高中物理教学中创新实验的有效应用

朱庭荣

摘 要：创新实验在高中物理课程教学中扮演着极为重要的角色，通过创新实验的设计和应用，可以激发学生的实验兴趣，促进学科核心素养的发展。本文探讨了在高中物理教学中创新实验的基本原则，并以鲁科版高中物理教材为例分别说明了创新实验的具体应用策略，通过这些方式可以有效提高学生的参与兴趣，培养他们的实践能力和科学素养。

关键词：高中物理；创新实验；应用策略

高中物理教学中，创新实验作为一种重要的教学手段，能够在更大程度上促进学生物理学科核心素养的发展。传统实验课程往往缺乏趣味性和实践性，学生可能对抽象的物理概念感到困惑。在新课改背景下，为提高教学质量和效果，教师在物理实验设计中应注重创新，充分利用现代技术和学生的主动参与，培养学生的实践能力和创新思维。

一、创新实验的定义和价值

创新实验是指在物理学科教学中通过独立思考、设计和实施实验项目，以探究新颖的物理现象、解决实际问题或验证科学理论的实践性活动，要求学生运用已学的物理知识和科学方法，以创新和探索的方式进行实验设计和数据分析。在高中物理创新实验中，学生可以选择感兴趣的主题或问题进行深入研究，他们将成为实验的主体，可参与方案的设计与实施，从前期的设计实验方案、选择合适的仪器和设备到中期的实验操作、收集数据，再到分析数据并得出相应的结论。同时，学生还可以通过探索性实验和改进性实验，尝试不同的方法和策略，以提升实验结果的可靠性和准确性。新课改背景下，高中物理创新实验可培养学生的科学思维和创新能力，通过自主设计和实施实验项目发展学生的问题意识、观察能力、实验技能和数据处理能力，同时培养学生的批判性思维和解决问题的能力。

二、高中物理教学中创新实验的基本原则

（一）安全

安全是创新实验的首要原则。在进行任何实验之前，教师必须确保实验环境和实验器材的安全性，包括检查实验室设备的完整性和可靠性，确保实验室通风良好，并提供适当的个人防护装备，如实验室外套、手套和护目镜。同时，教师还需清楚地说明实验操作步骤和安全注意事项，并监督学生在实验过程中遵守安全规范。为此，教师应提前对学生进行安全培训，确保他们了解和掌握正确的操作方法[1]。实验结束后，所有的实验器材和试剂的处理方式非常重要。试管、烧杯和显微镜等必须清洗干净，彻底去除可能残留的化学物质。遗留的试剂必须按照相应的安全程序和指南进行处理，不能随意倒入下水道或垃圾桶。通过这些细致严谨的操作不仅能确保实验室的整洁，还能防止意外的化学反应或者设备损坏，从而为下一次实验创造良好的环境。

（二）科学

创新实验应基于科学原理和物理学的基本概念，整个实验设计应符合科学的逻辑和原则，能够帮助学生观察、探索和验证物理学的规律。为此，教师在设计实验时应确保实验的目标明确，有针对性地展示特定的物理概念或现象。同时，实验设备和仪器的选择应与实验目标相匹配，并能够提供准确和可靠的实验数据。为提高学生的参与度，教师还应鼓励学生提出问题、进行推理和分析，以培养他们的科学思维和实验能力[2]。在实验设计过程中，教师应注重激发学生的好奇心和探索欲望，让他们主动参与到实验的过程中去，从而加深他们对于物理学原理的理解。

（三）实用

创新实验应具有实用性，能够与学生的生活经验和实际问题联系起来。一方面，实验的内容和设计应当与学生的日常生活和实际应用密切相关，更大程度上激发学生的兴趣和好奇心。通过实验，学生可以亲身体验物理现象，并将所学的知识应用到解决实际问题中[3]。另一方面，教师可设计与生活相关的实际应用实验，如测量物体的质量、测量光的折射角度等，让学生在实践中理解物理概念的意义。

三、高中物理教学中创新实验的应用策略

（一）精心设计趣味性实验课程，逐级提升操作难度系数

趣味性实验课程是指通过设计有趣、富有创意的实验项目，以提供愉悦和有趣的学习体验，并激发学生对物理学科的兴趣和好奇心。在高中物理教学中，趣味性实验课程可以采用具有趣味性的实验设计、故事性的情境设置或奇特的实验装置等方式，使学生在实验过程中获得乐趣，同时加深对物理概念和原理的理解。这种课程可以激发学生主动参与和探索的兴趣，培养他们的观察力、实验技能和科学思维能力。为了引发学生的兴趣并提高他们的参与度，教师应根据教学主题的特点设计趣味性实验课程，并通过选择与学生日常生活相关的实际问题和实验内容来实现。同时，教师可以逐渐提升实验的操作难度系数，让学生在实践中不断挑战和提升自己的实验技能和思维能力，激发学生的好奇心，培养他们的实验兴趣和实验能力[4]。在鲁科版高中物理“摩擦力”的教学中，教师可设计一个趣味性实验“滑稽比拼——摩擦力对滑板运动的影响”，以此激发全体学生的兴趣，再鼓励学生对该实验进行创新，提高全班学生的實验参与度。

首先，教师可组织学生一起准备实验材料。

（1）滑板：准备多块滑板，可以是木质或塑料材质的，大小相似。（2）表面材质：准备几种不同的材质，如纸张、塑料薄膜、毛毯、砂纸等。（3）倾斜面：使用一个倾斜的平面，如一块长板或书本，使滑板可以在上面滑动。（4）测量工具：如尺子、秒表等。为提高学生参与感，部分实验器材可由学生准备，比如纸张、塑料薄膜等。其次，组织学生开展相应实验。（1）设定实验条件：将倾斜面放置在平整的桌面上，确保其倾角不变。（2）准备不同材质的表面：在倾斜面上分别放置不同材质的表面材料，如纸张、塑料薄膜、毛毯、砂纸等。每种表面材料都需要有足够的长度以供滑板滑动。（3）准备滑板：将不同材质的滑板放置在倾斜面上，确保其位置和初始状态相同。（4）实施实验：以一定的起始高度让滑板自由滑下，记录滑板到达底部所用的时间或滑动距离。然后，重复上述步骤，每次更换不同的表面材质，至少进行三次重复实验，以取得可靠的数据。（5）数据分析：比较不同表面材质下滑板滑动的时间或距离，观察不同材质对摩擦力的影响。在这个实验中，学生可以观察和记录每种表面材质下滑板滑动的时间或距离，并比较它们之间的差异。通过分析数据，学生可以得出结论：不同材质的表面对滑板的摩擦力产生了影响。一些材质可能减小了滑板与倾斜面之间的摩擦力，使其更快地滑动；而其他材质可能增加了摩擦力，使其滑动速度减慢。

为进一步体现实验的创新性，教师还可鼓励学生进一步思考并讨论摩擦力与滑板材质、表面材质之间的关系，并探索如何减小或增大摩擦力的方法。学生可以在“滑稽比拼——摩擦力对滑板运动的影响”实验中进行多个角度的创新。（1）探究不同滑板材质的影响：学生可以选择不同材质的滑板，如木质、塑料或金属滑板，观察不同滑板材质对滑动速度的影响。他们可以比较不同材质滑板在相同表面材质下的滑动性能，并得出关于滑板材质与摩擦力的结论。（2）利用润滑剂减小摩擦力：学生可以尝试在滑板与倾斜面之间应用不同的润滑剂，如油脂、润滑油或凡士林，观察润滑剂对滑板滑动的影响。他们可以记录下使用润滑剂后的滑动速度，并与无润滑剂的情况进行比较。（3）考虑斜度对摩擦力的影响：学生可以调整倾斜面的角度，比较不同斜度下滑板滑动的速度。他们可以设计实验来探究倾斜角度与摩擦力之间的关系，并观察斜度对滑板滑动的影响。通过以上创新，学生能够扩展实验的范围和深度，进一步探究摩擦力对滑板运动的影响，并培养他们的实验设计、数据分析和创新思维能力。同时，教师可以引入一些实际问题，比如怎么提高轮胎的抓地力，或是如何判断机器人的运动方向等，学生通过小组的方式进行探究，且可自行提出其他问题进行自主探究。这样的创新能够增加实验的趣味性和学习的乐趣，学生有机会结合自己的兴趣和生活进行实践，还可提出创新想法，能够更好激发学生对物理学科的兴趣和好奇心。

（二）善于利用学生的冲突思维，引导学生主动深度探索

在实验过程中，学生常常会有疑惑和思考，他们会遇到认知上的冲突和困惑。教师可利用学生的冲突思维，引导他们主动深度探索。在设计实验时，教师可以故意设置一些反常或矛盾的实验结果，引发学生的思考和讨论。通过这种方式，学生不仅能够加深对物理规律的理解，还能够培养解决问题的能力和批判性思维[5]。在此过程中，教师可以鼓励学生提出自己的假设和解释，并引导他们进行实验验证和推理，以加深对物理概念的理解。在鲁科版高中物理“楞次定律”的教学中，教师可以进行环跳实验，展示当一个金属环在一个变化的磁场中被放置时，它会跳起来的现象。然后询问学生：“金属环为什么会跳起来？”这个问题会引发学生的思考。学生可能会提出一些假设和解释，例如认为金属环跳起来是因为有电流在环中流动，或者是因为磁力作用等。在此基础上，教师再进一步引导学生思考感应电流的方向与磁通量变化的关系，由此提问：“感应电流的方向和磁通量的变化有什么关系？感应电流的方向又与原磁场的方向有什么关系？”通过这些问题激发学生对于磁通量变化和感应电流方向之间的联系的思考。然后，教师再指出原磁场的方向和运动对磁通量的变化有直接的影响，并引导学生思考如何建立感应电流方向与原磁场方向之间的联系，通过比较寻找它们之间的关系。通过这样的引导，学生会逐渐理解和掌握楞次定律的概念，以此培养学生的批判性思维和解决问题的能力，让学生体验到科学探究的乐趣和成就感。

（三）积极创新传统实验课程，不断强化学生的实践力

传统的实验课程是物理教学中的重要组成部分，但教师可以积极创新这些实验，使其更具实践性和互动性。例如引入计算机模拟实验、虚拟实验和实验仿真等现代技术，让学生通过计算机软件进行实验操作和数据分析。这样的创新可以帮助学生更直观地观察和理解物理现象，并提供更多的实验机会，不受时间和资源的限制。在鲁科版高中物理“探究加速度与力、质量的关系”教学中，教师可以引入计算机模拟实验软件，让学生通过电脑进行实验操作和数据分析。学生可以在虚拟实验室中进行不同条件下的力、质量和加速度的实验，通过改变不同参数，观察实验结果，并分析它们之间的关系。通过这样的模拟实验，学生能够更直观地观察和理解物理现象，也能够进行更多的实验尝试，并且不受时间和资源的限制。同时，教师还可利用实验仿真软件，让学生通过虚拟实验设备进行实验。例如使用仿真软件模拟在不同力作用下的物体运动情况，观察加速度和质量之间的关系。实践过程中，学生可以自主设置实验参数，并观察仿真结果，进一步加深对加速度与力、质量关系的理解。通过实验仿真，学生能够进行多次实验，比较不同条件下的实验结果，加深对物理规律的理解。通过这样的创新实验形式，学生可以更直观地观察和理解物理现象，并进行更多的实验探究，從而加深对物理规律的理解。

（四）鼓励学生自主设计和改进，培养学生的创新性思维

创新实验的设计还应积极调动学生的参与性，教师可鼓励学生进行自主设计和改进传统实验，以提高学生的实践能力。学生可以根据自己的兴趣和需求选择实验主题，并设计实验方案、收集数据和分析结果。一个智能机器人除了由机械部件、控制器、编程等构成，通常也具备一定的感知能力。在高中物理教学中，这些具有感知能力的电子器件称为传感器，学生常常会接触到声音传感器、烟雾传感器、压力传感器、温度传感器等。而这些传感器如何将非电学量转成电学量呢，在日常生活中话筒中电磁感应现象就是一个生动的载体。师生可以共同利用“话筒”破解电磁感应现象的应用，同时，教师也可以鼓励学生多设计创新实验，使用电磁炉为载体进行实验观察。教师可先展示电磁炉内部大线圈，用另一连接着灯泡闭合线圈在通电的大线圈上方左右移动，观察灯泡的亮暗，体会互感原理；可让学生展示通电后电磁炉驱动易拉罐运动的情景，观察怎样使易拉罐运动更快些；可展示电磁炉给手机充电，观察如何更快更安全充满手机的电量。学生可以比较自己的实验结果与理论预期，分析实验的误差和改进的可能性。这个创新实验不仅能培养学生的实践能力、创新思维和科学素养，同时还能让学生体验到科学探索的乐趣和成就感。

结束语

综上所述，高中物理教学中创新实验的应用策略包括精心设计趣味性实验课程、善于利用学生的冲突思维和积极创新传统实验课程。通过这些策略，教师可以激发学生的兴趣和好奇心，引导学生主动探索和深入思考，提高学生的实践能力和科学素养。创新实验不仅可以增强学生对物理知识的理解和应用能力，还能够培养学生的科学精神和创新意识。

参考文献

[1]郑文涛.实验高中物理创新实验教学策略研究[J].学周刊，2022，519（27）：57-59.

[2]李蔚.高中物理电磁学创新实验与科学探究举例[J].中学课程资源，2022，18（12）：33-36，39.

[3]褚军，孟彦.创新实验设计落实核心素养：以高中物理必修第1册“摩擦力”教学为例[J].物理教师，2023，44（3）：6-9，14.

[4]高财远.高中物理创新实验教学策略探究[J].学周刊，2023，541（13）：67-69.

[5]赖毅标，张宁，高永伟.科学思维导向下高中物理创新实验教学设计：以“安培分子电流假说”为例[J].中学理科园地，2023，19（3）：16-18.

本文系福州市教育信息技术研究课题“基于机器人的物理创新实验实践研究”（课题编号：FZDJ2020A04）的主要研究成果。