高中物理实验教学的创新设计与实践

杭州市富阳区新登中学(311404)

朱文武●

高中物理实验教学的创新设计与实践

杭州市富阳区新登中学(311404)

朱文武●

传统物理实验课堂大多是验证性实验，不利于学生创新能力的培养，因此教师需要设计一些探究实验的问题，激发学生的兴趣，能独立探究发现问题并掌握解决问题的方法.

物理实验；创新；设计；能力

创新是人类的希望，创新是一个名族进步的灵魂，是一个国家兴亡发达的动力.而当下我国中小学学生的创新精神不足和实践能力不强已经是个严重的问题，基础教育改革正在着力解决这个问题.由于学生的创新精神和实践能力的养成和发展需要学生在实践活动中锻炼和培养，科学探究能力表现在学生进行探究性学习中，而物理实验作为学生学习物理知识的重要途径，有其特殊的教学功能：既可以为学生提供学习的感性材料，验证物理规律，又可以提供科学的思维方法，培养学生的创造性思维能力、创新精神和探究能力.下面结合我个人教学的经验，谈谈学生创新能力的培养.

一、物理探究实验教学的问题创新设计

爱因斯坦说过：“对真理的探索比占有更加宝贵”.传统物理实验课堂大多是验证性实验.验证性实验是对知识的正确与否加以验证，巩固和加深对基本规律和基本原理的认识.但是，对学生在学习物理的科学方法和科学态度方面不能得到锻炼，也不利于培养学生主动探索物理规律的能力更加谈不上创新能力的培养，因此教师需要设计一些探究实验的问题，激发学生的兴趣，独立自主的通过探究发现问题并掌握解决问题的方法.

案例1 自感现象演示实验教学

师：4.5V的电压能使人触电吗？你能不能设计实验加以验证呢？

生：不能，因为低于36V安全电压.用3节干电池串联，直接接到两手之间

学生上讲台连接好电路(如图1)并当众演示.问参与实验的同学有没有触电感觉？学生表情自然的说没有.

师：该同学做得很好.(适时表扬其勇于探究精神)如果在路端再并联一个线圈呢？

生：还是不会触电，因为电压还是4.5V.

师：可以再通过实验试试.请20位同学共同手拉手感受下(增大电阻，为了打消少部分同学的顾虑)

请一个同学按图2方式连接好电路，电路上面为人与人串联组成的回路将电键闭合，问参与实验的同学有没有触电感觉？学生都说没有.接着将电键断开，他们都将手迅速甩开，同时啊的尖叫了起来(如图3).

师：刚才发生了什么现象？

生：电键断开的时候被电一下.

师：是谁产生的电，这是一种什么现象？

生：加了线圈后才有电击感觉，应该是线圈产生的，电磁感应现象.

师：当线圈中电流改变时，产生的磁场发生变化，线圈中磁通量发生变化，不仅在邻近电路中激发感应电动势，同样也在它本身激发出感应电动势.这种现象叫自感.

师：当电键闭合，线圈中电流增大时，线圈自身是否有电磁感应现象？如何把现象呈现出来？

生：做出各种猜想……

师：根据前面已学知识，你知道当线圈电流增大时，线圈中会产生什么方向的电动势呢？当电流减少小时，方向又如何呢？(引导学生画出线圈草图并进行理论分析)

I增大⟹B原增大⟹B感方向向左(根据楞次定律)⟹感应电动势E感方向如图⟹E感与I方向相反，阻碍I增大.(如图4)

I减小⟹B原减小⟹B感方向向左(根据楞次定律)⟹感应电动势E感方向如图⟹E感与I方向相同，阻碍I减小.(如图5)

师：感应电动势对原电流的这种阻碍如何如何通过实验显示出来呢？

生1：接个电流表测量下线圈中电流，会由小变大；

生2：接个小灯泡；刚通电时小灯泡会先不发光然后再发光(延迟发光)

生3：…

师：用灯泡观察很好.现给你下述仪器请设计出能验证你判断的具体电路：线圈、直流电源、小灯泡、滑动变阻器、电键、导线，请设计实验电路来验证你的猜想.

学生一开始画出的电路图如图6，经过实验，发现闭合电键后延时效果看不出；

师：为什么没有观察到灯泡的延迟现象？是否延迟通过一只灯泡是很难观察出来.

生：再加一个没有线圈的带灯泡的支路进行对比.

师：请画出新的设计电路.

学生设计出图7所示电路.加入A2进行对比，实验效果好了一些，但A2灯太亮，影响了对A1的观察；进一步修改，加入滑动变阻器对A2(实验时先闭合电键，将A2调到与A1一样亮，再断开电键)，闭合电键，A1延时效果明显.图8为课堂上学生设计的电路图.师生共同进行理论分析.

此时教师出示示教板演示图9(水到渠成).

为了让学生更加直观的观察到线圈中电流的变化，教师取下灯泡A1,利用电流传感器串联在线圈电路中，得到电流随时间变化关系的图像(如图10).指出电流由零增大到正常值是图像是一段曲线.

师：在图8电路中当电键切断时，小灯泡将出现什么现象？

生：灯泡A1和A2延迟熄灭

理论分析：在图8电路中当电键切断时，由于线圈中的感应电动势的存在，电流不会立即减小到零，即在电键切断后，在“电感线圈—2只小灯泡—变阻器“构成的回路中要维持一段时间的电流，小灯泡还要发光一段时间.

实验演示：并未观察到所想看到的现象.

师：发生这种情况的原因是什么？

生：可能是初始电流相同，在持续时间内我们的感官没感觉到.

此时，刚刚被“电击”的一位同学，恍然大悟，他提出把刚才“电击”人的电路中人的位置换成小灯泡.

教师演示断电自感现象.结果小灯泡闪亮一下再熄灭.

理论分析：当电路达到稳定时，由于线圈的电阻比较小，流过线圈的电流比小灯泡的电流大得多，在电键切断的一瞬间，线圈的电流在回路存在的前提下不能突变，流过小灯泡中的电流立即反向并增大，使小灯泡发出瞬间的强光.

师：如何直观观察到灯泡中电流的变化呢？

生：用传感器串联到灯泡的支路.

教师演示得到图12图像.教师引导学生共同分析得出通电自感和断电自感产生的原因.

案例评析：教师通过设置适当的问题引导学生，学生通过自己对问题的思考产生了学习的需要从而探究出实验的方案并进行实验，可能会走一些弯路，但是经历对知识探究的体验过程，这也正是教学大纲所要求的，虽然花费了一定的时间，但是对学生的长期发展来说是值得的，比老师直接去做实验验证物理规律，学生更加容易掌握对物理规律的理解程度.

二、物理探究实验教学的思路创新设计

实验的过程是探索新知识，发现新问题的过程.思路是行动的先导，教师要充分调动主体的科学文化知识沉淀和教学过程及社会实践经验的积累引导和帮助学生摆脱和突破常规的思维定式的束缚，激发和促进各种创新设计思路的产生.

案例2 探究物体对水平桌面的弹力产生的原因

物体对桌面压力很多学生都误认为就是重力产生的，很难发现是由于物体底部发生上凹的形变后由于要恢复原状，对桌面产生向下的压力(即弹力).将书本放在桌面上，肉眼是很难观察得到书本底部的形变，为了突破这个难点，教师就要引导学生对实验进行创新设计，怎么样让这种形变显现出来呢，学生很快就能说出可以在书本下面垫上海绵，观察海绵底部，进一步启发学生是不是可以直接用一个软的物体来代替书本和海绵呢？什么物体比较软密度也大，形状改变明显呢？启发学生，我们可以将水倒入气球里，然后将口子用线扎上，装水的气球提在空中，其下部明显向下凸起(如图13).当我们把水袋放在桌面上时，底部变平(如图14).经过对实验这样的改造实验效果非常理想，现象特别明显.

书本上电灯对悬绳线也会产生弹力，这个电灯的形变不易观察到，学生受到刚才的启发，用悬绳提起装水的气球，同样效果显著.(见下图)

学生在进行思考提出自己的方案时，无论合理与否，教师都应给以适当鼓励和表扬，以激发学生在以后的课堂上，进一步开拓思维，积极创新.

三、物理探究实验教学的非常规操作方法的创新设计

实验操作方法对实验现象的显示及实验结果的获得有直接的影响，某些实验，若用寻常方法只能得到寻常结果，而试验中一些“前所未有”的“发现”及“意料之外”的“收获”，往往是建立在非常规操作方法运用的基础上的.因此，改进实验的操作方法，往往可以收到意想不到的效果.

案例3 在《涡流、电磁阻尼和电磁驱动》一节关于涡流的课题引入教学

教法1.教师直接使用了电磁炉给铁盆里的水加热，学生观察到水很快冒“气”，然后介绍线圈中变化的电流在线圈附近的任何导体中会产生感应电流.给出涡流的概念.

教法2.教师先向学生提出电磁炉加热的原理是什么，有学生会说是电磁炉内部通入电流发热，然后经热传导，给物体加热.教师不做评价，就这个思路下去，那要是放置一块海绵，海绵会被融化吗？教师操作(如图15)，学生并未观察到想要看到的现象.说明不是热传导现象.教师再换上装水的铁盆(如图16)，水很快冒气.学生发现只能给金属锅加热.然后教师告诉学生，电磁炉不仅可以加热还能“发电”，教师将串有灯泡的多匝线圈靠近电磁炉上方(如图17)，灯泡发光.学生很好奇.引导学生得到上述过程实际上是电磁感应现象.电磁炉通入交流电，引起内部线圈产生变化的磁场，在灯泡的线圈中会产生电磁感应现象，同时在附近的任何导体中都能产生感应电流.

案例评析 教法1，实验的功能并未完全开发出来，只是利用电磁炉引出了涡流的概念而已.教法2则通过一步步实验操作的改变使得学生掌握了涡流现象产生的原因，且使得学生通过思考分析涡流原来是一种电磁感应现象，是在整块金属中产了电流，从而发热.不仅引入了新课而且获得了新知识.同样的实验操作不同，效果也不同.

四、物理探究实验教学的迁移创新能力设计

高中物理的演示实验的设计和演示都是教师完成的，其实中学阶段的绝大部分实验方法都是相通的，在进行实验的教学时，完全可以引导学生将已经学习过的实验思想方法、实验方法和技术迁移到该实验中来，从而培养学生的实验方法、思路、技术设计创新能力.

案例4 在进行《探究加速度与力、质量关系》的关系实验时，关于实验的基本思路教学，可以引导学生回忆初中关于压强与压力和受力面积关系所采用的实验方法，即控制变量法，从而得出实验的思路，即(1)保持物体质量不变，测量物体在不同力作用下加速度，分析加速度与力的关系；(2)保持物体所受力相同，测量不同质量的物体在这个力作用下的加速度，分析加速度与质量的关系.

在课堂上教师一定要尽可能的避免一言堂，充分调动学生利用以往的学习经验和方法主动去思考实验的实验的思路和设计.只有这样才能真正使得学生的能力得到提升.

五、物理实验教学中的课堂环境的创新设计

罗杰斯说过：“创造活动的一般条件是心理安全和心理自由，只有心理安全才能导致心理自由，也才能导致学习的创造性”.物理课堂必须营造宽松自由的学习氛围物理课堂必须营造宽松、自由的学习环境,才能更有利于学生的学习.

很多情况表明,学生都不喜欢整天板着面孔的老师,课堂上教师对学生的期待通过微笑传递,学生就会在这种爱的感召下,受到鼓舞,从而亲其师,信其道.教师要热情地鼓励学生善思多问,鼓励学生发表与老师不同的见解,要鼓励学生“别出心裁”,“标心立异”,鼓励学生从不同角度思考问题,发现问题.爱因斯坦说过:提出一个问题,比解决一个问题更重要.正如陶行知先生说的:“只有民主,才能解放大多数人的创造力,而且使大多数人创造力发挥到最高峰”.学生在民主和谐气氛中学习,心情舒畅,才能敢想、敢说、敢问、敢于创新、敢于创造.在探究课堂上教师要充分发挥学生的主体作用,才能把课堂气氛激活,也才能点燃学生智慧的火花.

从课堂教学的各个角度对学生创新能力的培养进行研究与实践，这是一个没有止境的课题.学生需要具备终身发展的创新能力，这种能力是要通过中学阶段课堂学习中得到锻炼和培养.在今后的教学中，本人仍将一如既往的反思、总结、改革和创新.对实验这一教学手段以及其他技术做更多的深入研究，以利于学生的创新和思维能力培养.

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