双新背景下高中物理微实验教学资源的开发策略

吕国霞

摘   要：物理是以实验为基础的学科，物理实验资源的开发对培养学生的科学探究能力有很大的促进作用。微实验是最接近物理情境的小实验，在新教材、新高考背景下，以电磁学方面的内容为例，从教材、生活素材、网络等方面展示微实验开发的策略及成功之处，以飨读者。

关键词：微实验；双新背景；开发策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0068-4

２０１９年教育部明确指出要立足全面发展育人目标，构建包括“核心价值、学科素养、关键能力、必备知识”在内的高考考查内容体系。物理学是以实验为基础的学科，物理实验教学资源的开发对培养学生的科学探究能力有很大的促进作用。随着生活水平的提高、网络的普及和科技的快速发展，利用生活用品将物理情境、物理现象、物理习题的可视化资源微型化呈现，将物理实验情境生活化、普及化。开发微实验教学资源，不仅使物理教学跳出实验室仪器和所用教材，还可以提高学生的动手能力，利用知识进行微实验的创新，并将实验探究思想融入到尽可能多的物理知识学习中。

１    关键词的界定

１．１    微实验

微实验指操作简单、取材相对容易、现象明显的微型实验或实验片段。相对常规实验而言，微型实验的器材来源广泛，不用过多地考虑精密的实验设置和繁琐的操作过程，却能凸显所遇到问题的核心。微实验经常呈现为简易实验、小发明、小制作、自制教具、趣味化物理小实验等。比如，利用日常用品开发物理小实验，利用废旧材料开发低成本的物理小实验，利用手机、电脑等工具使物理实验现象更清晰、数据处理更精确，将抽象的物理习题可视化，等等。

１．２    微实验的分类

依据《普通高中物理课程标准（2017年版）》《中国高考评价体系》，结合高中物理教材和实验教学在学习中的作用，将微实验分为五类：情境创设微实验、教师演示微实验、习题课微实验、多媒体辅助微实验和学生自主设计微实验。

１．３    双新背景

新高考：２０１４年９月，国务院发布《国务院关于深化考试招生制度改革的实施意见》所制定的“高考综合改革方案”，高考模式多样化。

新教材：２０１９年，依据《普通高中物理课程标准（２０１７年版）》编写了各版高中物理教材，各版教材有三本必修和三本选择性必修。

２    微实验教学资源的开发策略

２．１    利用教材开发微实验

每版教材的实验都有自己的特色。以人教版新教材为蓝本，借鉴其余４个版本新教材的实验设置，在充实核心实验的基础上，总结可开发的微实验。人教版新教材和旧教材相比，充实了一些新情境的实验内容；鲁科版教材中的“迷你实验室”栏目所呈现的小实验，基本是贴近生活的小实验，丰富而有趣；沪科教版教材特别注重介绍新科技的原理，教材中“家庭作业与活动”部分有很多可以自主设计的小实验活动；粤教版教材的实验拓展和课外阅读中有高端的现代科技图片展示，习题中也有相当的生活小实验。这些教材的小实验都是开发微实验教学资源的绝佳素材。以选择性必修二的教材为例，通过熟悉教材，实施并总结以下几个微实验：

（１）情境创设微实验：铝箔在磁场中受力，铝箔尖端放电

鲁科版选择性必修二教材１．１中“迷你实验室”栏目——会动的铝箔“天桥”，如图１所示。因家用铝箔纸比较软，折叠出的规则形状容易变形，可以剪出一厘米宽的铝箔纸，竖放在电池与磁铁之间，如图２（ａ）所示。当铝箔纸和电源接通时，铝箔纸形状发生明显变化，如图２（ｂ）所示。这个实验操作简单，但要注意不能直接用手捏铝箔纸到电池两极，需要用小纸片垫一下，以防烫伤。另外，将铝箔纸剪成两段，其中一段剪为尖端，两段分别接在电池两极上。当尖端靠近另一个铝箔纸时，会发生放电现象，如图３所示。

（２） 课堂演示微实验：演示楞次定律，磁铁靠近或远离铝环实验

观察电磁感应现象的常规实验“演示楞次定律”：用磁铁靠近铝环，通过观察铝环的运动来分析铝环的受力。教材习题——磁铁靠近闭合的铝环和断开的铝环时的现象及解释。实验中，质量大的铝环在弱磁场中偏转角度较小，质量小的断开的薄铝环，当强磁铁靠近或远离时会因发生局部小涡流而轻微移动。在生活中很少能找到符合标准的铝环，可替换为由铝导线或者铜导线做成的闭合小环，用细线悬挂后进行实验。学生可以利用身边找到的磁铁设置铜环或者铝环的大小，使实验现象明显。实验装置如图４所示，将一根铜导线绕成一个闭合的环（用铝箔包裹接触处，保证接触良好），用细线悬挂并做实验观察楞次定律，闭合环的直径约为磁铁截面直径的１．５倍时，实验现象更明显。将一根铜导线的一端形成闭合的环，另一端是断开的环，中间用细线悬挂，通过铜线的旋转判断受力特征。为了防止磁铁和环的碰撞，先将闭环放在磁鐵的磁极附近，让磁铁远离闭环运动，实验现象更明显。

（３）学生自主设计微实验：自制电磁驱动演示器

用一个铁壳子套住易拉罐，铁壳子上下放上片状强磁铁，用笔芯穿起来放在塑料盒子做的支架上，如图５所示。当铁壳子绕着易拉罐转动时，易拉罐也跟着转动起来，且铁壳子转动得越快，易拉罐转得也越快，可以形象地演示电磁驱动现象。

几个版本教材的微实验各有特色，通过熟悉教材、总结实验，开发微实验教学资源，形成比较完善的高中微实验教学资源体系。开发时，要注意综合教材的优势，做到实验现象明显，实验操作简单快捷。

２．２    利用网络成品开发微实验

先利用网络资源，搜集大量物理实验视频、科技小发明、小制作等。然后，汇总较好的微实验思想，激发微实验的创作灵感。最后，挑选可用的微实验，形成实验方案和教学设计。例如，网上有各种简易电动机的详情介绍，在所有的电学仪器中，简易电动机的制作比较好玩，且花样繁多。学校提供绕制线圈的铜线，学生自主完成制作过程。简易电动机的制作能让学生认识到同一知识框架下的仪器可以千差万别，取长补短。设计出更完美的元件，是最重要的科学创新素养。学生制作的简易电动机实例如图６—图8所示，图６中的电动机由瓶底、分别位于瓶底两侧的两块强磁铁、铜线和电源构成；图7中的电动机由废旧磁铁、瓶底、铜线和电源组成；图8则是利用旧电器组合成转动的飞轮。

开发的微实验仪器分为两类，一类是利用已有的、网络上基本都能搜到的实验成品，比如游标卡尺、多用电表。先通过拆解成品来掌握原理，然后仿制一些简易仪器。另一类是利用简易玩具物品，比如简易电动机、磁悬浮列车等。它们的元件制作简单，充满物理趣味。教师要给学生提供网上搜索素材的关键词，正确引导学生从庞大的成品中搜集到需要的素材。

２．３    利用数据库开发微实验

先通过ＣＮＫＩ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ＬＩＮＫ等数据库检索“高中物理”“微实验”“实验教学”“教学资源开发”等关键词。然后，查阅相关研究文献、阅读相关论著。最后，总结实验教学资源，开发微实验。这些实验有一定的实践基础，可操作性强。比如，利用手机测磁感应强度的实验，电容器充放电的实验教学，探究磁场对电流作用力的实验改进，探究感应电流的产生条件的优化实验，用传感器和软件探究小灯泡的伏安特性曲线等，都可以通过线上查阅资料来完善实验教学资源。

２．４    利用软件开发习题可视化微实验

电磁学中，很多问题都比较抽象，尤其是多维过程问题，学生因缺少空间分析能力，不能很好地分析。而动态的演示过程，就能把难度降低。物理作图软件很多，常用的软件有几何画板、仿真物理实验室，ＭＡＴＬＡＢ、ＧｅｏＧｅｂｒａ和Tｒａｃｋｅｒ。掌握这些软件的作图方法，就能将抽象的习题可视化。图9是带电粒子在匀强磁场中的旋转圆模型的动态演示，图10是磁聚焦和磁发散的动态演示，都是采用仿真物理实验室软件制作的动态演示过程的瞬时截图。

３    结   语

在新教材、新高考的背景下，教师作为新课程的设计者、学生学习的引导者，不仅需要扎实的专业知识，也需要有整合教学资源的能力。微实验的开發要以新教材为基础，融合已有教学经验，结合网络、期刊中的有关物理实验作品，以培养学生的实验能力为目标，拓展实验教学资源的广度和深度，总结成功的微实验开发与实施策略。在提高本校教师教材资源整合能力的基础上，激励更多的教师更新物理教学观念，灵活使用教材，利用生活用品为教学服务。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版）［S］． 北京：人民教育出版社，２０１8：７２－７７．

［２］教育部考试中心.中国高考评价体系［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

［３］汪路斌，马亚鹏． 物理习题教学实验化的途径与案例分析［Ｊ］．物理教师，２０２０，４１（１２）：51-54．

［４］鲍康宏．巧妙构建物理模型使物理过程关键特征可视化［Ｊ］．中小学实验与装备，２０２０，３０（４）：１４－１７．

［５］张宏齐．开发低成本高效率实验培养学生实践意识——以人教版中“瓶的应用”为例［Ｊ］．物理通报，２０１９（６）：８６－８９．

（栏目编辑    贾伟尧）