巧设创新实验 凸显科学思维

袁超

摘   要：在初中物理光学实验教学中，以三个初中物理光学创新实验，从改“抽象问题”为“直观实验”，改“观察现象”为“体验过程”，改“平面实验”为“立体实验”，三个视角出发，阐述如何通过设计创新实验培养学生科学思维。。

关键词：创新实验;光学实验;自制教具、科学思维

引言

初中物理实验具有真实、直观、形象、生动的特点，通过物理创新实验能够将抽象的物理观念具体化，激发学生的学习兴趣。此外，教师在巧设创新实验的过程中，还可以让学生自己动手，体验“解决问题，获得成功”的喜悦[ 1 ]，这对学生科学思维的培养具有至关重要的作用。基于此，笔者以三个初中物理光学创新实验教具的制作为例，从改“抽象问题”为“直观实验”、改“观察现象”为“体验过程”、改“平面实验”为“立体实验”三个视角出发，阐述了如何通过设计创新型实验培养学生的科学思维，旨在为一线物理教师在进行自制实验教具培养学生科学思维的教学改革方面提供参考。

1  改“抽象问题”为“直观实验”，培养学生建模能力

物理实验能够让学生从直观的现象中体验到物理知识的本质，在抽象的问题中提炼出其中所蕴含的道理。但现行教材中有些物理问题的呈现较为抽象，仅依靠教师讲解或动画演示，难以实现培养学生创新思维的教学效果。因此，通过对抽象的物理问题进行实物模型的建构方式，将“抽象问题”转化为“直观实验”，能够在激发学生学习兴趣的同时，助力学生思维的过渡，进而培养了学生模型建构的能力。

案例1：日食、月食演示仪

1.1  教材处理

在沪科版“光的反射”一节中，虽未提及日食、月食的相关内容，但是，日食、月食作为光沿直线传播的较为抽象的重要典例，如采用传统的讲授式教学，学生理解难度大。因此，笔者依据改“抽象问题”为“直观实验”的原则，制作了如下装置进行教学。

1.2  实验改进

（1）制作材料

地理演示教具——“三球仪”、手电筒、小反光镜。

（2） 制作方法

如图1所示，在三球仪中的“太阳”上装一盏手电筒;在“月亮”上黏一块小镜片。

1.3  实验过程

（1）模拟日食——旋转平台，让“月亮”刚好处于“太阳”和“地球”之间，手电筒发出来的光刚好被“月球”挡住，这时在地球上就能看到一个黑斑。

（2）模拟月食——继续旋转平台，使“太阳”处于“月球”和“地球”之间，这时“月球”上小镜片反射的光被“太阳”挡住后，就无法形成完整的光斑。

1.4  实验创新

（1）通过实物模型的建构将抽象、复杂的问题，变成一个直观的演示实验进行突破，让学生真正明白到底是：“谁”把“谁”的光挡住了。

（2）取材方便，制作简单。

2  改“观察现象”为“体验过程”，增强学生探究意识

探究性实验是指学生通过实验、探索、分析、研究得出结论，形成科学概念的一种认知活动[ 2 ] 。将传统的教师“做实验”、学生“看实验”的演示实验方式转化为学生自主的探究过程，让学生在教师的启发与引导下，从实验材料、实验方法、实验步骤等方面进行探究，自主发现并解决问题，对学生探究能力的培养具有重要意义。

案例2：探究眼球成像原理实验

2.1  教材处理

眼球的晶状体变焦过程及视力的矫正，是沪科版《神奇的眼睛》的重点和难点。但是教材中却无相关的探究实验，仅有几张插图，教师在处理这部分内容时大多只是用水透镜进行演示实验，但该实验器材可视性较差，不能够有效地激发学生的探究欲望和探究意识。基于此，笔者依据改“观察现象”为“体验过程”的原则，通过设置分组探究性實验，来提高学生的创新能力。

2.2  实验改进

（1）制作材料

圆珠笔芯、矿泉水瓶、凸透镜、PE膜、LED灯源、眼球结构模型、摄像头、大小夹子。

（2）制作方法

如图2，此装置包括F型LED灯源（模拟观察的物体）、自制水透镜（模拟晶状体和睫状肌）、眼球结构模型（模拟视网膜）等。其中水透镜是将两个凸透镜中的玻璃镜片用PE膜替换，然后粘贴在一起，中间利用圆珠笔芯与矿泉水瓶相连，挤压水瓶，水便进入水透镜中，从而鼓起（如图3）。

2.3  器材功能

（1）通过手挤压瓶子调节水透镜的焦距，模拟晶状体。

（2）手用力挤压，模拟睫状肌紧张用力的过程。

（3）睫状肌长期紧张用力，就像瓶子被挤压变形无法恢复原状，模拟近视眼的形成。

（4）在矫正近视眼时，此套装置还用于模拟所需要用到的可变焦凹透镜。（只需在灌水时，先将瓶子捏扁一点再旋上盖子，就成了可变焦凹透镜）。

（5）在矫正远视眼时，此套装置还用于模拟所需要用到的可变焦凸透镜。

（6）在没有条件做到分组实验的情况下，也可以通过眼球内的摄像头，将视网膜上成的像投影出来。

2.4  实验过程

2.4.1  通过投影演示，让学生了解眼球成像仪的工作原理

在教学过程中，学生认识眼球的结构后，又会产生了新的疑问“为什么眼球能够看清远、近不同的物体呢？也就是说物距发生改变了，像为何还呈现在视网膜上”。所以，教师为了突破此难点，应引导学生理解晶状体的调节作用——晶状体在睫状肌的作用下可以使其球面曲度发生改变。为了让学生更好的理解水透镜曲度与成像的关系，笔者利用眼球模型内的摄像头进行演示：当瓶内的水挤入水透镜时，可变焦晶状体的球面曲度增大;松手，水又从水透镜内倒流进入瓶内，则晶状体的球面曲度减小，视网膜上的像清晰程度就因此发生了变化。92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3

2.4.2  探究眼睛如何看清远近不同的物体（如图4）

组织学生分别将物体放置在距离眼球远近不同的位置开展实验，同时通过挤压瓶子改变晶状体的曲度使其清晰成像。通过实验学生可发现：要看清近处物体时，挤入的水较多，晶状体曲度变大;反之要看清远处物体时，曲度变小。最后，通过实验探究，引导学生总结出：

（1）所成的像是倒立的。

（2）看近处物体时晶状体的曲度较大，看远处物体时晶状体的曲度较小。

（3）眼睛看物体时，像是近大远小。

2.4.3  探究近视眼的成因及矫正方法（如图5）

由于近视眼是长时间看近处物体而引起，因此用大夹子挤压瓶子使液体推入水透镜中，水透镜曲度过大，从而模拟近视眼的晶状体。此时将LED灯源推向远处时，因近视眼的晶状体曲度不能及时恢复，会聚能力过强，视网膜上的像变模糊，实际所成像落在视网膜的前方（验证：拿一个光屏放在视网膜前方，可见清晰倒立的F字）。最后，在眼球前方放置一个自制变焦凹透镜（跟模拟晶状体的自制水透镜一样，只是装水时先将瓶子稍微捏扁一点，盖上盖子后膜内的水被吸入瓶内，薄膜因此向内变凹，就成了可变焦的凹透镜），像又可以落到视网膜上了。从而说明近视眼可用凹透镜矫正。

2.4.4  探究远视眼的成因及矫正方法（如图6）

由于老年人睫状肌松弛，张力不够，看近处的物体时，晶状体曲度不够，教师可引导学生利用小夹子挤压瓶子使液体推入水透镜中，水透镜的曲度较小，从而模拟远视眼的晶状体。而将LED灯源推向近处时，因远视眼的睫状肌张力不够，晶状体曲度不足，会聚能力弱，视网膜上的像变模糊，实际所成像应落在视网膜的后方（验证：将视网膜上的开口打开，拿一个光屏放在视网膜后方，可见清晰倒立的F字）。最后在眼球前方放置一个自制变焦水透镜，挤压瓶子、调节水透镜的曲度，像又可以落到视网膜上了。从而说明远视眼可用凸透镜矫正。

2.5  实验创新

同传统的水透镜相比，该实验仪器优势在于：

（1）装水方便，膜内不容易有气泡：一开始往膜内灌水时，有些许气泡，只需将塑料瓶倒置，将膜内的气泡抖入瓶内，再倒置回来后，气泡就停留在瓶盖的下方。因瓶盖下方的管子较长（如图7），所以无论如何挤压瓶子，都只有水进出透镜，气泡不会进入到水透镜内部。

（2）可用手挤压瓶子，模拟睫状肌的工作原理：瓶子压久了，需要一段时间才能恢复原状，模拟近视眼的形成，从而培养学生科学的用眼习惯。

（3）结合眼球模型，形象生动，学生易于理解。

（4）可利用摄像头进行投影，增加可视性：在条件受限不方便分组实验时，可利用仪器内的摄像头进行投影演示。

（5）制作簡易，成本低廉，操作简单。

3  改“平面实验”为“立体实验”，拓展学生空间思维

物理观念的形成总是和理想模型密不可分，而理想模型的构建需要一定的空间思维能力。在平时的教学中，教师应该注重拓展学生的空间思维，这对于学生学习物理有很大的帮助] 3 ]。光学的学习难点在于光线是在一个立体空间内，看不见又摸不着的物理模型，传统实验也只是将光线呈现在一个平面空间内，不利于学生空间思维的培养。因此，笔者尝试将“平面实验”改为“立体实验”，来拓展学生空间思维。

案例3：探究光的折射规律实验

3.1  教材处理

在探究光的反射规律时，沪科版教材中提到的将（如图8）教具中光屏的右半部向后折，在右半边光屏上无法看到折射光线，就证明三线在同一平面内。笔者认为这种验证方法不够严谨，因为当右半边光屏向后折时，光屏上承接不到折射光线，只能说明折射光线没有射向光屏的后方，但光屏的其他方位呢？所以，为了提高本实验探究的严密性，笔者是利用如下创新实验组织教学。

3.2  实验改进

3.2.1  制作材料

铁架台、平底烧瓶、重垂线、橡胶塞、滴有牛奶的水、香、激光笔。

3.2.2  制作方法

如图9，将装有适量水（水中滴加几滴牛奶）的平底烧瓶固定在铁架台上，瓶内挂有重垂线，起到法线的作用。瓶的两侧印有角度，用来测量折射时的入射角和折射角。

3.3  实验过程

（1）用香在平底烧瓶中添加烟雾。

（2）探究光从空气斜射入水时角度的变化规律——用激光笔分别从瓶上方的不同角度，对准分界面与重垂线（法线）的交点入射，记录入射角、折射角。

（3）探究光从水中斜射入空气时角度的变化规律——改变激光笔的位置，让激光分别从瓶下方不同角度，对准分界面与重垂线（法线）的交点入射，记录入射角、折射角。

（4）探究光路可逆——用另一根激光笔逆着原来的折射光线射回去，观察此时折射后的光线是否能和原来的入射光线重合。

3.4  实验创新

（1）制作简单、成本低廉。

（2）将光的折射现象呈现在立体空间内，拓展学生的空间思维能力。

（3）可视性高，可以让各个方向的学生都能观察到清晰的实验现象。

结束语

课堂教学不仅要提高学生的学习成绩，更重要的是要培养学生的科学素养，提高学生的科学思维。在课堂教学中巧用创新实验，能够使教师真正做到以学生为主体，引导学生在发现和探索问题的过程中，把握问题的实质，增强探究体验，激发创新能力，从而促使其科学思维得到发展。

参考文献：

[1] 张娜.注重创新能力培养的中学物理实验教学设计研究[D]. 长沙：湖南理工学院，2018.

[2] 黄玉婷.浅谈如何在初中物理探究性实验教学中开展小组合作学习[J].新课程（中学），2018（5）：148.

[3] 肖紫珍，廖婷.物理教学中空间形象思维能力的培养[J].中学物理教学参考，2018（14）：8-9.92F9E5FE-9192-4AB4-BECC-04D2DE2161A3