韋兵余

物理學(xué)是自然科學(xué)的基本組成部分，實(shí)驗(yàn)則是支撐起物理學(xué)大廈的基石?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面對(duì)教師提出了較高要求，除了教材中所呈現(xiàn)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、教師演示實(shí)驗(yàn)以外，還要求師生能夠利用身邊的物品、廉價(jià)的新材料對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行創(chuàng)新、優(yōu)化，讓實(shí)驗(yàn)探究更好地服務(wù)于教學(xué)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)物理知識(shí)的理解和運(yùn)用。作為一名初中物理教師，筆者有責(zé)任傳遞好義務(wù)教育階段培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的“接力棒”，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家一樣去探索新知，創(chuàng)造未來(lái)。筆者的教育主張是以實(shí)驗(yàn)為載體，以創(chuàng)新為導(dǎo)向，在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中培育學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

一、物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新概念的明確

物理實(shí)驗(yàn)是指在教學(xué)過(guò)程中為了構(gòu)建某些物理概念、探查某些物理規(guī)律，驗(yàn)證某些物理原理，利用實(shí)驗(yàn)器材開(kāi)展有目的、有計(jì)劃、有組織的研究活動(dòng)，是進(jìn)行物理知識(shí)建構(gòu)的重要學(xué)習(xí)方式之一。創(chuàng)新概念不單指新事物的首次“露面”，也可以是新思維、新方法、新技術(shù)等某些事物的凸顯。而物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新則是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的生長(zhǎng)點(diǎn)，其創(chuàng)新的意義與傳統(tǒng)意義中的“創(chuàng)新”有所不同。物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新注重的是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所蘊(yùn)含的教育功能和研究?jī)r(jià)值。物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新既包含教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和功能的改進(jìn)、教具的改造和設(shè)計(jì)；也包含在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)的需要由師生自行制作教具、學(xué)具，以此為學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新素質(zhì)的發(fā)展做好鋪墊。

二、國(guó)內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代初，創(chuàng)新教育在我國(guó)已引起廣泛重視，并有許多教育工作者先后開(kāi)展了研究。我國(guó)物理教育界的前輩朱正元教授所倡導(dǎo)的“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”指明了一種物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的方向。南京師范大學(xué)劉炳昇教授一直傾心于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究，提出“小教具，大智慧”的教育思想，并主編了多部著作，對(duì)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的基本原理及創(chuàng)新策略以案例的形式作出了詳細(xì)的闡述。南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹(shù)人學(xué)校湯金波老師首先提出了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是未來(lái)物理教學(xué)的最優(yōu)途徑，倡導(dǎo)“玩中體驗(yàn)，改中求變，思中頓悟，創(chuàng)中提能”。他的研究團(tuán)隊(duì)在核心及主流教學(xué)期刊上發(fā)表了數(shù)十篇關(guān)于學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的論文，從學(xué)習(xí)心理學(xué)、認(rèn)知表征方式的角度和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、自制教具比較的角度，闡述了推進(jìn)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的必要性，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新可以輕松實(shí)現(xiàn)“從動(dòng)作表征、圖像表征到符號(hào)表征”的層級(jí)進(jìn)階，為學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式的踐行提供了理論依據(jù)，引發(fā)了全國(guó)各地物理教育同仁的廣泛關(guān)注。江蘇省南京市秦淮區(qū)教師發(fā)展中心丁玉祥老師也曾撰文闡釋了自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培育的重要載體，強(qiáng)調(diào)要科學(xué)把握其基本特征與實(shí)踐價(jià)值，充分發(fā)揮其教學(xué)功能，建議圍繞課后自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、校內(nèi)物理特色校本課程的內(nèi)容設(shè)計(jì)、物理教材規(guī)定演示實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充改進(jìn)、課后物理習(xí)題創(chuàng)新實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化、物理實(shí)驗(yàn)階段備考復(fù)習(xí)的深度拓展、教材綜合實(shí)踐活動(dòng)習(xí)題的創(chuàng)新實(shí)踐等教學(xué)路徑開(kāi)展學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，從而闡明了學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是未來(lái)物理教學(xué)的最優(yōu)途徑。

同時(shí)，許多高校學(xué)生和一線教師也紛紛撰文分享自己在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方面的成果。例如，山東師范大學(xué)研究生張建華在論文《中學(xué)開(kāi)展低成本物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究》中系統(tǒng)指出了開(kāi)發(fā)低成本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的美好前景，以及低成本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)發(fā)的具體方法等。湖南省長(zhǎng)沙市南雅中學(xué)的彭海燕在《中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新與拓展》一文中，從中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐出發(fā)，在教學(xué)范圍、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容及科研與教學(xué)的關(guān)系等方面，比較系統(tǒng)地探討了教師在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中創(chuàng)新的主要途徑。華中師范大學(xué)研究生朱遠(yuǎn)稼在論文《中美物理DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)比較研究》中明確指出，構(gòu)建信息技術(shù)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)物理課程與信息技術(shù)整合的迫切要求。隨著新課改的不斷深入，數(shù)字信息化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（如DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）越來(lái)越受到大家的重視，因?yàn)樗梢詭椭鉀Q某些操作性要求較高的物理實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀形象，有利于幫助學(xué)生對(duì)知識(shí)的建構(gòu)和規(guī)律的理解。

三、物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的基本策略

既然物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新對(duì)物理學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展如此重要，作為一線教師，我們應(yīng)該如何開(kāi)展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)，有哪些具體策略便于實(shí)施？眾所周知，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新不能是無(wú)根浮萍，必須有載體可以依托。而物理教材是承載科學(xué)知識(shí)的重要文本，蘊(yùn)含著豐富的實(shí)驗(yàn)資源。若能依托教材中的實(shí)驗(yàn)資源，引導(dǎo)學(xué)生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，也能夠提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，彌補(bǔ)教材缺憾

盡管編寫(xiě)教材的專(zhuān)家對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案都進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，但我們?cè)诮虒W(xué)過(guò)程中仍然發(fā)現(xiàn)了某些實(shí)驗(yàn)方案存在一些“瑕疵”，影響了實(shí)驗(yàn)效果。而物理教材中的這些“瑕疵”，正是師生進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新最好的資源。

例如，在“估測(cè)大氣壓的值”實(shí)驗(yàn)中，把注射器的活塞推至針筒的底端來(lái)排盡針筒中的空氣，然后用橡皮帽封住注射器的小孔，以期在注射器針筒內(nèi)制造一個(gè)“真空”的環(huán)境。事實(shí)上，注射器中的空氣無(wú)法完全排盡，因?yàn)樽⑸淦麽樛驳那岸思庾靸?nèi)還殘留了少量空氣，這也是造成所測(cè)大氣壓的值比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值偏小的重要原因。筆者受到護(hù)士輸液排氣的啟發(fā)，用水填補(bǔ)注射器前端尖嘴中的“空白”。同時(shí)，為了減小注射器針筒與活塞之間的摩擦對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，我們先后測(cè)量出針筒與活塞相反方向的滑動(dòng)摩擦力大小，取大氣對(duì)活塞的壓力的平均值，使測(cè)量結(jié)果更加接近于真實(shí)值。

2.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，凸顯實(shí)驗(yàn)魅力

盡管教材中大多數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)精巧，操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，但在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，筆者仍然發(fā)現(xiàn)了個(gè)別實(shí)驗(yàn)方案中的裝置存在著缺陷或不足。為了發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在知識(shí)建構(gòu)中的特殊功能，筆者認(rèn)為很有必要對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)。

例如，在“研究氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律”實(shí)驗(yàn)時(shí)，若按照教材中的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就存在諸多困難。普通學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)室極少配備內(nèi)徑約為1厘米、長(zhǎng)約1米的細(xì)玻璃管，且在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中很可能由于操作不慎造成細(xì)玻璃管破損，甚至?xí)o實(shí)驗(yàn)人員造成身體上的傷害。在教學(xué)中，我們用亞克力透明塑料管來(lái)替代長(zhǎng)玻璃管，用摻入一定比例洗潔精的水作為實(shí)驗(yàn)所需液體，減緩氣泡上升的速度，從而延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.自制實(shí)驗(yàn)教具，提高教學(xué)效益

物理課程標(biāo)準(zhǔn)中指出，利用日常物品做實(shí)驗(yàn)，不但具有簡(jiǎn)便、直觀的優(yōu)點(diǎn)，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)?？梢?jiàn)，借助常見(jiàn)的生活物品開(kāi)發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)資源，既可以幫助學(xué)生在知識(shí)建構(gòu)中搭建思維階梯，輕松實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)進(jìn)階，也能幫助一些學(xué)校擺脫實(shí)驗(yàn)器材不足的困境。

例如，我們用塑料瓶、注射器針筒、氣壓式噴壺等生活常見(jiàn)物品自制物體浮沉演示儀（如圖1）。

利用它不僅可以直觀演示物體排開(kāi)液體體積的多少對(duì)物體浮沉的影響，也可以直觀演示物體自身重力的改變對(duì)物體浮沉的影響，還可以直觀演示液體密度的改變對(duì)物體浮沉的影響，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)器材多種用途。

4.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，突破教學(xué)瓶頸

教材中關(guān)于電磁鐵磁性強(qiáng)弱的影響因素以“讀一讀”形式呈現(xiàn)，主要通過(guò)簡(jiǎn)要文字表述了電磁鐵磁性強(qiáng)弱與線圈匝數(shù)多少、線圈中電流大小有關(guān)，缺乏定量的、直觀的“實(shí)驗(yàn)證據(jù)”，致使學(xué)生在電磁鐵磁性強(qiáng)弱的認(rèn)知上不夠深入。為了突破教學(xué)瓶頸，我們利用微型電子臺(tái)秤、紐扣式銣磁鐵一枚、銅漆包線、開(kāi)關(guān)、3.8V小燈泡（附有燈座）、學(xué)生電源及亞克力透明塑料板等常見(jiàn)生活物品，自制電磁鐵磁性強(qiáng)弱測(cè)量?jī)x（如圖2所示）。利用這個(gè)裝置中的微型電子臺(tái)秤所顯示的數(shù)值前的正負(fù)號(hào)，可以直接判別電磁鐵的極性，電磁鐵磁性強(qiáng)弱也可以通過(guò)電子臺(tái)秤所顯示的數(shù)字大小直接展現(xiàn)，充分體現(xiàn)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具的直觀性。

由此可見(jiàn)，物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新是一個(gè)非常值得一線物理教師研究的課題。在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新探究的過(guò)程中，既可以學(xué)習(xí)、借鑒一線教師的成功做法，也可以發(fā)揮聰明才智，自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，使其成為撬動(dòng)物理高效課堂的那根最省力的“杠桿”，也讓物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培育落地生根、茁壯成長(zhǎng)。

（作者單位：江蘇省連云港市和安中學(xué)）