基于低成本实验的教学设计

邓瑞华

【摘要】物理是一门以实验为基础的学科，在新课程标准大力提倡低成本实验的背景下，要求教师低使用成本的实验材料，开展低成本实验，并保障实验教学的预期效果实现，这就对物理教师的教学带来了挑战，既需要教师树立低成本实验的意识，又要从低成本实验的视角出发设计教学方案，以促进学生实验能力的提升.本文以浮力产生的原因实验为例，对低成本实验的概念、教学设计原则及其方法进行几点分析，以供参考.

【关键词】初中物理；低成本实验；教学设计

实验不仅是学生物理学科学习过程中的一项活动，同时也是教师物理教学的一种方法.对于初中学生而言，低成本的实验设计可以让他们有更多亲身参与、体验、操作实验的机会.正如苏霍姆林斯基所说，儿童的智慧在他的指尖上，只有让学生亲身经历实验操作的过程，参与到实验之中，才能实现“做中学”，建立理论与实践之间的关系，带领学生从书本知识走向实践能力的发展.低成本实验的设计能够为教师的物理实验教学指明方向，转变教师的实验设计理念以及方式，促使学生在低成本实验的参与中形成探究意识，形成自主学习能力，从低成本实验中总结出物理概念、理论、定律等，更好地感知物理的魅力.相较于复杂的、高成本的实验方式，低成本实验具有简单易行、损耗低、耗费少等特点，许多实验材料都可以在生活中获得，甚至是生活中的废旧物品，能够极大地吸引学生的注意力，让学生知道利用生活中常见的物品也可以做出不可思议的实验，带领学生从中剖析物理原理，提升学生的物理学习水平.

1 什么是低成本实验

中学物理实验可以分为两种，一种是常规实验，另一种是非常规实验.低成本实验属于非常规实验，是指将一些看似与物理毫不相关的生活用品，乃至废旧材料，通过简单的加工、改造，制作成具有较高使用价值的物理實验器材，这是狭义的低成本实验.而从广义的角度分析，实验是指能够补充课内常规实验不足，取材简单且便于操作的实验类型，并且能够促使学生在低成本实验中理解实验原理.罗杰斯所提出的学习动机理论是低成本实验教学实施的理论基础，可以促使学生在低成本实验中实现自我的价值，经历全身心投入、自我发起以及自我完善的过程，能够激发学生的个性潜能.

2 低成本实验教学设计应遵循的原则

2.1 简单性原则

教师在设计低成本实验的过程中，除了要考虑到实验器材购买以及制作中需要消耗的资金成本，还应关注学生学习中的时间成本消耗问题.课堂教学的时间是有限的，若是因为降低实验材料的选取成本，而大大地增加了学生的制作时间成本，并不能称之为优质的实验设计.麦克斯韦在研究中表明，科学探究实验越简单，越可以吸引学习者的目光，拉近实验与学生之间的距离，促使学生全身心地投入到实验探索中，实验的价值也会更高.因此，应尽量选择简单的实验器材，并且在保证实验教学成效不受到负面影响的情况下，适当地简化实验过程，让学生在简单的物理实验中总结物理规律，掌握物理原理.一般情况下，教师在选取实验器材时可以从生活入手，选择简单、经济实惠的身边的生活材料，让学生建立物理与生活之间的关系，并在后续的物理学习中学会从生活中搜集物理资源，促使学生在简单的物理实验中获得更好的学习体验，进而验证“生活处处皆物理”的名言.

2.2 直观性原则

从物理实验的角度分析，实验现象的直观性应具备“千言万语说不清，一看实验就分明”的作用，教师在低成本实验的教学设计中同样需要遵循直观性的原则，能够在教学设计中充分地考虑学生的已有经验以及知识基础，结合初中学生以具象思维为主的发展特征，能够尽可能地使用低成本实验促使学生感知实验现象，增加实验现象的可见性以及实验结果的可信度.若是教师在低成本实验设计中，因为过度追求物质成本的降低，而导致实验现象不明显，无法让学生从中清楚地观察到物理现象，就会降低实验的可信度，面对这样的问题，需要教师改进常规的实验材料或装置，在教学设计中考虑到低成本实验受到的空间环境或时间条件的约束问题，尝试通过改进实验的方式，增加实验现象的直观性，让实验结果更加直观可见.

2.3 创造性原则

低成本实验本身就是对常规实验的一种创新，比如在取材上不同于常规的实验，要求教师在低成本实验的教学设计中调整实验教学的整体框架，能够创新实验教学的过程或者方法，以此减少物理实验“教”与“学”的成本投入.低成本实验的教学设计对于教师而言是物理教学发展的必然趋势，同时对物理教师的教学也提出了更高的标准，需要教师在降低实验成本的同时，能够保障原有的实验教学价值不会被削弱，帮助学生攻克物理学习中的难关.想要实现这一目标，首先需要教师在低成本实验的教学设计中敢于创新，其次要注重引领学生在低成本实验学习中形成创造性思维，能够打破传统课堂教学的束缚，让物理教学紧跟时代发展的步伐，在物理实验设计中贯彻低成本实验理念，减少不必要的实验材料损耗，提升学生的物理学习效率.

3 基于低成本实验的浮力产生原因实验教学设计

3.1 学情分析

“浮力”是八年级下册第十章的内容，在此之前学生已经基本掌握了力、力与运动、压强等方面的知识，浮力的学习就是建立在学生了解并掌握力、力与运动、压强等知识的基础上的，是对力学的更进一步学习.浮力在生活中随处可见，也被广泛运用于多个领域之中，但是在书本中只是给出了浮力的概念，对于浮力究竟是如何产生的并未细说，只是给出了一个简单的示意图，要求学生利用知识经验分析物体在水面上表面与下表面所受力的不同，认识到是因为压力差的存在才会产生浮力.但是，若只是从理论的层面上分析浮力产生的原因，会因为过于抽象而增加学生的理解难度，结合学生的实际学习情况以及学习需求，教师可以从生活中选择一些常见的物品自制教具，让学生从低成本实验中通过直观的观察演示实验亲身感触，从而认识到浮力存在.

3.2 教具制作

设计灵感来源：在保证实验的低成本前提下，为了让物理实验更加生动、有趣，大部分教师会选择使用瓶子和乒乓球作为实验器材，但是许多教师在实验教具的设计中会存在一些问题，导致实验的效果并不理想.比如：（1）取一个瓶口直径略小于乒乓球直径的水瓶，沿着中间剪开，取用带有瓶口的一端，将瓶口向下放置；（2）取一个乒乓球，将乒乓球放置于倒置的半截矿泉水瓶中；（3）将瓶中注水，发现水会慢慢向下流，乒乓球没有上浮；（4）用手掌将瓶口堵上，不让水流出，发现水瓶中的水位上涨，乒乓球上浮.

此次实验设计存在两点不足之处：第一，在实验过程中操作者用手堵住瓶口时，瓶子中会存有一部分气体，这些气体的存在会因为逐渐增加的水量而产生一定的压力，影响了瓶内的气压值，对实验结果造成了影响，无法准确地判断乒乓球上浮的原因；第二，由于瓶子较小，当用手掌堵住瓶口时，水很快就填满了瓶子内部空间，没有给学生足够的观察时间，因为无法观察到实验现象，让实验探究的意义大打折扣.

低成本实验材料：大的矿泉水瓶子，乒乓球，吸管，铁丝，胶水.

低成本实验材料制作方法：如图1所示，（1）取来矿泉水瓶子，沿着水瓶中间剪开；（2）将切开口有底部的瓶子去底，并将其部分瓶身竖着剪开，使瓶身可以展开；（3）将去底并将瓶身剪开的部分紧贴瓶口旋转，用铁丝将其固定，用胶水加固，以此保障实验器材的密闭性；（4）在瓶口侧面钻一个小孔，需要注意的是孔的位置要尽量靠近乒乓球，选择一根吸管插入到小孔中，为了不破坏瓶子的密闭性，所选择的吸管直径应略小于小孔直径，将其插入到小孔中，用胶水封好.

改进后的实验教具可以避免上述中问题的发生，当用手掌堵住出水口时，产生的气体可以通过吸管排出，避免气体压强对于实验结果产生干扰，同时乒乓球与瓶口之间的内部空间增加，可以给学生留有更多观察的时间，让学生可以从实验中观察到内部液体的变化以及乒乓球上浮的过程.

3.3 过程设计

“浮力产生的原因”是八年级学生浮力课程学习的第一个知识点，在教学设计中教师可以将其作为新课引入的材料，有助于调动学生的学习热情，帮助学生在后续的学习中深刻理解浮力.浮力虽然在生活中随处可见，但是学生在本节课的学习之前对于浮力并没有系统的概念，更不知道浮力究竟是从何而来，这个教具的设计可以以魔术表演的形式呈现出来，也可以鼓励学生在课前按照要求完成学具的制作任务，在课堂上教师带领学生共同完成，通过实验的方式让初中学生更加清晰地了解浮力.为了让实验现象更加明显，可以用红墨水、茶叶泡一些颜色比较深的液体，这样有助于学生观察实验现象.在实验过程中先在实验器材中放置乒乓球，再将去掉茶叶的茶水自上而下倒入瓶子中，此时学生观察到的实验现象是乒乓球并没有上浮，学生开始产生疑惑：“为什么预想的乒乓球漂浮现象没有发生？”“魔术的奥秘在哪里？”“使用什么方法可以让乒乓球上浮呢？”由此激发了学生的问题思维，纷纷开始讨论，提出实验的猜想，有的学生表示：“或许用手掌堵住瓶口就可以让乒乓球上浮了”.为了验证猜想，学生们开启新一轮的实验，发现当堵住瓶口时，瓶子中的水位越来越高，直到乒乓球的下表面接触到水，开始上浮，随着水位的增加，乒乓球上浮的高度也随之增高.为了继续验证试验结果的准确性，让学生掌握实验操作的步骤与方法，教师可以组织小组合作学习活动，以小组为单位自主操作完成实验探究活动，记录实验现象，合作讨论问题，总结出实验结果，对比各自的实验结果是否一致.

这样的实验器材使用可以减少物理实验操作中的成本，具有简单易于操作的优势，同时解决了课本上对于浮力产生原因讲解过于抽象的问题，让学生在低成本实验的参与、观察、讨论与总结中，对于浮力以及浮力产生的原因有一个更为直接的认识，降低了学生的学习难度，提升了物理实验的说服力.学生在课下可以自己制作实验器具，在生活中即可取材，很多学生在课堂学习中不尽兴，课后又一次制作实验器具，反复操作实验过程，可见这样的实验备受学生的喜爱.

4 结语

综上所述，初中物理低成本实验教学设计的原则及其方法，教师应认识到低成本实验的设计可以推动物理实验教学的改革与创新，符合新课改的要求，能够培养学生形成节约的意识，促使学生在低成本实验活动的参与中，掌握物理实验的方法，理解抽象的物理知识，获得动手能力的锻炼.因此，教师应在教学实践中不断地总结经验，完善低成本实验的教学设计方案，为课堂教学的有效实施提供保障，促进学生物理实验能力的发展.

参考文献：

[1]徐兵田，厉爱华.初中物理低成本实验器材的开发与应用[J].教育实践与研究（B），2020（Z1）：81-83.

[2]廖美香.低成本实验在初中物理教学中的开发及应用[J].名师在线，2021（29）：43-44.

[3]黎彬.初中物理低成本实验的开发对教学的促进作用[J].中学理科园地，2022，18（06）：42-45.

[4]鄭喜春.基于核心素养的初中物理低成本实验的开发与应用研究[J].学苑教育，2022（26）：39-41.

[5]徐东林.初中物理低成本实验开发途径探究[J].文理导航（中旬），2022（12）：94-96.