初中物理创新实验资源开发的路径与案例研究

刘信生 傅求宝

摘 要：新课改形势下初中物理实验教学发生重大变化，创新实验教学形式得到广大一线物理教师的青睐，所以开发创新实验的路径和案例研究是研究的重要课题，笔者经过数年研究，通过总结具体案例，结合生产生活用品、整合实验室、游戏和魔术、信息技术环境下的实验等资源开展创新实验，将多学科融合，旨在培养学生想象力和创新思维，提升学生解决问题和动手实践能力.

关键词：创新实验;资源开发路径;案例研究

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）14-0019-04

基金项目：合肥市2021年度教育科学规划课题“名师工作室引领区域教师专业发展的策略研究”（项目编号：HJG21026）.

作者简介：刘信生（1971-），男，安徽合肥人，本科，中学高级教师，研究方向：初中物理教育教学;

傅求宝（1979-），男，安徽合肥人，本科，中学高级教师，研究方向：物理教育教学.

2019年11月教育部颁布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，文件强调：创新实验教学方式，倡导“做中学”“研中学”“创中学”“以生为本”，突出学生学习的主体地位，强化学生亲身体验和动手实践，要充分发挥实验教学在基础教育中的重要作用，强化学生的创新精神和实践能力，创造有利条件增加学生动手机会.物理学是一门以实验为基础的自然科学，在实验中进行科学探究，培养学生的科学思维能力是物理教学的核心理念.因此，实验和思维是物理教学的两条铁律[1].在当今以培养学生核心素养为目标的新课改形势下，要想实现由“知识技能学习为中心”向“人的发展为中心”的转变，教师以完成教材中演示实验和分组实验为目标的物理实验教学远远不够.笔者认为，物理实验要以有利于实验教学的一切实际生活中的“存在物”，不拘泥于课本中的素材和实验室现有器材，要放眼生产生活用品，整合实验室、游戏和魔术、信息技术环境下的实验等资源开展创新实验，将多学科融合，旨在培养学生想象力和创新思维，提升其解决问题和动手实践能力.

1 从生产生活用品中开发创新实验资源

“从生活走向物理，从物理走向社会” 是物理教学的核心理念.说明物理学中所有的概念和规律都是对生活和自然界的抽象概括，人类更是运用这些自然原理去改造自然和解决生活中的现实问题.所以，以生产和生活用品为资源来开发物理创新实验就有深远的意义.由于中学生是人生的黄金時期，对自己周围的生活现象关注度最高，教师以生产生活中的各种物品、器具甚至废物垃圾为素材，开发出简洁、直观、适用的创新实验器具，引导学生对那些“似懂非懂”的物理原理进行科学探究，通过创新实验仪器和改良实验器材，优化实验步骤，让实验现象更清晰、思维更直观，实现创新实验可视化;在手脑并用、经历实验操作的整个过程中开发科学思维.

例如，在探究“飞机投弹”类的物体平抛运动规律问题中，初中学生缺乏直观的感性认识，运用高中知识进行理论分析显然行不通，笔者通过自制惯性演示仪，构建模型探究“飞机投掷炸弹”实验[1].用四枚轴承做成平板小车轮子、用废弃免漆板木料做成支架、用亚克力管制成投掷器、用薄亚克力片做成控制器、用铁架台横向固定的木条尺做成触发器、易拉罐做成接收器，下落的玻璃球就是投掷的“炮弹”.整个装置就是由身边的“瓶瓶罐罐”拼凑起来的，带领学生在操场上模拟“飞机投掷炸弹”情景再现，能丰富学生的学习生活，获得直接的事实经验，通过构建模型进行思维加工，深刻理解惯性概念，培养学生的创新精神和实践能力.

2 整合现有的实验室资源、网购材料开发创新实验资源

实验室的器材是教师进行实验教学的基本物质资源.教材中的演示实验和分组实验，学生可以通过多种途径来达成学习目标，我们要在学生“玩”实验的基础上，将实验室现有的甚至闲置的器材进行改造、拆解、借用、重组和整合，开发出新的实验器材，让传统的实验也能激发学生的学习兴趣，提高实验教学效率，拓展实验功能.

例如，“探究杠杆平衡条件”实验是初中物理教学的重点实验之一.对于以形象思维为主的初中生而言，建立力臂概念不能一蹴而就，特别是当拉力与杠杆不垂直的时候，此时力臂无法从演示杠杆上直接读出，笔者在教学中设计出许多有价值的解决办法，并在无意中发现装修师傅用落地激光十字仪来检验室内的地面与四周墙壁是否垂直，并利用激光十字仪，自制“杠杆平衡仪”探究杠杆的平衡条件[2].如图2所示，主体结构：免漆板上固定演示杠杆一根、6把不锈钢刻度尺（其中2把刻度尺固定在木条刻度尺上）、测力计等;辅助结构：激光十字仪、光具座、充电宝.调节激光十字仪的支架，使激光水平投射出去，投射线与免漆板必须垂直是顺利完成实验的关键，该装置的最大优点就是利用激光十字仪发出的两条激光是互相垂直的特性，能够显示力臂就是支点到力的作用线的距离，实现物理概念的可视化，方便学生能够准确读出力臂的大小.通过该装置的使用，加深了学生对动力和阻力均与杠杆垂直且杠杆在水平位置平衡、动力和阻力均与杠杆不垂直且杠杆在水平位置平衡、动力和阻力均与杠杆不垂直且杠杆在非水平位置平衡等多种情况进行全方位的探究，丰富了学生深度探究的愿望，提升了学生科学思维能力.

同时设计“一种精准读取力臂的杠杆演示仪”装置[3]，如图3所示，该装置的最大特点是通过自制刻度板和亚克力支架，利用定滑轮改变拉力方向，精准读取各力的力臂.（1）刻度板制作：在Adobe Photoshop图像处理软件的界面上选取与A4纸长和宽相同的尺寸，画出分度值为毫米的刻度尺，将刻度线沿横向2等分，将0刻度线置于界面中央位置（粗红线），再以0刻度线为对称轴左右对称的位置标出以毫米为单位的刻度，两边的量程均为15cm，两边相对应的刻度中，每隔1cm用实线连接，每1cm中间用虚线等分，在实线间标上刻度的数值.将设计好的特殊“刻度尺”彩色打印在A4纸上，用塑封机塑封好，如图3所示.再用打孔器在零刻度线处打上小孔做成刻度板备用.（2）支架制作：取60cm×80cm×0.8cm透明亚克力板1块，将亚克力板做成“丫”字形，两侧对称地镂空成圆弧状槽，取实验室中去掉外框的塑料滑轮2枚，分别用螺杆穿过2枚滑轮的轴心和亚克力板的圆弧状槽，再用螺母在槽的背面旋入螺杆，悬挂好左右两侧的滑轮，通过调节螺杆上螺母的松紧保证两滑轮可以固定在圆弧形槽内任意位置，再把下方板面切掉，目的是让钩码能悬空，在亚克力板的中间靠正下方打2个孔，便于用螺丝将亚克力板竖直地固定在铁架台上，前后调节板面，使演示杠杆与其在同一竖直面内.（3）组装过程：首先将演示杠杆支架竖直固定在铁架台直杆上，将自制刻度板的小孔先穿入铁架台上固定杠杆的转轴，再在转轴上旋入螺母，前后2枚螺母挤压刻度板的松紧度适度，达到用手转动刻度板且放手后刻度板可以在任何角度保持静止为宜.然后将细线悬挂的重锤线系在转轴上，调节刻度板，使刻度板的0刻度红线与重垂线重合，再穿上轻质演示杠杆.最后旋上杠杆的支点固定螺母.在杠杆两侧可移动的悬挂点下分别系好带有挂钩的深色棉线，目的是方便加挂钩码.

3 从游戲和魔术中开发创新实验资源

魔术因其具有变化莫测、出人意料的表演效果而深受人们的喜爱[4]，其本质是创新实验的一种形式.各种魔术游戏丰富多彩，令人惊奇，其中蕴含许多物理知识和物理原理.趣味魔术游戏手法的揭秘，合理地将其引入到中学物理课堂教学中，可以起到意想不到的教学效果.

案例：表演者先将一只手握的玻璃杯倒放在桌面上，手一直没有离开玻璃杯，另一只手拿来一粒开心果放在杯底上（如图4所示）.这时候，将握住杯子的这只手沿着杯壁向上滑动至杯底后离开杯子.观众见到开心果从杯底落入到杯口的桌面上，看到的结果是：开心果穿越杯壁，进入杯子里面.

物理原理揭秘：表演者事先准备两粒相同大小的开心果，分别取下里面的果粒，再各自放进去一块强磁粒.表演者的手指上戴有磁性的戒指，此戒指可以分别吸引特制的开心果，表演前将一粒开心果吸附在掌心的戒指上，趁手握杯子的空隙，小心将掌内的开心果滑入杯壁内部（利用手指挡住了观众的视线），由于磁力的作用而不会掉下来.此时，再将另一粒开心果放在杯底上，握杯的手向上滑动并离开杯底的瞬间，杯底的那粒开心果被戒指吸附在掌心带走，杯内的开心果失去吸引力而从杯壁内侧滑落下来，观众却感觉杯底上部的开心果穿越进入杯内了.

教学应用：在磁体与磁性的物理教学中，可以通过魔术引入新课，活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，让学生了解磁性的广泛应用.

4 从教材的习题中开发创新实验资源

物理教材课后习题设计的目的是为了考查学生对物理概念和规律的掌握情况，问题大都是来自生产生活中现实情景，是真实生活的反映，是值得师生去挖掘的丰富矿藏，更是物理创新实验的优质素材来源.

例如，教材习题中将两把刷毛相对的刷子合在一起，再用力错开，发现二者的刷毛均发生形变来解释力的作用相互性，笔者带领学生依据这一情景实验，设计出一种底部固定四根细弹簧的亚克力板之特制“滑块”来探究滑动摩擦力实验[5]，如图5所示.通过观察细弹簧的长度变化和弯曲方向，巧妙地将物体受到的滑动摩擦力大小和方向可视化，设计实验完成：（1）探究滑动摩擦力大小与物体间压力和表面粗糙程度有关;（2）探究传送带上运动的物体受到的摩擦力方向;（3）探究斜面上物体受到摩擦力的方向.对只有初中水平的学生直观形象地理解滑动摩擦力的特性，大胆设计创新实验，突破科学思维瓶颈具有很大的现实意义.

在进行探究“浮力大小与哪些因素有关”规律实验教学时，笔者发现运用称重法测量物块在液体中的浮力大小步骤较繁琐，对实验进行创新设计，运用电子秤测量物体受到的浮力[6].该装置的创新优点为：（1）运用力的相互作用原理与浮力相结合，可以简化为液体对浸在其中的物块挤压作用的合力;（2）巧妙地运用电子秤读出物体的质量大小，且可以直接称得物块在液体中受到的浮力;（3）完成验证阿基米德原理和探究浮力大小与哪些因素有关规律实验;（4）运用等效法和坠物法探究空心物体浮力（如图6所示）.

5 从数字化实验系统中开发创新实验资源

教育信息化在高中物理实验教学由“起步、应用”阶段正在向“融合、创新”阶段迈进.这几年，初中物理实验的信息化应用不断发展，特别是基于传感器技术与传统实验的快速融合，可以从数字化实验中开发出新的创新实验资源.

以初中物理“探究影响导体电阻的因素”实验为例，传统实验存在诸多不足：（1）实验中通过小灯泡的亮暗发生变化定性反映导体电阻大小发生变化.（2）电流表可视性差，后排学生看不到.（3）由于干电池存在内阻，在不同的电路中，无法保证电源的电压为定值，影响实验结论的可靠性.（4）初中学生对镍铬金属丝比较陌生.由于传统实验存在的问题，笔者带领学生实施创新实验，将各种“金属线”改为学生身边每天使用、非常熟悉的铅笔芯作为实验器材，由于铅笔芯中石墨含量不同，其导电性能也有较大的区别，电阻值也不同.选用同一厂家、不同规格的铅笔芯作为研究对象;将干电池组更换为学生电源供电;将实验室电流表更换为电流传感器、数据采集器和笔记本电脑.

5.1 实验器材

同一厂家（均是中华绘图铅笔）、同种型号的铅笔组合（2H、HB、2B、3B、4B、5B、6B）、亚克力板条两根、薄免漆板一块，电流传感器、数据收集器、带有数字化软件的电脑、学生电源一台、带有鳄鱼夹的导线若干、圆柱强磁体若干，钢锯条、裁纸刀、手电钻、胶棒枪各一支.

5.2 实验器材组装

取中华绘图铅笔组合（其中2H、HB、3B、4B、5B、6B铅笔各一支， 2B铅笔两支），用锯条将每支铅笔距离两端0.5cm处木质层锯深2mm的凹槽，再用裁纸刀小心地将两端的木质层去掉，漏出铅笔芯.将两块长方体亚克力板重叠放置，每间隔2cm用手电钻打穿8对圆孔，依次将2H、HB、2B、2B、3B、4B、5B、6B铅笔，按照从上到下顺序整齐地穿过这对亚克力板条，用胶棒枪的热熔胶将其整体固定在薄免漆板上（如图7所示）.

使用学生电源为电路供电（控制工作电压不变），将电流传感器（注意正负接线柱）与铅笔串联接入电路，用数据线将传感器与数据采集器连接，再与带有数字化软件的电脑相连，用胶棒枪将圆柱强磁分别固定在薄免漆板、电流传感器、数据采集器上，再将这些器件吸附在竖直放置的长方形白色铁板上，便于展示.

5.3 实验操作

师生开始合作完成探究活动：教师展示图7中的数字化实验装置.连接好串联的数字化电路，注意连接铅笔两端各带有鳄鱼夹的导线.我们进行如下操作步骤：（1）将学生电源电压调至3V，打开电脑中的数字化软件系统界面，在接通电路前将数字化电流值“调零”.（2）将两只鳄鱼夹夹住2H铅笔的两端，闭合电源开关，电脑屏显示的电流值为0.09A，将数据记录在表1中.（3）断开电源开关，用2H铅笔两端的鳄鱼夹，顺次将HB、2B、3B、4B、5B、6B铅笔分别接入电路中，闭合电源开关，记录电路中电流数据，填入表1.

5.4 分析數据，得出结论

分析表1中的1-7组数据得出实验结论：在导体长度和横截面积（粗细）相同时，导体的电阻与导体材料有关.

学生用带鳄鱼夹的导线将两支相同的2B铅笔头、尾相连，然后再将剩下的头尾两端接入电路中，形成两支铅笔串联的电路，闭合电源开关，读出电路电流大小;再用鳄鱼夹将两支2B铅笔头头、尾尾相连，形成两支铅笔并联电路，闭合电源开关，读出电路电流大小，将以上数据填入表1.

师生合作分析表1中的数据8和9组，得出实验结论：（1）在导体材料、横截面积相同时，导体越长，其电阻越大.（2）在导体材料、长度相同时，导体横截面积越大，导体电阻越小.在师生的共同参与中完成探究实验，在实验启迪思维中升华理论.

6 结语

物理创新实验实质就是对传统实验的“二次开发”过程，是将被开发出来实验资源的教学功能最大化过程.江苏省特级教师、学生自主创新实验全国首倡人汤金波老师说过：“创新实验有三个途径，操起身边的家伙实施创新实验、优化实验室器材实施创新实验、借助数字化器材进行创新实验.”我们可以在实际生活中进一步拓展实验教学的空间和时间，在创新实验中培养学生物理学习的学科情怀，让物理核心素养真正落地生根、开花结果.

参考文献：

[1]刘信生.基于物理科学思维能力培养的学生自制模型创新实验——由“飞机投掷炮弹问题”引出[J].中小学实验与装备，2020，30（03）：16-18.

[2]刘信生，邢海根.利用自制杠杆平衡仪探究杠杆的平衡条件[J].物理实验，2019，39（10）：58-60+63.

[3]刘信生，汤金波，张贵林.学生自主创新实验是实现创新发明的高效途[J].实验教学与仪器，2020，37（10）：3-5.

[4]李进，杨帆.中学物理演示实验资源开发的若干途径及其案例[J].物理教学探讨，2017，35（02）：21-24.

[5]刘信生，汤金波.巧设创新实验，突破思维瓶颈——以“探究滑动摩擦力”实验为例[J].教育研究与评论，2019（04）：33-36.

[6]刘信生，傅求宝，邢海根.巧用电子秤测量浮力[J].物理实验，2020，40（08）：61-64.

（收稿日期：2021-04-02）