指向初学者的物理实验设计策略探讨①——以《物态变化》一章为例

王 雷

(江苏省南通市跃龙中学，江苏 南通 226001)

实验对于物理教学的重要性不言而喻，特别是对初学物理的八年级学生来说，以实验为课堂的抓手尤为重要，学生在真实的实验情境中做中学、学中思，可自主建构意义，逐步掌握学习物理的基本方法，提高核心素养。当下的物理课程改革要求物理实验应具备时代性、生活性、思想性和应用性特征，因此在设计物理实验时若能融现代科技、日常生活、思想方法、实践应用于其中，必将收到事半功倍的效果。本文结合《物态变化》一章的教学，探讨初中物理课堂在起始引入、课中探究和学以致用等不同环节实验设计的优化策略。

1 引入实验凸显趣味性

良好的开端是成功的一半，课堂引入实验类似于“大片”的序曲，对学生应有直击心灵的震撼效果，才能发挥其最佳效益，让心理、心情还处于课间活动兴奋当中的学生收敛分散的注意力，快速进入学习新知的状态。所以，引入实验应与教学内容构成有机的内在联系，以充分激发兴趣、引发疑问、启发思考为目的，并兼顾学生的年龄特点、心理状况、知识基础、能力水平、兴趣差异等实际情况进行设计。

案例1：“熔化和凝固”的引入设计

在“熔化和凝固”的教学中，常见的实验为：当温度变化时冰能化成水、水能结冰，以此引入熔化和凝固的概念，这种引入因过于常规而缺乏挑战性，难以调动学生的学习心向。为引起感官的冲击，笔者选择低熔点金属条的熔化和凝固作为引入实验，因为在初中生的前概念中，金属这类物质是一种坚不可摧的象征，学生会根深蒂固地认为其物态是很难改变的。

师：这是一根金属条，它处于什么物态？

现象：用金属条敲击烧杯，会发出响亮的敲击声。

生：固态。

师：如果将它的一端慢慢放进热水里，会发生怎样的现象呢？做做看。

学生动手实验，当看到金属条变成亮银色的液滴并一滴一滴地滴到水中时(图1)，学生发出惊呼声。这个现象令学生感到意外，他们几乎无法接受这一事实，在他们的前概念中，金属是强大、坚固的代名词，怎么可能被热水一烫就成了液体呢？他们主动拿起镊子去验证，难道真的是液体吗(图2)？他们感受到金属液体会流动，这种主动寻求证据的举动正说明学生被这一充满趣味的实验所吸引，从而引发一探究竟的冲动。

图1

图2

师：请把烧杯中的热水连同金属液体一起倒入装有冷水的水槽中，再观察现象。

现象：金属液体倒入冷水后变成各式各样的固态造型。

师：金属液体又发生了怎样的变化？

生：从液态变成了固态。

至此，“熔化和凝固”的概念自然生成。由此抓住时机继续点燃学生的思维火花，激发学生产生提问的冲动。让学生在一目了然的现象中发现问题，引发认知冲突，并积极思维，产生解决问题的强烈愿望。

问：针对这样的现象，你能提出什么问题？

生1：为什么金属条会在热水中熔化？

师：你们觉得可能与什么因素有关？

生：温度。

生2：熔化与温度有什么关系？

师：还有什么值得研究的问题吗？

生3：不同物质的熔化特点有什么不同？

学生在这样的思维碰撞中，其问题意识得以有效提高，而学生主动发现的问题正是需要不断研究的。对于初学物理的学生而言，这样的引导对培育良好的问题意识特别关键。以“激趣引思”为目的引入实验可从三个层次去引导学生思考：(1) 为什么会产生这种现象？(2) 现象与什么因素有关？(3) 如何从相关联系中寻找相同和不同？通过这样循序渐进的有层次的问题，可有效培育学生的问题意识，提升学生的提问能力。

2 自主实验强化高效性

对于物理初学者而言，在探究习惯、思维深度、科学方法等方面还处在比较粗浅的层次。实验的设计应紧扣主干知识，使实验聚焦于问题解决。比对各种版本教材的实验设计，都是从实验室角度去设计实验，其缺点是割裂了物理与生活的联系，学生很难把物理知识与日常生活或生产活动相关联，也就是说这种“实验室程式化”的设计易把学生牵进一种固化的思维之中。因此，课堂教学的自主实验需要根据教学内容的要求，从便于操作、现象明显、易于观察等方面进行精心设计，不仅能深化教学，同时还能对学生良好的观察和实验习惯起到有效训练的作用。

案例2：探究水沸腾时温度变化的特点

这一实验是课程标准规定的学生必做实验，其重点是研究水沸腾前后温度变化的特点，观察现象、获取数据、描绘图像，进而总结出沸腾的条件，温度计的使用是实验的次要点，本实验中只需获得有效的温度数据。使用日常生活用品进行实验，学生会倍感亲切。

实验设计：用透明电水壶烧水(图3)，分组进行计时、读取温度、观察气泡和声音的变化、记录数据。

实验现象：如图3所示，水在沸腾前底部有气泡产生，在上升过程中气泡变小，并伴有清脆响亮的炸裂声。达到沸点后可观察到大量气泡上升的剧烈沸腾现象，且声音低沉。学生每隔20秒读取温度并描绘图像，总结沸腾的特点。这一实验操作简便，现象直观且贴近生活，又因电水壶的功率较大、实验时间较短。尤其是沸腾的条件能够显而易见，水沸腾后断电，沸腾几乎立即停止，再接通开关水又能继续沸腾，学生通过对明显的现象的分析，可轻松总结出水沸腾的条件是：达到沸点且需继续吸热。

图3

在学生观察现象并得出水沸腾的条件后，提出问题：若此实验使用实验室器材，如何进行装置的选择与安装呢？

生1：热源可使用酒精灯，因此整体装置应以酒精灯的外焰为中心自下而上进行安装。

生2：盛水容器可选烧杯或烧瓶。

生3：测量温度时应将温度计的玻璃泡放在水的中央。

师：同学们的设计方案很好，关注了装置要求、操作要点、观察重点等诸多因素，但老师必须提醒的是在实验中要注意操作安全。

在此安排这样的倒置环节，既是为了呼应教材的要求，因为教材是从物理实验室的角度去设计的(图4)，在研究水沸腾特点的同时，还把装置的规范安装作为关注点。实践表明，生活化实验设计有助于学生建立物理与日常生活的联系，实现让物理走向生活、在生活中学习物理的目的，学生在实验中学习物理，其关注生活、观察身边现象的习惯亦能渐渐养成，物理学习的兴趣同样会得以有效保持。

图4

案例3：探究水蒸气液化的特点

液化是学生较易感知到的现象，诸如：早晨的露珠、从冰箱取出的物品表面很快结出水珠、尤其是戴眼镜的同学从寒冷的室外进入温暖的室内时镜片上会出现水雾等，这些身边的实例都是液化教学的好素材，教学难点在于液化过程会对外放热。为了让学生有直观感知，就需要排除干扰进行显性设计，通过有效的对比帮助学生主动发现。

为此，实验设计的重点确定为：对水蒸气液化时新增水量和等量开水混合后的温度变化进行对比。

(1) 装置设计：在烧瓶中加入适量热水，用上插玻璃管的瓶塞盖住，在玻璃管上外接软管，取两只100 mL的量筒，均倒入50 mL初温相同的水备用(图5)。

图5

(2) 实验过程：加热烧瓶直至水沸腾，把软管插入量筒中，让水蒸气进入量筒，用温度计适时测量量筒中的水温变化。在课堂教学中，因实验的操作要求高，本实验宜作为教师演示实验，实验进行2分钟左右量筒中水的体积增加了10 mL。停止加热，迅速将烧瓶中的沸水加注10 mL到另一只量筒，轻轻搅拌测量水温变化。

(3) 实测结果：通入水蒸气的量筒中水量增加10 mL，水温变化达到26 ℃，而倒入10 mL沸水的量筒的水温只变化了6 ℃。

学生从实验中可轻松得出结论：多出的水是由水蒸气液化所得，通过水温变化的对比，发现水蒸气液化时可以放出大量的热。

这一实验改进排除了沸水混合使冷水升温这一变量，为液化放热提供了有力的证据，整体装置的简洁设计减少了干扰因素，使学生将注意力集中于观察重点。学生对比分析这两个明显的现象，从而自主突破液化的难点。

3 收关实验关注实用性

在课堂教学的收关环节，有必要根据具体的教学内容，创造条件设计学生动手制作的实验或课外拓展实验，使学生深刻体会到物理知识在生活、生产中的应用，把物理学习从课内延伸到课外，从而使学生的物理知识得以活化。

案例4：挑战“野外生存”，如何获得蒸馏水？

在学完“汽化和液化”后，推出一项实践活动作为收关环节的内容。

师：请用所学知识设计获得蒸馏水的实验。

生：利用一只大盆抽取河水或地下水，在盆里放一只干净的接水容器，大盆上覆盖保鲜膜，放到太阳下晒，过一段时间后可获得蒸馏水。

师：老师提供了一只大烧杯、一只小烧杯、保鲜膜，为节省实验时间，用酒精灯加热。分小组合作制取蒸馏水。

通过生生讨论、师生对话形成了实验方案，再通过动手操作获得了蒸馏水。这样的设计有效深化了学生对汽化和液化知识的理解，更能让学生知道学习物理可以“做什么”和“怎么做”，践行了课标和教材倡导的“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。

4 结语

物理课堂的引入实验当以“激趣引思”为设计重点，学生自主实验应聚焦教学核心问题，还要根据便于操作、现象明显等要求去改进，应用性实验要以促进学生学以致用、活化知识与培养能力为目标。教师只有在物理实验设计上下功夫，才能激发学生的学习心向、热情，促进学生抓住重点、突破难点，感受物理学的应用价值，从而实现物理课程的育人价值。