中学物理实验创新的实践与思考

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物理实验教学是实施物理教育的重要载体，是素质教育的重要组成部分. 实验教学能帮助学生形成严密、科学的物理概念，理解和巩固物理知识，有利于提高学生的操作技能，培养学生观察现象、分析问题、讨论辨析、应用物理知识解决实际问题的综合能力，培养学生严肃的科学态度和研究问题的能力以及创新才能.如何让物理实验在新课程教学改革中更显风采，为课堂教学锦上添花？

一、 倡导低碳理念，变废为宝――实验生活化

物理教师不应满足于物理实验的已有效果，而应致力于提高实验的稳定性、操作性和可见度，在教学实践中激发实验改进的动机，用学科知识分析问题解决的思路，在生活中探求实验改进的途径.

“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”成了开发实验资源的真实写照. 可乐瓶改装的弹簧振子阻尼振动演示装置（如图1），以及用日光灯镇流器制作的千人震，均给学生留下了深刻的印象. 这样，对失去使用价值的废物进行修整、改进，甚至进行解剖和重新组装，将其改造成教学资源，正好适应循环经济、节约型社会的时代潮流，用实际行动践行了低碳实用的环保理念，是对学生具体而深刻的技术教育和人文教育.

针对静电学实验的可见度低、易漏电等困难，我们先后研制了系列实用的实验器材，如“八宝粥罐”导体圆筒（如图2）、“怒发冲冠帽”、PVC电工套管和塑料布摩擦起电器等等，这些其貌不扬的自制教具、仪器，尽管比较粗糙，但它们在课堂教学中却神通广大，破解了难点，解决了问题，效果很好.

实验改进的灵感来自不懈的探究与思考，实验创新要求我们慧眼独具. 如传统的曲线运动速度方向演示实验效果欠佳，如何改进呢？有次无意间发现了磁性橡胶，一个新的实验方案在脑海中形成：把几段磁性橡胶弯成曲线轨道，吸在水平铁板上，然后用粘有红墨水的鼠标球沿轨道内侧运动，观察鼠标球脱离轨道后的运动；去掉一段磁性橡胶后，重复上述操作，可以发现鼠标球脱离轨道后均沿切线运动. 本实验中鼠标球的运用可谓是独具匠心，因为其吸水性适中，留下的运动轨迹清晰且均匀，这是通过比较多种器材后才确定的最佳选择，不正说明每个实验细节的改进和创新都包含着多少艰辛？

物理知识源于生活，具有鲜明的生活性和实用性，因此，在物理课堂教学中，应尽可能创造条件，使学生感受到物理知识及其应用就在身边，激发他们自觉应用物理知识解决问题的兴趣.

二、 改进实验装置，推陈出新――实验精细化

教材提供的实验方案并不一定是最佳方案，在教学中应该精益求精，力臻完美，如《探究功与速度变化的关系》一课中，教材中使用了如图3所示的实验器材. 该实验原理简单，装置也不复杂，但在实验操作过程中，却难以取得令人满意的效果，主要存在以下问题：

（1） 难以保证小车做直线运动，从而导致纸带上的点迹不在同一直线上，同时，增大了运动中的阻力，实验精度低.

（2） 橡皮筋恢复原长后，处于小车运动的前方，容易阻碍小车的运动.

（3） 弹力做功采用倍增法的前提是每条橡皮筋在操作中做功相同，如何才能保证这些规格相同的橡皮筋在实验过程中形变一致？

在教学实践中，通过对教材提供实验方案的改进，自制了如图4所示的实验装置：

（1） 用轨道代替了木板. 这样既减小了摩擦阻力，更重要的是保证了小车的直线运动；同时，当橡皮筋恢复原长后，会自行落到轨道之下，解决了橡皮筋影响小车运动的问题.

（2） 为保证橡皮筋在操作中做功相同，设置放手位置的标志，橡皮筋条数增加后而放手位置不变，即可实现橡皮筋在实验过程中形变一致.

由于成功地克服了诸多缺点，学生在分组实验过程中，操作方便，结论准确，效果良好.

三、 探究科学玩具，激趣增色――实验趣味化

“科学玩具”是指体现娱乐性并蕴涵着丰富科学内涵的玩具，集科学知识与设计技术于一体. 学生在参与活动过程中，不仅有利于他们理解和巩固物理知识，培养联系实际的能力，而且还能丰富知识、开阔眼界，激发他们探索新的物理现象和规律的兴趣，是课堂教学活动的重要补充.

怪坡现象曾引起人们热议，因为在怪坡上物体由低处往高处看似轻松自如，而从高处往低处却显得十分艰难，其怪因引起了许多同学的兴趣和探究冲动. 好奇心是最好的老师，为解释怪坡现象，可自制如图5所示滚轮装置，进行模拟演示后，引导学生初步分析怪坡现象的成因，鼓励学生上网查阅相关资料，组织小组讨论，开展研究性学习，并对此作出科学合理的解释.

魔罐（如图6）外观看似一听普通的饮料，其实却不寻常：让其在水平桌面上滚动，速度逐渐变小，最后竟反向运动，神奇地回到出发点.如果有人质疑桌面是否水平，可以换方向重复前面的演示，结合实验引导学生通过看外形，猜想结构，进行讨论，去伪存真、由表及里. 其实正是因为巧妙地运用了机械能守恒定律，实现动能与弹性势能的相互转化，使其变得神秘，显得神奇. 让所学规律接受实践检验，从而使学生在知识运用过程中，获得更深刻的认识或展开进一步的探讨.

滚轮装置和魔罐实验密切联系实际，为物理课堂教学开窗，与应用实践搭桥，这样，规律学习过程中，重视学生的情感体验，本着开发学生智力、发展学生能力进行科学玩具的研究，通过自制科学玩具的研制，激起学生的好奇心和学习兴趣，鼓励学生参与课外小制作，引导他们从学习物理到探究物理，全面培养学生科学素养和技术素养，让学生从课堂走向生活，从生活走向物理，从物理走向社会.

四、 接轨现代科技，如虎添翼――实验科技化

数字化信息系统，是集实验数据采集、显示、分析、处理等功能于一体的实时智能化实验系统，是运用现代信息技术进行教学的一种手段.其特点是数据采集迅速，数据分析准确，曲线拟合合理；数据容量大，图形清晰直观，能显示难以观察的过程，在物理课堂教学中，特别是在实验探究中更能大显身手. 数字化信息系统的开发和普遍使用，进一步凸显物理实验的教育功能，大大拓展了学生研究的视界.

从物理学科特点出发，开展利用“数字化信息系统”的实验研究，同时与研究性学习和科学实践活动结合起来，自主设计实验，改进传统实验，挖掘其实验功能，在物理教学中有很大的施展空间，拓展了高中物理实验创新的新途径. 如在“作用力和反作用力的研究”的演示实验中用力传感器代替弹簧秤，当同学对传感器拉或顶时，屏幕上可以实时显示两个传感器的相互作用力随时间变化的曲线（如图7），实验结果一目了然，过程清晰可见，结论令人信服.

在《简谐运动》中探究弹簧振子的位移图象时，教材中介绍的频闪照片以及数码相机频闪摄影两种方法，都存在拍摄难度大，数据处理复杂等问题.在教学中，笔者利用数字化信息系统改进了该实验（装置如图8）：在气垫导轨上放置滑块（先取下滑块上的小“风帆”），其两端各连接一轻质弹簧，滑块上固定位移传感器发射装置，将位移传感器接收装置与数据采集器相连，将实验所测数据实时输入计算机，再以时间为横轴，以位移为纵轴，作出弹簧振子的位移图象（如图9），使弹簧振子运动过程中位移与时间关系一目了然. 数字化信息系统的引入，简化了实验操作，突出了弹簧振子运动过程中位移与时间关系的研究，可见度大，可信度高，有效地提高了课堂效率.

另外，在研究阻尼振动时，只要在该装置的滑块上插上一叶“风帆”以增大阻力，利用数字化信息系统可以非常直观地显示阻尼振动中振幅的变化（如图10），效果明显.

如“用单摆测重力加速度”的实验中，用光电门探头代替秒表测量周期，实验操作方便，也便于数据的统计和处理；又如在电容器的充、放电的实验中测量放电电量，这是传统实验方法无法完成的实验任务，而对数字化信息系统来说，简直易如反掌，优势明显.

五、 开展实验设计，学以致用――实验探究化

学生实验有利于提高学生实验操作技能，但要培养学生的探究性研究能力，必须加强学生实验设计训练. 在学生掌握了一定物理知识和基本实验技能的基础上，教师应根据新课程物理实验教学的要求，有目的、有计划地引导学生开展实验设计，即要求学生按照实验目的和要求，根据已学的实验原理和方法，设计出符合要求和具有创新思路的实验. 其最大优势在于：体现了以学生为主体的实验教学新模式，充分调动学生学习掌握基本技能的积极性；体现了素质教育以人为本的新内涵，是一种培养创新能力的有效方法.例如，学习了热敏电阻和传感器后，可以要求学生设计一个自动控制充电器的电路实验方案，并引导学生积极思考下列问题后再进行设计：

（1） 热敏电阻有哪些特性？这些特性与什么因素有关？

（2） 为什么可以用热敏电阻进行自动化控制？根据热敏电阻和传感器的特性，本实验应着重突破哪些技术要点？

（3） 实验的设计原理是什么？完成本实验需选用哪些器材？

（4） 如何设置实验操作步骤？实验操作过程中的注意事项有哪些？

学生根据以上问题设计出具体的实验方案，经过教师审查后，再由学生利用实验室中的器材独立完成实验，教师及时做好总结与评价. 通过实验设计与操作，使学生的理论知识得到巩固，实验技能迅速提高，并逐步掌握设计实验方案的要领和基本规律，提高实验设计能力和创造才能，从中培养学生的逻辑思维能力、抽象思维能力、创新思维能力和探究性研究思维能力.

物理学知识有着广泛而具体的应用，这就要求教师应积极倡导学生密切联系生活实际，利用物理知识解释物理现象，以及开展力所能及的小实验和小制作.教师可以组织学生尝试电动车自动发电、自来水水位自动控制等方面的技术研究与改进；通过废旧电池的利用和鉴别，科学地使用和回收废旧电池，积极参与绿色环保活动. 结合当前新农村建设，引导学生深入开展楼房供水供电工程、太阳能热水器等方面的调查和小发明、小创造活动，使学生充分认识到力学原理（如平衡、压力和压强等）的实用性，感受到供水、供电的实际操作与设计的重要性，认识到太阳能转换的科学性，激励学生自主设计、发明创造.

小实验、小创造为实验教学赋予了新的内涵，为物理实验增添了时代气息. 通过课外实验活动，一方面扩大了学生的知识面，丰富学习内容，增大思维培养空间；另一方面，有效地激励学生运用物理知识和物理原理积极开展思维活动，逐步提高分析问题、解决问题的能力，使学生的逆向思维、发散思维更加趋向创新，从而丰富创新性研究思维的培养途径，达到课堂实验教学难以达到的教学效果.

实验创新是课程创新的途径与方法，丰富了物理课堂教学资源，同时又为深化课程改革提供驱动力，同时，我们也应认识到实验创新是无止境的，这就要求物理教育工作者做实验创新的有心人，既能因陋就简，土法上马；也能与时俱进，紧跟时代步伐，与现代科技接轨，不断地在提高实验可见度，增强实验的稳定性，加强实验的操作性和直观度上做文章，下工夫，充分发挥物理学科特色，提高物理课堂教学实效.