新课程下微实验的开发与实例

姚峰超，孟现美

(山东师范大学 物理与电子科学学院，山东 济南 250014)

新课程下微实验的开发与实例

姚峰超，孟现美

(山东师范大学 物理与电子科学学院，山东 济南 250014)

摘要：为了适应新课程改革对物理实验的要求，在总结了当前物理实验教学弊端的基础上提出了微实验的模式，给出了定义，描述了特征. 通过探究表面张力的微实验案例，论述了在教学中如何应用微实验，以及可以达到的教学效果，进一步详细阐述了微实验的优势.

关键词：微实验；表面张力；弹性膜

新课程改革下，物理教育倡导“探究式学习”，旨在培养学生实验技能的同时，又能让学生经历科学探究的过程，学习和掌握科学的研究方法，进而培养学生的创造性思维和分析解决问题的能力. 这就对物理实验提出了要求：实验素材要贴近实际生活，实验设计要体现物理思想，实验过程要注重学生主体. 当今物理课堂演示实验显现出了诸多弊端，如：学生课堂主体性缺失，学生对事物的认识也只停留在观察层面；学生实验过于机械，学生只需要按既定程序进行实验，就可得到相应的结果；探究实验过于冗长，步骤繁琐；实验仪器过于复杂，脱离现实生活，等等. 微实验作为新的课堂实验模式，已经开始走入课堂，而且大量的微实验设计实例也证明它既可以满足新课程改革培养学生科学素养的要求又可以改善课堂演示实验出现的诸多问题，受到学生的欢迎，逐渐成为当前物理教学研究及各种教学技能比赛的热点.

1微实验的概念及特征

1.1微实验的概念

新课程改革下的微实验，简单来说就是实验的微型化，是一种为了辅助课堂教学而设计的与教学内容相关，学生能够亲手体验的小实验. 具体来说，微实验就是把小的实验器具，或是生活中常见物品制作的教具，分发给每个实验小组，通过设疑引导学生操作、思考和讨论，从而获得对某一物理现象的定性认识或验证的实验模式.

1.2微实验的特征

微实验的主要特征：

1)过程简短，用时很少，一般不超过5 min，即实验过程“微型化”.

2)小的实验器具或自制教具，即实验仪器的“微型化”，此处的“微”可以指用于制作实验仪器的原材料来源简单，也可以指实验仪器结构简单. 这样因为教具取材方便或本身小巧，可以通过提高教具数量，使每个学生都能亲手体验[1].

3)实验过程体现学生主体性，如果说实验耗时短、仪器简单是微实验的“形”，那么学生主体就是微实验的“意”. 学生不仅可以亲自动手、积极观察、主动探究，又因多采用以实验小组为单位进行，还可以培养学生的分工合作以及交流表达的能力[2-3].

4)操作简便，教师和学生一起，边教边做边总结. 若实验以经验缺乏和思维尚不成熟的学生为活动主体，必将增加实验的盲目性，但因为微实验操作简便，所以教师可以通过巧妙的设计，快速达到教学目的.

2微实验设计及其教学案例

为了更好地理解微实验以及它的优点和应用，笔者通过一组表面张力微实验教学案例加以说明.

2.1实验教具仪器

微实验所用教具如图1～2所示，是自制的带钩子的金属回形针和表面张力探测器，由于器具简单，实际教学操作中，根据实际人数，提供相当数量的教具仪器，供2人1组使用.

图1　金属回形针

图2　表面张力探测器

金属回形针可由金属丝弯折而成，其上留1个用来钩住或捏住的凸起部位(图1中所示的弯钩)，其作用是防止放置小针时水面波动过大，若小针没入水底也可以用钩子勾上来. 使用时金属小针与水面接触面积尽量大，争取其底面能够全部接触到水面. 图2为表面张力探测器. 金属臂与水面接触时，可使水表面形成微小形变，用以观察表面张力. 浮子是用泡沫做的，它依靠自身的小重力和大浮力，使整个探测器上浮. 改变防水橡皮泥的质量可调整探测器的浮力重力差.

2.2实验教学过程

首先将趣味小游戏引入课堂，请学生试着将图1所示的回形针轻轻放到水面上，并使它不会下沉，同时引导学生观察回形针周围水面，发现该处水面发生了轻微的凹陷. 之后，将回形针轻轻按入水里，回形针沉到水底，说明浮力不足以托起回形针. 从而启发学生思考，回形针能浮在水面上说明水面应该还存在其他的力.

将表面张力探测器放到水中，开始它漂浮在水面上，如图3所示. 将探测器轻轻下压，会发现只要探测器金属臂未进入水下，若松手探测器都会再度浮上来，像初始状态(图3)一样，这说明整个探测器浸入水中时，浮力大于重力. 之后将金属臂完全浸入水中，再松手，探测器在浮力作用下仍将上浮，但当其金属臂接触到水面时，探测器却停止上浮，如图4所示. 这时，引导学生观察金属臂周围水面，会看到水面形状发生了微小变化，稍微凸起，像有一层膜阻碍了这个探测器的上浮，即除了浮力重力外还存在另外的力(表面张力).

图3　初始状态

图4　张力探测器悬在水面下

在实际操作中，还可以利用模拟动画来展示探测器每个状态的受力，如图5所示. 借助动画模拟可以引导学生做出错误的假设(即探测器浮上来的假设)，进而引起学生认知冲突.

(a)

(b)图5　动画模拟

将以上2个实验中物体受力以及水面形变情况制成表格(如表1所示)，使学生充分意识到：无论是浮在水面上的回形针，还是浮不出水面的探测器，都是因为受到力的作用，这个力就是表面张力，而且由于表面张力的存在，使得水面有1层类弹性膜的性质. 进而启发学生根据该性质去探究表面张力与分子间作用力的关系.

表1　表面张力现象记录

最后可以结合生活进行拓展，如展示水黾站在水面上的图片，由学生分组讨论为什么水黾可以站在水面上；展示露珠图片，提出为什么露珠是半球状，等等.

2.3教学效果

组成实验组的各个实验相互关联、步步推进，使学生不断积累对事物认识的直接经验，最终顺理成章地用弹性膜的性质去理解水膜的性质，使微观性质通过宏观现象得以形象地描述. 整个实验过程利用科学探究方法，由学生亲自操作，不仅提高了学生的兴趣及课堂的教学效率，同时培养了学生的观察能力和动手能力.

3微实验的优势

3.1突破空间和时间的限制

传统的演示实验，由于教室结构的限制，容易导致教室两侧及后排的学生看不清楚实验过程及实验现象. 微实验可以保证每个实验小组甚至每个学生都有1套仪器，从而人人动手、观察清晰. 而且微实验的每个实验过程耗时很短，不会影响整个教学的节奏，改善因实验耗时太长而导致教学效率下降的情况.

3.2灵活性强

微实验可以用于新课引入，激发学生的学习兴趣，积累一定的直接经验；也可以作为验证性实验，在某个结论得出后，再通过微实验的直接现象给以验证，巩固学生对该结论的理解；针对一些太过抽象、难于理解题目，巧妙地利用微实验，可以使学生加深理解；还可以与不同的微实验或者其他类型的实验组合，互为补充.

3.3实现了教学方式多样化

微实验改变了课堂演示实验“教师做、学生看”的模式，将学生的亲手操作、亲身体验也纳入教学设计，很好地兼顾了学生知识与操作技能同时掌握的目标，丰富了教学过程与方法，同时这种合作式学习模式能够拉近师生之间、学生与学生之间的感情.

3.4更易激发学生兴趣

我们身边处处皆物理，物理与生活本就密不可分. 微实验的仪器制作应本着来源于生活的原则，各种玩具、厨具、文具甚至身体等都可以用于微实验仪器的设计. 工厂批量生产的教学实验仪器是经过反复改进的，可以很好地演示某一物理现象，但是这些仪器与学生的生活相距甚远，有些更是注入了太多高科技成分，致使学生一时难以理解仪器的工作原理. 长此以往，学生会觉得物理规律只存在于物理实验室的精密仪器中，与日常生活并没有交集，不利于培养学生的科学素养. 而取材于生活物品的实验仪器，是学生所熟悉的、触手可及的，往往更能唤起学生的兴趣，降低学生对实验的陌生感. 仪器取自生活，能够培养学生应用物理知识分析解决实际问题的能力，使学生密切关注身边的生活，提高自身的科学素养[4].

4结束语

尽管微实验有诸多优点，但不能将所有的实验都改成微实验，因为不同的实验模式有其不同的教育功能[5]；一节课中微实验不可过多使用，否则会导致教具堆积在学生桌上，分散学生注意力；实验过程中教师应做好引导，合理地设置反馈环节，使课堂处在教师有序地控制之中，使教学过程循序渐进有条不紊. 微实验在新课程下的重新定位，旨在使学生通过充足的直接经验主动建构自己的知识体系. 当前的教育处在不断变化中，微实验的设计也不必拘于形式，只要不脱离中心思想即可. 在未来，微实验仍旧面临着很多问题，如：自制教具数量大，如何安放、共享；微实验能否与网络结合，走出课堂；传统的课堂评价将因微实验作出何种变化，等等，这些问题都需要进一步讨论. 微实验走入课堂已经显现出了它的生命力，在未来作为一种实验模式一定会为课堂的教学添翼助力.

参考文献：

[1]徐斐. 新课标下以自制教具促进物理探究实验[D]. 成都:四川师范大学,2010:10-14.

[2]周钰珊. 关于如何提升体验式教学有效性的思考[J]. 课程教育研究,2015(29)：41-42.

[3]姜红. 关注创新能力培养的主体参与型教学模式构建[J]. 黑龙江教育,2010(7):87-88.

[4]祁国良,曲胜艳,谭晓春，等. 物理演示实验改进之管见 [J]. 物理实验,2015,35(7):19-22.

[5]石书英. 物理实验教学研究[M]. 香港：银河出版社,2002:78-95.

[6]宋金璠,郭新峰,王生钊，等. 微课在大学物理实验教学中的应用[J]. 物理实验,2015,35(2):12-17.

[责任编辑：尹冬梅]

Development of micro-experiment and examples in new curriculum

YAO Feng-chao， MENG Xian-mei

(School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China)

Abstract:In order to meet the requirements of the new curriculum reform of physics experiment, based on the malpractice of current physical experiment teaching processes, a micro-experiment model was presented, its definition and characteristics were also introduced. Taking the experiment of surface tension as an example, the application of micro-experiments in teaching was discussed, and the achieved teaching effect and the advantages of micro-experiment were expounded.

Key words:micro-experiment; surface tension; elasticity membrane

收稿日期：2016-03-06

作者简介：姚峰超(1994-)，男，山东昌邑人，山东师范大学物理与电子科学学院2012级本科生. 指导教师：孟现美(1977-)，女，山东泰安人，山东师范大学物理与电子科学学院讲师，博士，从事物理实验教学工作.

中图分类号：G633.7

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)06-0040-04