趙波

科學(xué)探究是學(xué)生四大物理核心素養(yǎng)之一。所謂科學(xué)探究，是指學(xué)生基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、形成猜想和假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取和處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流、評估、反思的能力。物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的重要途徑，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ菍W(xué)生科學(xué)探究能力的重要組成部分，也是高考物理學(xué)科考查的五大能力之一。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中物理教學(xué)中具有舉足輕重的地位和作用，是高中物理教學(xué)的重要組成部分。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）指出：“在高中物理課程中，應(yīng)注重科學(xué)探究，尤其應(yīng)注重物理實(shí)驗(yàn)。”但在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)儀器陳舊老化等原因造成專用實(shí)驗(yàn)器材缺損或?qū)嶒?yàn)效果不佳，是導(dǎo)致高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能正常開展的一個(gè)不容忽視的客觀因素。那么，如何克服專用實(shí)驗(yàn)器材不足，獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育目標(biāo)呢？在日常教學(xué)中，筆者嘗試?yán)蒙磉叧Ｒ姷奈锲穪硖娲倘被驅(qū)嶒?yàn)效果不好的專用實(shí)驗(yàn)器材，改進(jìn)和開發(fā)新實(shí)驗(yàn)，不僅圓滿地完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，落實(shí)了高中物理核心素養(yǎng)中“科學(xué)探究”素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，而且設(shè)計(jì)出了一些有趣的新實(shí)驗(yàn)，在解決教學(xué)過程中遇到的困難的同時(shí)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)物理就在身邊，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)。

在此，筆者以四個(gè)高一力學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，與大家交流和探討。

一、利用日常物品完成課堂演示實(shí)驗(yàn)

案例1：巧用激光筆演示微小形變

物品：激光筆（1支）、大山夾（1個(gè)）。

方法：用大山夾夾住激光筆的開關(guān)使其電源打開，把它們立在學(xué)生的課桌上（桌面水平），筆尖斜向上，如圖1所示。適當(dāng)調(diào)整傾角，讓激光照在天花板上形成一個(gè)紅色的光點(diǎn)，如圖2所示。不斷用力按壓桌面，觀察光點(diǎn)的位置。我們可以看到，隨著手對桌面的按壓，光點(diǎn)在天花板上的位置發(fā)生移動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象生動(dòng)直觀地說明，用手按壓桌面時(shí)，桌面發(fā)生了形變。

實(shí)驗(yàn)的巧妙之處：本實(shí)驗(yàn)是人教版高中《物理》（必修1）第三章第2節(jié)課堂演示實(shí)驗(yàn)“利用‘光杠桿放大法來演示桌面的微小形變”的改進(jìn)方案。桌面對物體的支持力是彈力，由桌面的形變產(chǎn)生。由于學(xué)生無法直接看見桌面的形變，對此不容易理解，因此，做好顯示桌面微小形變的演示實(shí)驗(yàn)非常重要和關(guān)鍵。由于課本上所提供的方案中平面鏡支架不好調(diào)節(jié)，激光器不僅不容易固定和控制，而且一般學(xué)校沒有。因此，在實(shí)際教學(xué)中，很多學(xué)校無法順利完成這一演示實(shí)驗(yàn)。隨著多媒體教學(xué)的普及，在學(xué)校找一支激光筆非常容易。相比于教材上原來的演示實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)的器材簡單、容易獲取，不需要花費(fèi)額外成本，操作簡便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視性強(qiáng)，學(xué)生容易觀察，能和教材上原來的演示實(shí)驗(yàn)達(dá)到相同的效果。用改進(jìn)方案研究桌面微小形變的實(shí)驗(yàn)過程，是基于事實(shí)證據(jù)對觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行檢驗(yàn)進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的過程，不僅圓滿地完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，還落實(shí)了物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，能引導(dǎo)學(xué)生形成良好的科學(xué)思維。

二、利用日常物品改進(jìn)課堂探究實(shí)驗(yàn)

案例2：妙用教室白板探究力的合成規(guī)律

物品及器材：彈簧測力計(jì)（1個(gè)）、胸牌掛繩（1根）、鉤碼若干（50 g∕個(gè)）、剪刀（2把）、圓形鑰匙環(huán)（1個(gè)）、細(xì)繩套（2個(gè)）、帶刻度的大三角板（1個(gè)）、教室白板、白板筆（1支，筆尖細(xì)一些）。

方法：

1. 安裝器材

（1）將胸牌掛繩一端套在白板上方的多媒體投影裝置的橫桿上，另一端掛一個(gè)彈簧測力計(jì)。調(diào)整掛繩長度，使彈簧測力計(jì)高度適中。

（2）把鑰匙環(huán)掛在彈簧測力計(jì)掛鉤上，拴上兩個(gè)細(xì)繩套。

2. 操作并記錄數(shù)據(jù)

（1）把兩個(gè)細(xì)繩套分別穿過兩把剪刀的剪柄，并分別掛上適當(dāng)?shù)你^碼。

（2）如圖3所示，甲、乙兩位同學(xué)一人手持一把剪刀的剪片（注意：剪片要合攏，避免劃到手受傷），通過調(diào)整剪柄的位置，讓鉤碼互成角度地通過細(xì)繩拉彈簧測力計(jì)，使彈簧測力計(jì)的彈簧適當(dāng)伸長，掛鉤和鑰匙環(huán)的連接點(diǎn)到達(dá)某一位置O。丙同學(xué)用白板筆記下O點(diǎn)的位置、兩條細(xì)繩套的方向和彈簧測力計(jì)掛鉤的方向，并記錄此時(shí)彈簧測力計(jì)的讀數(shù)和兩組鉤碼的質(zhì)量。

3. 處理數(shù)據(jù)、作圖，共同分析和研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）全班同學(xué)一起計(jì)算出兩組鉤碼的重力大小，即等于兩根細(xì)繩拉力F1、F2的大小。教師引導(dǎo)全班同學(xué)一起討論如何進(jìn)行作圖研究。丁同學(xué)負(fù)責(zé)在白板上按同學(xué)們討論的結(jié)果作圖。首先，作F1、F2的反向延長線，找到兩條反向延長線的交點(diǎn)O'。選取適當(dāng)標(biāo)度，在白板上按標(biāo)度從O'點(diǎn)開始作兩個(gè)拉力F1、F2的圖示，利用三角板根據(jù)平行四邊形定則求出合力F。

（2）按同樣的標(biāo)度用刻度尺從O'點(diǎn)沿彈簧測力計(jì)掛鉤的反方向作彈簧測力計(jì)讀數(shù)F'的圖示，如圖4所示。則F為F1、F2合力的理論值，F(xiàn)'為F1、F2合力的實(shí)驗(yàn)值。

（3）比較F'與F的大小和方向在誤差允許范圍內(nèi)是否相同。

4. 改變兩組鉤碼的個(gè)數(shù)和兩根細(xì)繩的夾角，再重復(fù)兩次實(shí)驗(yàn)

比較每次得到的F與F'在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)的大小和方向是否相同。

實(shí)驗(yàn)的巧妙之處：

（1）本實(shí)驗(yàn)器材簡單，操作容易。就地取材、巧妙利用多媒體投影裝置的橫桿作為掛繩的支架，利用教室的白板替代原來實(shí)驗(yàn)所需的白紙，不僅簡化了器材，而且避免了原實(shí)驗(yàn)固定橡皮筋、木板、白紙等麻煩。用兩把剪刀的剪柄充當(dāng)滑輪，讓學(xué)生通過移動(dòng)手的位置來改變細(xì)繩拉力的方向，巧妙地避免了安裝滑輪和調(diào)整滑輪位置的困難，并且可以根據(jù)實(shí)際需要隨意改變拉力方向。

（2）本實(shí)驗(yàn)可視性強(qiáng)，便于學(xué)生觀察。利用白板畫圖，不僅節(jié)省了紙，降低了實(shí)驗(yàn)成本，而且作圖空間更大;彈簧測力計(jì)伸縮長度也比橡皮筋大得多。不僅在講臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生可以清楚地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和過程，坐在教室各個(gè)角落的學(xué)生都可以清清楚楚地看到實(shí)驗(yàn)過程和細(xì)節(jié)，比原來的實(shí)驗(yàn)更適合全班同學(xué)一起進(jìn)行課堂探究。

（3）利用日常物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅克服了專用實(shí)驗(yàn)器材不足帶來的困難，確保實(shí)驗(yàn)正常開展，而且用學(xué)生身邊的常見物品和通用器材做實(shí)驗(yàn)，拉近了物理和生活之間的距離，使學(xué)生更強(qiáng)烈地感受到物理就在生活中，就在自己身邊。

（4）本實(shí)驗(yàn)只需要用一個(gè)彈簧測力計(jì)，讀數(shù)一次，進(jìn)行一次操作就可以同時(shí)測出兩個(gè)分力和合力的大小及方向。一次完成實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)，縮短了實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間，為實(shí)驗(yàn)研究和討論環(huán)節(jié)留出了更充足的時(shí)間。

（5）甲、乙兩個(gè)同學(xué)既是實(shí)驗(yàn)操作者，又是實(shí)驗(yàn)器材的一部分，兩種身份的疊加，讓臺上參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生和臺下觀察實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，都能感受到物理學(xué)科的趣味性，使學(xué)生更充分地融入課堂實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，有利于調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)物理的積極性。同時(shí)，甲、乙、丙、丁及全班同學(xué)的分工、交流、合作，有利于讓學(xué)生體會科學(xué)研究中相互合作和相互交流的必要性。用此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行課堂合作探究，是在合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，基于觀察和實(shí)驗(yàn)獲取、處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論，對實(shí)驗(yàn)探究過程和結(jié)果進(jìn)行交流和總結(jié)的過程，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

實(shí)驗(yàn)的不足和進(jìn)一步改進(jìn)措施：

（1）由于所用器材自身?xiàng)l件的限制，本方案的實(shí)驗(yàn)誤差相對較大，但作為課堂合作探究實(shí)驗(yàn)，能基本得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，取得良好的教學(xué)效果。

（2）鑰匙環(huán)體積相對較小，坐在最后面的學(xué)生不容易看清楚。我們可以在鑰匙環(huán)上加一個(gè)大大的指針，學(xué)生通過觀察指針的位置就可以確定鑰匙環(huán)的位置及其上下移動(dòng)的情況。

三、利用日常物品開發(fā)新實(shí)驗(yàn)突破教學(xué)難點(diǎn)

在學(xué)習(xí)合力與分力關(guān)系的過程中，我們通過理論分析得到一個(gè)重要的規(guī)律：“兩個(gè)分力大小一定，夾角越大，合力越小;夾角越小，合力越大。”通過幾何作圖或數(shù)學(xué)計(jì)算，學(xué)生很容易得出這一規(guī)律。但是由于缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和感性認(rèn)識，學(xué)生理解起來感覺抽象和枯燥。能不能通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察到這個(gè)現(xiàn)象呢？對此，我在案例2的基礎(chǔ)上，又設(shè)計(jì)了一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，巧妙地幫助學(xué)生形象地理解這個(gè)規(guī)律。

案例3：案例2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

方法：如圖3所示，在兩個(gè)細(xì)繩套上分別掛上適當(dāng)?shù)你^碼并保持鉤碼的質(zhì)量不變，即保持兩條細(xì)線對鑰匙環(huán)的拉力大小不變，逐漸增大兩條細(xì)線的夾角，可以非常形象、直觀地看到，鑰匙環(huán)的位置逐漸向上移動(dòng)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)逐漸減小，說明細(xì)繩拉力的合力變小了;反之，逐漸減小兩條細(xì)繩的夾角，鑰匙環(huán)逐漸向下移動(dòng)，彈簧測力計(jì)的示數(shù)逐漸增大，說明細(xì)繩拉力的合力變大了。

利用日常物品開發(fā)的新實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證合力與分力關(guān)系規(guī)律的過程，是利用實(shí)踐來檢驗(yàn)科學(xué)結(jié)論的過程，讓學(xué)生體會到科學(xué)結(jié)論需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，體現(xiàn)了物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)本質(zhì)。同時(shí)，合力與分力關(guān)系規(guī)律對本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋和說明是運(yùn)用所學(xué)物理知識解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過程，此實(shí)驗(yàn)有助于培養(yǎng)學(xué)生形成物理基本觀念。

四、利用日常物品完成學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)

案例4：妙用PVC板驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律

物品及器材：舊PVC板（1片）、鐵架臺（1個(gè)）、泡沫板（1塊）、電火花計(jì)時(shí)器（1臺）、U型臺夾（3個(gè)）、大山夾（2個(gè)）、交流電源、紙帶等。

方法：

1.用U型臺夾把電火花計(jì)時(shí)器固定在PVC板的頂端，緊貼計(jì)時(shí)器下方固定一塊小泡沫板，防止計(jì)時(shí)器滑動(dòng)。如圖5、圖6所示。注意：為了保護(hù)電火花計(jì)時(shí)器，防止電火花計(jì)時(shí)器在實(shí)驗(yàn)過程中由于振動(dòng)滑落，在U型臺夾和計(jì)時(shí)器之間墊一塊硬紙板。

2. 用兩個(gè)大山夾把PVC板豎直固定在鐵架臺上，一套“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置組裝完成，如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)的巧妙之處：“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”實(shí)驗(yàn)是人教版高中《物理》（必修2）第七章中重要的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是高中物理實(shí)驗(yàn)室的重要儀器，大多數(shù)學(xué)校都有配備。但要把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器豎直固定在鐵架臺上，操作起來并不容易。利用固定在長木板上的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是最簡便的方法之一。但由于各個(gè)學(xué)校的實(shí)驗(yàn)器材使用年份較長，不可避免有一部分長木板損壞，加之每個(gè)班級學(xué)生人數(shù)較多（以本人所在學(xué)校為例，一個(gè)班級有50～60人，一般以2到3人為一組），為了保證每個(gè)學(xué)生都盡量動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)大概需要20多套儀器。一般學(xué)校現(xiàn)有器材的數(shù)量不足以滿足分組實(shí)驗(yàn)的需求。PVC板、泡沫板簡單易尋，PVC板質(zhì)量輕且較薄，用兩個(gè)大山夾就很容易固定在鐵架臺上了。這個(gè)方案很好地解決了豎直固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的困難，而且也解決了因器材不足而無法正常開展分組實(shí)驗(yàn)的問題。利用日常物品組裝“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”的實(shí)驗(yàn)裝置，確保了學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，也落實(shí)了高中物理核心素養(yǎng)當(dāng)中科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。

這些高一力學(xué)實(shí)驗(yàn)案例，很好地解決了專用實(shí)驗(yàn)器材不足或?qū)嶒?yàn)效果不佳造成的無法正常開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困難，圓滿地完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。這些實(shí)驗(yàn)所需的物品容易獲取，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)起來也并不困難，只要我們開動(dòng)腦筋，不僅能有效地解決在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中碰到的問題，落實(shí)高中物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的相關(guān)要求，而且能讓學(xué)生更深刻地體會到物理就在自己身邊，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。利用日常物品改進(jìn)或開發(fā)新實(shí)驗(yàn)，是解決高中物理實(shí)驗(yàn)器材短缺或?qū)嶒?yàn)效果不佳的有效辦法。它促進(jìn)了物理核心素養(yǎng)培育目標(biāo)在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的落實(shí)和發(fā)展，在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了積極的作用，值得我們進(jìn)一步研究與探索。

◇責(zé)任編輯 邱 艷◇