非常规实验在中学物理教学中的应用

丛佳韵，胡经国

（扬州大学，江苏扬州 225009）

一、中学物理中的非常规实验

在传统物理课堂中，大多数教师因为升学压力忽视物理实验，课堂教学以讲授为主，课后知识的巩固以做题为主。这种“填鸭式”教学容易使学生失去学习兴趣。采取死记硬背的方法记忆知识点代替理解知识点造成课堂教学效率低下。此外，现有的物理实验教学基本依赖实验室的精密仪器，学生只需要根据书本中的实验步骤，按部就班地进行实验就可以得到所谓的实验结果，整个过程死板且脱离学生的生活，无法给学生带来共鸣，也抑制学生的创新能力与动手能力。

在实行“双减”政策，推行素质教育的当下，非常规物理实验的理念与素质教育理念不谋而合。非常规物理实验是指根据教学需要，选择和利用学生生活环境中熟悉的物品、器具甚至人体，以不固定的方法或形式，人为控制条件、有目的实施观察与探索物理规律的实验活动，生活化且具有趣味性、自创性以及体验性。[1]学生在动手操作提高创新力的同时，也会意识到物理与生活并不是相互独立而是相互融合的。引导学生在生活中观察并发现物理现象，灵活运用物理知识解释这些现象，可以达到培养学生科学态度与责任的目的。

二、基于非常规实验的教学设计

（一）“物态变化”

2022年颁布的《义务教育物理课程标准》一级主题“物质”包含“物质的形态和变化”“物质的属性”“物质的结构和物质世界的尺度”三个二级主题。“物质”主题的课程内容与日常生活、自然现象及科技发展前沿密切相关。这部分内容的设计旨在引导学生从物理学的视角认识物质世界，了解身边物质的形态和变化，了解物质的属性、结构与物质世界的尺度，初步形成物质观念；引导学生学习科学研究方法，提升科学探究能力，体会科学、技术、社会、环境之间的关系，形成辩证唯物主义世界观和关心环境、保护环境的责任感。[2]

在学习人教版物理八年级上册第三章“物态变化”时，学生在课堂上对一些物态变化的概念可能仅仅来源于教师准备的图片或者PPT动画。其实，教师可以通过在课后借助电冰箱加深学生对物态变化概念的理解，同时利用家用电器加强课本知识与实际生活的联系。

实验一：探究电冰箱内部各区域的温度分布情况。将几支温度计分别放在冷藏室的不同层，几分钟后记录测量结果；然后在冷藏室的某一层，距离电冰箱门远近不同的位置放置温度计，几分钟后，记录测量结果。比较这些测量值，看看电冰箱内各区域的温度分布有什么特点。根据结果，学生可以发现靠近冰箱门的温度较高，远离冰箱门的温度较低。学生在这个实验中能够回忆使用温度计的注意事项以及读数方法，也能了解冰箱各区域的冷藏效果，将物理知识运用到日常生活中。

实验二：将一块豆腐放入冷冻室，一两天之后将其从冰箱内取出，此时的豆腐已经变成冻豆腐。学生观察思考：与普通豆腐相比，“冻豆腐”的形状发生了什么变化？解冻后切开，“冻豆腐”内部又有什么变化？根据实验结果，学生可以发现冻豆腐变得更加坚硬，温度更低，豆腐内的水分都被凝固成冰块，解冻后豆腐重新变软，冰重新溶化为水。学生用所学知识解释实验现象，了解水与冰的相互转化在冻豆腐过程中的作用，这其实就是水的凝固和溶化这两个过程。根据实验，学生可以更加深刻地理解凝固是物质从液态变为固态的过程，而熔化是物质从固态变为液态的过程。并且，学生也能了解“从物理走向生活，从生活走向物理”的内涵。

实验三：研究不同液体的冷冻情况，这是本章知识的扩展内容。在四个透明的杯子中分别装入等量（100 ml）的水、牛奶、糖水、食盐水，然后将它们放入冷冻室内，每隔一段时间打开电冰箱观察液体的状态。观察它们的凝固点是否相同？再用不同浓度的食盐水进行实验，看看食盐水的凝固点与其浓度有没有关系，有什么关系？这个实验主要是让学生理解凝固点这个知识点，理解不同物质的凝固点是不同的。通过这个实验，学生不仅亲眼见证凝固的现象，直观感受各个液体的凝固过程，加深对凝固这个知识点的认知，而且能够对不同浓度食盐水的凝固点不同的原因进行延展性思考。

在实验教学中，教师往往忽略课堂外学生的实验学习过程。因为在大多数教师和家长的眼中课后的非常规物理实验会占用学生的学习时间，而学生在完成非常规物理实验作业的过程中，经历自己动手制作或体验的过程，并运用了多种感官，能够深刻记忆实验涉及的相关知识内容。此外，学生通过非常规实验知晓规律产生的事实根据和适用条件，弄清相关制作的基本原理，对物理知识的理解比较深刻。整个过程看似需要花费一定的时间精力，实质上是一种高效的学习方式。[3]

（二）“浮力”

“物质”“运动与相互作用”“能量”主题涉及物理学三个基本内容领域，是培养学生物理观念、科学思维、科学探究能力、科学态度与责任感的重要载体。“浮力”作为“运动与相互作用”二级主题“机械运动与力”中的重要教学内容，《义务教育物理课程标准》（2022年版）要求做到：通过实验，认识浮力，探究并了解浮力大小与哪些因素有关，知道阿基米德原理，运用物体的浮沉条件说明生产生活中的有关现象。[2]

在常规的教学中，教师选择通过展示图片引入浮力的概念，接着演示书本上提供的“测量铝块浸没水中所受的浮力”实验解释浮力产生的原因。但是，普通的图片以及书本上已经出现过的常规实验无法激发学生的学习兴趣并使其完全投入课堂中。为了更生动地引入新课教学以及在课堂中学生直观感受浮力，从而更好地理解知识点，教师可以设计一系列的非常规实验，需要准备的实验器材如下：乒乓球、剪去瓶口的塑料瓶、瓶口比乒乓球略小的塑料瓶。

教师先将乒乓球放入剪去瓶口的塑料瓶中，如图1所示。学生在不用任何夹取、吸取工具以及不倾斜、不倒立瓶子的前提下思考如何取出乒乓球。教师通过这个简单且超脱课本的非常规实验不仅能够在课堂初始吸引学生的注意力，促使学生在生活化的情境中思考解决问题的多种方法，而且能够利用学生的回答，自然不突兀地引出“浮力”的概念。

随着课堂的逐渐深入，教师为了让学生更好地理解浮力产生的原因，可以依次进行以下两个非常规实验。

实验一：教师拿出瓶口比乒乓球略小的塑料瓶，去掉底部，瓶口朝下放入乒乓球，如图2所示。学生观察此时乒乓球的状态。教师在此状态下抛出问题“如果在瓶中加水，乒乓球的状态又会如何”，多数学生基于生活经验可能会猜想“乒乓球会在瓶子里浮起来”。教师为了验证学生猜想在瓶子中加水，结果发现在瓶中加水后，乒乓球并没有如学生猜想般从瓶子里浮起来，而是被压在瓶口，此时可以观察到瓶口处有水漏出，如图3所示。结合实验现象以及浮力概念，学生在教师的引导下思考并得出结论：加水前，乒乓球的上下表面均受到空气的压力，随着水的注入，乒乓球的上表面将受到水的压力，而下表面仍然只受到空气的压力，并且水给乒乓球的压力会大于空气给乒乓球的压力，所以乒乓球不会浮起来。

图2

图3

实验二：在图2的基础上盖上塑料瓶的盖子进行第二个非常规实验。随着水的注入，学生将发现当乒乓球下方的水积满时，乒乓球上浮，如图4所示。结合前面所学到的知识，学生经过交流讨论后可以得出结论：当乒乓球下方也积满水时，乒乓球不仅受到水对它向下的压力，也受到水对它向上的压力，而且乒乓球上浮说明向上的压力大于向下的压力。这个压力差就是浸没在液体中的物体受到浮力的原因，而且浮力的方向向上。

图4

课堂上教师通过设计层层递进的非常规实验讲授知识点，在演示过程中，学生能够代入真实的情境层层深入思考。直观形象的实验现象在帮助学生纠正错误前概念的同时，也使学生清晰地理解浮力产生的原因。通过实验一与实验二结果对比，学生也了解产生浮力的一些关键性条件，进而对浮力产生的过程中物体的受力情况也有深刻理解。将非常规实验一与非常规实验二中不盖盖子而产生不同结果的现象引申到生活中，学生体会细节的重要性，将物理知识与生活智慧相关联，从而达到“从生活走向物理，从物理走向社会”的素质教育目的。

新《义务教育物理课程标准》的主要思想为：培养以学生发展为本，坚持全体学生全面发展，关注学生个性的健康和可持续发展。学生体验物体在液体中确实要受到浮力的作用，并引导学生寻求测量物体所受到浮力大小的简便方法。这样学生不仅能学到知识，而且能学会解决物理问题的方法，形成物理思维。将课堂还给学生，能体现学生的主体地位。学生从现有的知识水平出发，通过两个实验，不断思考，提出可能影响浮力大小的因素。教师可进行因素归类，就各个独立的可能因素，让各小组讨论课题。学生通过团队协作，进行方案设计，并对设计的方法从理论上的正确性、操作上的可行性进行全班交流讨论。学生动手进行实验探究，经历知识建构过程，能加深对知识的理解。由浮力的大小跟液体的密度和排开液体的体积有关，到得出阿基米德原理，要经历一个思索、推导的过程。这一步一定要有，这样才符合认知过程。通过对数据进行分析，学生能锻炼自己的归纳能力；通过小组合作，学生有交流与合作的意识。评估可放在同一课题出现分歧的讨论过程中，小组实验结论错误的最大可能会出现在控制变量上。科学探究应渗透在教学的各个环节中，本节教学只是落实新的《义务教育物理课程标准》的尝试。真正落实《义务教育物理课程标准》所提出的三维目标，教师还需充分发挥课堂教学潜力，多角度、多方位地为学生提供探究性学习的机会。

三、结束语

随着《义务教育物理课程标准》（2022年版）明确提出“实验是物理课程改革的重要环节”“从生活走向物理，从物理走向社会”。[2]实验在物理教学中的地位得到重视，同时“面向全体学生，关注学生个体差异”的建议意味着传统的物理实验教学模式已经无法满足促进学生全面和谐发展的要求。在信息技术飞速发展的今天，厂制实验仪器越来越精密，各类虚拟实验软件层出不穷，但是不同于前两者，非常规实验凭借其简易的实验器材，不刻板的实验操作带给学生不一样的实验体验。非常规实验能够突出物理的奇妙，激发学生的好奇心与学习兴趣，学生不再是知识的接收者，而是知识的发现者。然而，国内对于非常规物理实验的研究还有很长的路要走。如何与时俱进开发出更多的非常规物理实验以及如何克服课堂限制，将非常规物理实验更有效地融入课堂和课外生活等问题将是我们继续探索的重点。