随堂实验创新设计的价值与策略研究

韦叶平

(江苏省武进高级中学，江苏 常州 213161)

物理实验是物理工作者有目的、有计划地利用仪器、设备，在人为控制的条件下使物理现象反复再现，从而进行观测研究的科学实践活动.其主要特征表现为理想化(简化、纯化、强化实验过程)、可观测(加速与延缓、重复与再现实验现象)，是一种科学研究方法.

物理学是一门以实验为基础的自然科学，中学物理教学的主阵地在课堂.因此，做好随堂实验对提高学生科学素养、发展学科核心素养起着关键性作用.

1 随堂实验的特点

随堂实验是穿插在课堂教学中的学生小实验，也可称作边教边实验或边学边实验.主要具有以下特点.

(1) 随堂实验通常与教师的讲解密切配合，可以是一个小实验或者是一组系列小实验；实验时间可以是几分钟或者是几十分钟；组织形式可以是演示实验或者是学生分组实验；实验地点可以是实验室，通常是教室.

(2) 随堂实验可以使用正规的配套仪器，也可以利用随手可取的日常生活用品自制教具、学具进行实验.

(3) 随堂实验让学生通过亲自动手、具身体验来学习知识，有利于发挥学生的主动性和主体性，让学习真实发生.

(4) 随堂实验的间隙穿插教师的启发、引导、讲解、评价或师生互动、生生互动，有利于扩大课堂内师生的信息交流，培养学生的合作能力、批判质疑能力和问题解决能力.

(5) 随堂实验小型灵活、运用方便，在教学中可以增加学生动手实验的机会，来培养学生的科学探究能力、证据意识和创造性思维.

(6) 随堂实验可以在创设情境、提出问题；科学探究、总结规律；迁移应用，解决问题等课堂教学的各个环节发挥不同作用.

2 随堂实验创新设计的原则

实验创新是指实验器材的创新和实验操作的创新，随堂实验的创新设计需要遵循新颖性、有价值、能体验、可推广等原则.

(1) 新颖性.一是实验器材本身具有新颖性，如DIS实验系统不仅可以精确测量微小量，而且可以显示微观变化过程；在数据处理上可以实现定量计算、定量作图、图表呈现等功能.二是实验操作的新颖性，如在探究感应电流的产生条件时，笔者将长细导线与灵敏电流表连接成闭合回路，用一根导线切割磁感线，G表发生微弱偏转；将导线绕几圈用多根导线切割磁感线，G表发生明显偏转；再绕成几十匝线圈切割磁感线，G表发生大角度偏转.实验操作的创新让学生直观比较实验现象，掌握物理规律，学会放大法等科学方法，变常规实验为创新实验.

(2) 有价值.实验创新的价值不仅仅局限于激发学生的学习兴趣和探究欲望，更要通过创设实验情境生成有价值的问题，并将知识融合到问题情境中.让学生在重演知识的发生过程和探寻规律的发现过程中，形成物理观念，掌握科学方法，理解科学本质，并能在新的情境中迁移应用解决实际问题，体验到思维的批判性、严谨性、逻辑性和创造性.

(3) 能体验.自制多组器材变演示实验为学生实验，增强学生的体验性；变指定器材实验为自主选择器材实验，激发学生的能动性；基于教材实验开发具有针对性的自制课外实验，培养学生的创造性.学生在从实验体验到物理图像再到抽象知识的建构过程中，把抽象的语言变成形象的实验过程，从而把感性认识上升到理性思维的发展和对科学本质的认识.

(4) 可推广.实验创新需要体现可以借鉴、容易推广，能服务于常态课堂教学的价值.实验装置过于复杂、高端不便用于随堂学生实验中去，笔者倡导低成本实验进课堂.常见的生活用品或实验室中的常规器材等就地取材，制作结构简单、操作方便、现象明显、有趣有效的低成本实验，学生对于熟悉的东西更加亲切，更易理解，也是物理来源于生活，又应用于生活的体现.

3 随堂实验创新的价值与策略

物理教育家朱正元教授“坛坛罐罐当仪器、拼拼凑凑做实验”；刘炳昇教授“小实验、大智慧”，都强调利用身边随手可得的普通物品做实验，不但具有简便、直观、亲切等优点，而且有利于提高学生的动手能力，培养学生的实验技能和创新意识.

3.1 为建构物理模型创设真实情境

实验创新可以激发学生的好奇心和求知欲，仅实现了浅层次学习目的.实验创新要为学生创设真实的学习情境，经过简化、纯化感性材料，建构物理模型，发展科学思维.

在“静电屏蔽”教学时，展示一只用锡纸包裹的手机，教师现场试图将其拨通却不能成功，如图1.接着，考虑到这部分知识作为“了解”的要求，因此，多数教师告知学生这是静电屏蔽现象，导体空腔内的电场保持为0，外电场对手机不会产生影响.自然过渡到电梯厢中的手机信号弱、超高压带电作业的工人穿戴的工作服、高压输电线上方的导线与大地相连，形成一个稀疏的金属“网”等生活应用.笔者并未急于用告知的概念解释现象，而是引导学生将锡纸抽象成规则的长方形导体，处于理想化的匀强电场E0中.导体内的自由电子定向移动，最终产生与E0大小相等、方向相反的电场E′，导致导体内部的电场处处为0.

图1 静电场中的导体

基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程是科学思维的一个方面.物理实验为学生的学习活动创设有一定目的的真实性任务情境，学生借助实验情境所提供的信息去建构物理模型，经过科学推理和科学论证的过程，促进对知识的掌握，实现浅层学习向深度学习转变.

3.2 巧用生活物件实现实验创新

实验创新可以表现在实验本身就是独特的，也可以是将大家熟知的东西用独特的方式来呈现，却能帮助学生理解物理规律，达成学习目标，也是很有实验价值的.

在“静电的防范”教学时，高压感应线圈、两块金属圆盘、一根铁钉即可组装成避雷针实验装置.沾满酒精的酒精棉置于铁钉下方的金属盘上，接通电源，电火花放电瞬间将其点燃.实验拉近了物理与生活的距离，现象更加震撼，学生能直观感受到雷击的危害.很多教师止步于此，学生了解了尖端放电现象，但并不能理解避雷针的原理.

图2 避雷针实验装置

在此基础上，笔者演示第2个实验.将1根大头针插入酒精棉，针尖与下方金属板接触，针帽明显高于酒精棉，位于铁钉的下方.接通电源，铁钉与大头针之间发生剧烈的放电现象，但酒精棉却安然无恙，如图2.教师进一步介绍，避雷针的标准称呼应该是“接闪杆”，引雷上身，通过接地装置引入地下，从而起到保护建筑物的作用.一次简单的改装，两次对比鲜明的实验，学生通过近距离的观察、体验，物理规律的理解水到渠成.

3.3 自制实验探究的多元化设计

有效的实验教学是建构物理概念、理解物理规律常用的重要方式.当然，也有些教师在认识上存在着一定的误区，认为所有物理规律都需要从实验中得出，所有物理概念都需要用实验来验证，从而导致随堂实验简单堆砌、多而繁杂，知识碎片化.

图3 导体上的电荷分布

在“静电平衡时导体上电荷的分布特点”教学时，笔者利用金属茶叶桶自制了演示实验器材，如图3.手摇感应起电机使金属桶带电，与金属桶内表面粘连的验电羽并未张开；外表面的验电羽、与金属桶连接的铁钉尖端处的验电羽，张角依次变大；铁钉尖端附近形成“静电风”，蜡烛火焰的方向偏移，好像被风吹动一样.接着，学生便可以尝试解释：验电器金属杆上端为什么固定一个金属球而不是做成针尖形状？避雷针顶端为什么做成尖形而不是球形？

自制实验器材整合了教材中的多个演示实验，将分步操作得到的多个实验现象同时呈现，增强了实验现象的对比性，更有利于学生在比较中直观理解科学本质，在新的情境中实现知识的应用迁移.

3.4 基于常规实验提出有思维的问题

教材中的演示实验、学生实验都是编者反复酝酿、筛选出来的，有一些看似常规的实验，如果能巧妙应用，提出有思维的问题，也能变常规实验为创新实验.

图4 链球运动

在“曲线运动”教学时，教材开始就呈现“链球运动”的插图(如图4)，却被很多教师忽视，或者不能领悟编者的意图.取而代之的是将笨重的自行车搬进课堂，观察浸没在水槽中的后轮飞速转动时，水迹飞溅的震撼场面.笔者用小沙袋代替链球当堂演示，重在提出问题：链球运动到正前方时放手好吗？链球运动到什么位置放手好？可以让学生尝试用小沙袋击中正前方的目标；也可以慢镜头播放运动员在侧前方抛球的瞬间.学生在思维的碰撞和自主探究的过程中，自然进入对曲线运动速度方向的研究.

再如，教材中的演示实验：钢球在磁铁吸引下做曲线运动.一些教师认为得到“物体做曲线运动的条件”便达到了实验目的.笔者在教学时，记下钢球做曲线运动的墨迹，进而提问：怎样对曲线运动进行定量分析呢？引导学生建立直角坐标系，用数理方法进行理论探究，也为后面根据运动的独立性定量研究曲线运动的规律作铺垫.可见，实验创新并不局限于实验器材的创新，对常规实验提出有意义的问题引发科学思维，深入运用实验结果掌握科学方法、理解科学本质，也能在常规实验中实现创新价值.

3.5 在数字化实验中发挥逻辑力量

数字化实验系统实现了实验手段数字化、操作过程简单化、测量呈现实时化、数据处理一体化、现象规律可视化等优点，因实验器材本身的创新而被一线教师广泛应用于物理课堂教学.如在微小量测量、显化微观动态过程、暂态量测量、非线性数据处理、复杂运算等多个方面弥补了传统实验的局限性.

图5 理想气体状态方程实验装置

图6 理想气体p-V图

“一键操作”式的数字化实验，往往导致学生没有经历完整的实验探究过程、不能感悟到科学探究的魅力.数字化实验要与传统实验整合，融合理论探究，发挥逻辑推理的力量，更加能够发展学生的实践能力、逻辑思维能力和创造性思维，发挥实验的创新价值.

3.6 将课堂实验延伸到课外探究

由于课堂教学时间有限以及实验系统的不完善性等因素，高中物理课堂教学往往不能像真正的科学研究一样去探究规律、习得知识、理解科学本质.这需要培养学生科学探究的意识和自主探究的能力，通过开放实验室、小课题研究、课外实践活动等，将课堂实验延伸到课外探究.

图7 m一定，a-F拟合曲线

学生每次向小桶内增加一个5 g砝码(共30次)，用来代替小车受到的拉力F(F=m0g)；借助位移传感器测得每次小车对应的加速度a；在Excel表格中拟合30组数据得到a-F的平滑曲线，如图7.学生在不断的问题和问题解决中理解实验条件m0≪m的真正意义，学会用物理规律解决实际问题.令人惊喜的是学生在自主探究过程中，借助网络查阅资料，通过合作探究、改进实验方案，如将小车和小桶整体作为研究对象，或利用无线力传感器直接测得拉力，或用倾斜轨道上小车自身的下滑力作为动力等创新方案，使实验探究不再受m0≪m的条件牵制.在此过程中，学生的科学探究能力得到提高，科学思维得到发展，物理学科核心素养的培养真正落地.

4 基于实验创新的课堂重构

基于实验创新的课堂重构，就是以实验为载体、以思维为主线，重新定位教学目标、重新规划教学内容、重新设计教学过程、合理转变师生关系，实现以关联与建构、理解与批判、迁移与应用为特征的深度学习，达成物理教学从知识型课堂向素养型课堂转变.

4.1 以系列关联实验重构课堂

实验最终都应用于课堂、服务于课堂，为实现教学目的服务.实验创新更要突出创设情境、启发思考、建构知识、发展思维的作用.因此，笔者不提倡用多个创新实验的简单堆砌来验证规律.教师要善于做好3个实验：引课实验——搭设阶梯、创设情境、引发问题；课堂实验——科学探究、激发思维、总结规律；结课实验——时空延伸、迁移应用、解决问题.

“牛顿第一定律”一课的知识难度较低而人文性较强，侧重于物理学史料介绍.一些教师在一节课中围绕惯性和惯性定律演示了十多个创新小实验，令人眼花缭乱、课堂气氛空前活跃，但思维性较低、表演成分较多.笔者在3个环节分别设置了男女生“吹乒乓球挑战”、创新“伽利略理想斜面实验”、“单手撕纸条竞赛”等3个实验，始终围绕惯性定律这个主题，实验力求创新又恰到好处，渗透人文性的史料教学，遵循学生思维发展的规律重构课堂，受到较好的教学效果.

4.2 以一个核心实验重构课堂

有些物理规律的得出思维量较大、逻辑性较强，教师需要引导学生对设定的一个目标进行进行反复、深入的实验探究，结合逻辑思辨的过程才能归纳出结论.一系列独立的小实验往往不能直接揭示物理规律的本质.笔者认为，通过自制或整合设计一个核心实验重构课堂，学生就一个实验进行深度探究，从而培养思维的深刻性、逻辑性、发散性、创造性，达成理解物理规律和科学本质的深度学习.

图8 自制大型螺线管和感应小线圈

“探究感应电流的产生条件”一课，教材设置了3个实验，反复验证感应电流的产生与磁感应强度B的变化有关，却不能直观反映与面积S的变化有关.特别是实验3“模仿法拉第的实验”，探究情景单一、电路较为复杂，学生很难将思维集中到实验现象的分析、规律本质的归纳上来.笔者自制了大型螺线管，与学生电源、开关、变阻器串联成闭合电路，提供管内的匀强磁场和管外的非匀强磁场；自制感应小线圈和G表连接成另一个闭合电路，如图8.

学生将感应线圈插入、拔出通电螺线管的过程，或放入其中保持静止；感应线圈在管内匀强磁场区域内上下平动、水平推动、转动、用手挤扁线圈；感应线圈在管外非匀强磁场区域运动；通过断开、闭合开关，迅速改变变阻器的阻值……学生在实验探究过程中反复追问“切割磁感线就一定能产生感应电流吗？”“不切割磁感线能产生感应电流吗？”“感应电流的产生与哪些因素有关？”等等.教师通过整合多个实验为一个核心实验重构课堂，让学生在不断的问题和问题解决中进行深层探究，从而感悟科学研究的方法和知识的发生过程，培养了批判性思维、问题解决能力、创造性思维等高阶思维能力.