创新实验：物理课堂深度学习的有效路径*——以《机械能与内能的相互转化》教学为例

孟富林

一、深度学习的内涵

美国心理学家布鲁姆将认知领域分为六个层次：知道、理解、运用、分析、评价、创造。简单的识记知识、理解知识属于浅层次的学习；基于对知识的理解，整合所学知识、解决实际问题、反思和评价自我、进行创造等则属于深度学习。深度学习重视培养学生“运用”“分析”“评价”和“创造”等高阶思维，它是一种发自内心的、积极主动的学习方式，有利于学生高质量地完成学习任务，培养学生科学思维能力和综合素养。

二、创新实验是实现深度学习的有效路径

物理学是一门以实验为基础的科学，物理课堂教学离不开实验。物理实验在课题引入、物理现象展示、物理规律的发现中都发挥着重要的作用。物理实验包括演示实验、学生自主探究实验、学生课外实验等形式。本文所谈的创新实验，侧重于课堂教学中的创新实验设计，指的是更贴近学生生活的小实验、小制作等，实验器材具有易选取、便于动手操作等优点。

创新实验来源于学生的生活，容易激发学生的学习兴趣，促进学生积极思考、自主探究。通过对真实物理问题的研究，学生对知识进行主动建构，实现深度的思考；对所学知识能够进行迁移和综合运用，有效培养学生的质疑批判、创新创造等高阶思维能力。

三、创新实验在课堂教学中的实施策略

笔者以苏科版物理教材九年级上册《机械能与内能的相互转化》一课的教学为例，谈一谈课堂教学中利用创新实验促进学生深度学习的实施策略。

1.生活情境引入，激发深度学习的动机。

“能量的转化”这一知识点对学生而言比较抽象，教材中通过展示两幅图片提出问题：一是为什么汽车高速行驶较长时间后轮胎的温度会升高；二是燃料是怎样使汽车发动机工作的。第一个问题学生容易回答，但第二个问题学生感到陌生，答题较困难。这时，教师可以设计“打开易拉罐”这一创新实验，引入能量转化的相关知识，设置学生在生活中可能遇到的场景，提高课堂教学的效果。

师：同学们，生活中我们喝饮料的时候经常会遇到饮料罐的拉环被拉断了的尴尬。如果这时你的手边只有一张纸片，你能打开这罐饮料吗？

这一生活情境学生十分熟悉，因此学生对这一问题议论纷纷，充满各种猜想。此环节的设计充分联系学生熟悉的生活情境，教师引导学生带着解决生活问题的欲望进入新课的学习，激发学生课堂学习的兴趣，调动学生学习的内驱力，从而提升课堂教学的效果。

2.问题导引互动，促进学生的思维进阶。

本节课教学的第一环节是让学生认识和理解“机械能可以转化为内能”。教材中设计了“反复弯折铁丝”的实验，若教师直接安排一个体验活动，则略显突兀，不利于学生思维的培养。如果把安排学生做实验转变成让学生自己设计实验，则更有利于对学生科学思维的培养。教师可设计如下教学方案。

师：现在老师手边有一段铁丝，你有没有办法使之温度升高？请通过实验来说明。

学生对这一问题自主思考、合作交流、动手实践，然后展示汇报。

生：反复弯折铁丝、开水烫、太阳底下晒、火炉上烤、用力敲打、与地面摩擦等。

师：以上的方法中哪些不是前面所学的“热传递”的相关知识？

生：反复弯折铁丝、用力敲打、与地面摩擦。

师：这些方法中能量发生了怎样的转化？

生：机械能转化为内能。

师：如何证明呢？

生：弯折、敲打、摩擦等都消耗了机械能；铁丝内能增大，温度升高。

师：以上的实验能证明机械能转化为内能。这种改变内能的方式叫“做功”，在此过程中，固体温度升高。那么液体和气体是否也有同样的结论呢？你能否设计一个实验来说明呢？

生：可以用榨汁机，让快速转动的刀片与水摩擦，证明液体的机械能与内能的转化；可以压缩密闭容器的气体，证明气体的机械能与内能的转化。

师：如何衡量内能是否有变化呢？

生：可以用温度计测量。

师：我们还可以用温度传感器。大家动手试一试，看看有怎样的发现。

此环节教师引导学生自主设计创新实验，通过层层递进、环环相扣的发问，由固体到液体再到气体，让学生的思维不断深入、不断进阶。

3.丰富体验探究，强化对知识的深度理解。

本节课教学的第二环节是让学生明白“内能可以转化为机械能”。教师可在这一环节设计以下三个体验活动，由学生主动体验并动手实践。

体验活动1：气球打足气后用夹子将气球口夹紧，然后松开夹子，观察气球的运动情况。

体验活动2：气球打足气后用夹子将气球口夹紧，一名学生握住气球，另一名学生松开夹子，感受气球温度的变化。

师：同学们有什么发现？

生：气球向后飞去，且温度升高，说明内能可以转化为机械能。

体验活动3：在一个空塑料瓶中装入少量水，拧紧瓶盖，然后用力拧瓶身，之后轻轻拧开瓶盖观察现象。

师：同学们有什么发现？

生：瓶盖飞出，瓶口出现白雾。

师：瓶盖飞出表明能量如何转化？白雾是什么物质？为什么瓶口会有白雾生成？

生：内能转化成机械能；白雾是液态的小水珠；内能转化后导致温度降低，水蒸气遇冷液化形成小水珠。

此环节安排了三个体验活动，学生自主探究实验，真实体验了在内能转化为机械能的过程中温度的降低。这样的教学设计活跃了课堂教学的气氛，培养了学生的动手能力、分析能力，同时加深了学生对知识的理解，能够取得良好的教学效果。

4.解决生活问题，实现知识的迁移运用。

在学生理解“机械能与内能可以相互转化”的基础上，教师可以回到课堂最初提出的问题，让学生联系所学知识进行分析和解决。

师：同学们，你们能用今天所学的知识打开没有拉环的易拉罐吗？

教师展示实物，让学生思考、讨论。

生：可以用纸片与易拉罐摩擦，使机械能转化为内能，易拉罐内气体温度升高，气压增大，气体可以顶开易拉罐口。

学生动手实验，发现效果并不理想。教师此时可以进一步引导学生思考并讨论：如何控制摩擦易拉罐的位置、力度、速度等因素使效果达到最佳。

学生讨论后再次动手实验，终于成功将易拉罐打开。

此环节的设计既呼应了课堂之初的问题，保持了课堂结构的完整性，也能让学生将所学的物理知识加以运用，实现知识的迁移和内化。学生通过动手实践，在初次实验失败后分析改进，经历了科学探究的完整过程。通过解决实际生活问题，学生体验到了实验成功后的欣喜与快乐，极大地促进了学科核心素养的提升。

5.课后创新实验，培养创新精神。

教师可依据本节课所学知识，布置一些课外创新实验作业，如测量酒精燃烧的热效率，以此制作水火箭、走马灯、简易斯特林发动机等，这既巩固了机械能与内能互相转化的知识，也为学习下一部分关于“热机”的知识做了很好的铺垫。

学生需要阅读相关资料、独立思考、自主设计方案，也需要合作与交流，以完成教师布置的小实验。当然，学生在制作过程中会遇到各种各样的困难与挫折，这就需要百折不挠和坚持不懈的精神，不断发现并解决遇到的问题。这一过程，恰恰对培养学生的实验操作能力、创新思维和科学精神大有裨益。

在课堂教学中，巧妙的创新实验设计可以充分调动学生的探究欲望，促进学生主动学习。开展创新实验有助于提高学生对知识的理解和掌握、迁移和运用，引导学生形成分析、评估、创新等高阶思维，培养其批判性思维、创新性思维。