浅谈初中物理教学中实验设计与创新

张艳

实验设计与创新依据义务教育课程标准针对义务教育物理教科书设计一系列的物理实验，实验设计与创新的主要方法是案例研究。通过案例研究获得并积累经验与方法，循序渐进地改进、完善、丰富实验设计与创新的案例，形成与物理教材相匹配的较完整的实验课程。

（一） 实验设计与创新研究的主要原则

1.科学性原则：实验方案设计科学，实验原理所涉及的科学知识没有错误，因果关系正确，逻辑推理严谨。实验装置的设计符合实验原理设计的要求，通过规范的实验操作方法准确地体现实验原理，达到预期的实验效果。

2.安全性原则：在实验设计中严禁危害人身安全，特别是学生的安全。

3.直观性原则：实验装置清晰有序，可视效果好。实验过程的步骤与阶段明显，操作方法透明可见。实验现象明显，演示实验的现象能尽可能地让全体学生清楚地观察到，学生分组实验能让实验小组的学生清楚地观察到。

（二） 实验设计与创新研究的主要内容

实验设计与创新主要包括四个方面的内容。①优化教材演示实验内容，改进教材演示实验设计，增强实验探究设计的方法性和示范性。使演示实验的现象更加明显，更加有利于绝大多数学生理解物理原理。②优化教材学生探究实验内容与实验活动内容，改进教材学生探究实验设计与实验活动设计，注重实验探究设计的过程、方法和主动性。使学生探究实验与实验活动的现象更加明显，不断提高学生实验成功的机遇，更加有利于培养绝大多数学生的学习兴趣、探究学习方法、探究学习习惯。③在实验设计中，根据物理实验的难易程度、学生的实验能力以及安全因素等，适当增加某些验证性实验中的探究性因素，适当增加某些探究性实验中的验证性因素，使物理实验设计更加符合物理实验教学的实际需要。④增补相关实验，帮助学生理解物理重难点知识或物理核心知识。如设计补充实验，有效地促进学生理解和认识物理概念、理论、规律等。

（三）实验设计与创新的研究模式

实验设计与创新课题研究包括宏观研究和微观研究两个层面。宏观研究：不仅包括教材现有的教师演示实验、学生探究实验、学生分组实验，还包括增补实验。

（四）实验设计与创新的研究策略

实验设计与创新研究策略：①根据义务教育物理课程标准，设计符合教材教学内容的实验目标。根据实验目标和学生的学习水平设计实验原理，根据实验原理和实际实验条件等设计实验器材和实验操作方法，根据实验现象反馈改进实验设计。②中学生获得的物理知识与实验技能有限，为调动学生参与物理实验的积极性，充分发挥物理实验在学生认知活动中的桥梁作用，应该淡化演示实验与学生实验的界限、验证性实验与探究性实验的界限、单一性实验与综合性实验的界限、课堂实验与课外实验的界限、实验评价中成功与失败的界限。

（五）实验设计与创新的个案研究

个案研究是实验设计与创新研究的主要方法，也是重要方法。围绕教材中的物理核心知识、疑难知识等教学内容，依据义务教育物理课程标准和绿色物理理念设计实验目的，选择与学生生活实际或学习需要联系紧密的物理实验素材，设计符合学生认知水平的物理实验原理。根据实验原理设计简洁直观的实验装置，优化实验操作的过程与方法，精简实验过程，节省课堂时间。

下面以《“水蒸气做功”实验的改进》为例介绍实验设计创新的案例研究方法。

在人教版义务教育课程标准九年级物理教科书十四章的《热机》这一节中，提到了这样一个演示实验（如图）。

如图，在试管内装些水，用橡胶塞塞住管口，将水加热一段时间，观察现象。

讨论这个过程中不同形式的能量之间的转化情况。

在实际教学过程中，发现本实验确实有不少弊端。其一，实验中塞子的松紧度不易掌握，过松会导致不密封、漏气，塞子无法冲出;过紧会导致加热时间过长，甚至可能试管内气压过大，试管炸裂。其二，本实验即使成功，也有安全隐患。教师在实验中经过反复调试塞子的松紧，终于成功的完成了实验，但是当塞子冲出的过程中，试管中的沸水也喷出不少，差点造成烫伤事故，教师惊出一身冷汗。

本节安排这个演示实验的目的是为了说明可以将燃料的化学能最终转化为塞子的机械能，利用蒸气的内能做功。能不能将此实验加以改进，既安全又容易操作呢？在该实验基础上经过多次改进，确定了一个安全简易可行的实验方案。

器材：烧瓶1个、带导管的瓶塞1个、铁架台1个、橡胶管一截、胶头滴管1个（去掉胶头）、酒精灯、自制叶轮（直径约5-10cm）。

以上器材多数都是实验室的常见器材，容易得到。自制葉轮可以用铝制易拉罐制作，再装上一个支架（如右图）。

操作方法：在烧瓶中装适量的水，将胶头滴管（去掉胶头）和橡胶导管连接再与瓶塞连接并塞紧，用酒精灯加热至沸腾，当从导管喷出大量“白气”时就可以将出气口对着叶轮，叶轮在“白气”推动下转动，实现了一个利用内能做功的过程。

注意事项：喷气时导管的温度太高不能直接用手拿着，可以用木夹夹着。如果喷出的气流不能够使叶轮转动，那是因为气流还不够快，可以不用酒精灯而将酒精直接倒入一个坩埚内点燃进行加热（或者酒精喷灯），但是要注意操作仔细，避免酒精洒出。

三、在物理实验设计与创新研究中必须注意的问题

实验设计创新应该以学为本，注意克服实验设计与创新可能导致课堂学习低效的不利因素。如实验素材要充分体现物理核心知识、重难疑点知识，远离偏、怪、繁等超越义务教育物理课程标准难度要求的知识。实验原理符合学生的认知水平，禁止设计超越学生理解能力的实验原理，避免加重学生理解物理知识的负担，保护学生热爱物理实验的积极性。