

创，是学生自主创新实验的最高形式和价值追求。这一阶段，需要通过自主思考和实践，形成完整、完善的创新实验方案，达到预期的实验效果。这对学生创新思维和动手能力的培养意义重大。

三、具体案例

（一）“玩”出乐趣

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”实践方能出真知，学习的过程实质上也是一个“实践-理论-实践”循环往复的过程。手巧方能心灵，让学生在动手中丰富智慧，在玩中学，玩出物理学科的魅力，玩出物理学习的乐趣。

例如，苏科版初中物理八年级上册中设置了有关声能的探究实验：将蜡烛正对着发声的喇叭，引导学生用蜡烛的火焰来探究声音響度与振幅的关系。学生在实验中发现：声音的响度越大，烛焰晃动的幅度越大。由此，可以得出响度与振幅有关的结论。学生进一步思考，设计出了“音乐点燃蜡烛”的趣味创新实验（实验装置如图1）。实验操作步骤为：（1）将多根高度不同的蜡烛由低到高依次排列成一条直线;（2）将蓝牙音箱放置在最低的蜡烛前端;（3）点燃最低的蜡烛，调节音箱高度，使发声位置正对烛焰，然后播放音乐。实验现象是：音乐比较激昂时，烛焰晃动幅度比较大，后面的蜡烛依次被点燃。

对于简单易行的教材实验，学生却玩出了趣味，玩出了创意。“玩”这一阶段，可以在学习新的物理知识之前进行激趣和铺垫，如研究声音产生的原因、探究光的色散等;也可以在学习新的物理知识之后进行巩固和应用，如研究水果电池、探究树荫下的光斑等。

（二）“改”出新意

改进就是改变旧有情况，使之有所进步。实验过程中的难点往往是改进的出发点，如现象不易观察、测量不够方便等。实验改进的方式多种多样，如采用示波器将无形的“声”变为有形的“波”，通过传感器将难以测量的温度、磁场等物理量轻松记录下来，将延时对比改为实时对比等。

例如，苏科版初中物理九年级上册中设置了阻值不同的两个电阻串联在电路中，分别加热液体（煤油）的实验，让学生定性地认识电热与电阻、电流等物理量之间的关系。由于本实验对定量的要求不高，所以不仅烦琐、耗时，而且效果不佳。

焦耳定律演示器（实验装置如图2）是对教材实验的一种改进：将加热液体（煤油）改成加热密闭的空气，将温度计改成一根封有一段水柱的玻璃管（两端分别插入两个密闭容器内，再比较两边水柱上升的高度）。改进后，能比较快速地看到实验现象，但水柱上升的高度差不够明显。

于是，学生进一步加以改进（实验装置如图3）：将两个密闭容器分别与一根封有一段水柱的玻璃管的两端相连，通过观察水柱的左右移动距离判断产生电热的多与少。实验现象十分直观，易于观察。

（三）“思”出深度

在“玩”和“改”的过程中，学生会有意想不到的发现或产生新的问题，需要积淀、反思，以更好地理解现象、解决问题。经历“思”的过程，方能实现新的跨越。“思”出深度，才能不断逼近事物的本质。

例如，苏科版初中物理八年级下册“探究流速对流体压强的影响”实验，学生利用自己制作的机翼进行探究：让电吹风正对上凸下凹的机翼吹风，可以看到机翼上升，由此得出“流速越大，压强越小”的结论。在此基础上，学生进一步思考，提出了如下两个新问题：

问题1：能否利用这一原理设计一个有用的器具呢？

有学生利用木板、网兜、手持电扇的扇叶、玩具车上的电机和装电池部分等，自制了一个如图4所示的“简易吸尘器”。将瓶口对准轻小垃圾，打开开关，可以看到：空气以极高的速度排出，在外界大气压的作用下，瓶口的垃圾随气流进入瓶中。

问题2：为何机翼上凸的部分流速大呢？如何用实验证明呢？

学生经过深入思考，自主设计实验方案开始实验。

实验器材：蜡烛、塑料板、吹风机、挡板。

实验操作：（1）用塑料板做出上表面是曲面、下表面是平面的“机翼”;（2）将“机翼”竖放在水平桌面上，两侧放置挡板;（3）将点燃的蜡烛分别放置在“机翼”尾部的两侧（见下页图5）;（4）在“机翼”的顶端用吹风机正对着吹风。

实验现象：当气流经过“机翼”表面时，两侧的蜡烛会同时熄灭（晃动）。

实验结论：“机翼”两侧蜡烛同时熄灭（晃动），说明通过“机翼”两侧的气体同时到达尾部，即曲面一侧流速大于平面一侧流速（曲面一侧的“路程”比平面一侧的长）。

（四）“创”出能力

学生的创新能力从哪里来？来自每一次动手实践，来自每一次对物理概念和原理深入思考后的灵光一闪。

例如，有学生在学习了“电流的热效应”之后，对家中的电饭锅进行了改进和深入的思考，设计出了“全自动电饭锅”。以下是该生的自主创新实验报告。

1.项目由来：目前市场上的电饭锅无法真正实现全自动煮饭，需要提前将米和水装入电饭锅内。尽管有些电饭锅具备了预约功能，但由于大米长时间浸泡会影响米饭的口感，所以很多家庭仍然使用传统的煮饭方式。“全自动电饭锅”的创意由此而来。

2.基本思路：用一个时控器控制注水时间，用另一个时控器控制老式電饭锅烧饭和保温，从而实现自动注水、自动烧饭和保温的功能。

3.产品优点：这款“全自动电饭锅”采用米和水分离放置，到达设定时间自动完成注水和烧饭，有效实现“全自动”;改进市场上的老式电饭锅，无须修改电路，只要增加一个自动注水装置就可以实现，简易方便。

看似简单的原理和器材，却折射出学生创新思维的智慧光芒。学生在思考、实践的过程中不仅需要动脑设计出新颖的方案，还需要不断动手进行调试，解决出现的各种问题，创新思维和动手能力都得到了有效的培养和提升。

物理学科的魅力在于实验，学生的成长源于自主的体验和感悟。开展学生自主创新实验是实现学生全面发展的有效途径，无论对学生能力的培养、素养的提高，还是对全面培育适合国家建设的有用人才，促进民族和人类社会的进步，都具有重大意义。在具体实施过程中，教师需要心存大爱，以仁爱之心关注学生的点滴进步;需要拥有睿智的眼光，不断发现学生的每一点闪耀的创意火花，以审慎的态度呵护它使之形成燎原之势;更需要有坚持不懈的信念和为国家培育全面发展人才的使命感和责任感。

参考文献：

[1] 汤金波，黄网官.学生自主创新实验是未来物理教学的最优途径[J].实验教学与仪器，2018（6）.

[2] 丁玉祥.学生自主创新实验的意义、价值与实践路径[J].实验教学与仪器，2019（5）.