例谈基于教材开展家庭实验的创新策略

摘 要：开展倡导学生自主创新的家庭实验，是充分发挥学生主观能动性的学习方式和教学形式，是培养创新人才的重要途径.如何基于教材实验改进、创新实验和引导学生探究新问题？笔者用创新实验例谈五个方面的策略：巧找器材替代、改变实现实验条件的方式、改变实验原理、重视和鼓励发现新现象提出新问题并引导探究、学生自主创新实验.

关键词：例谈;基于教材;家庭实验;创新策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0018-03

作者简介：姬永发（1980-），男，贵州织金人，本科，中学高级教师，研究方向：实验教学、课外开展物理创客实验培养创新素养.

家庭实验是物理实验教学的延续和有力补充.学生在学习新课的前后，以身边的物品、器材展演教材重点实验、学做小实验、自主创新实验、探究问题，并且教师及时评价、引导、运用于教学，从而能够持续保持学生学习兴趣，帮助学生巩固知识，培养探究能力和创新能力，这是充分发挥学生主观能动性的学习方式和教学形式;是培养创新人才的重要途径.学生展演、学做实验是家庭实验的基本内容和基础.对于一些教材上的实验，家中存在无器材、购买器材成本较高的困难，师生若从开展家庭实验的角度创新、改进，就能开展相关探究.家庭实验无论展演教材实验，还是学做小实验，因受学生主观性的影响会有些“意外”的收获，学生自主创新实验情况更多，教师要鼓励学生“节外生枝”，引导学生进行探究从而实现深度学习.如何改进、创新现有实验呢？现例谈笔者的一些做法.

1 巧找器材替代

“工欲善其事，必先利其器.”家庭环境不具备实验室器材，进行网购，在时间、经济、器材规格等方面都存在困难，这决定了开展某些家庭实验就要在家中找一些具有类似功能的物品、材料替代原实验方案中的器材，根据选择物品对实验做一些新设计.思考替代、设计是深度思考的过程，既让学生巩固所学知识、培养探究能力，又能进行创新思维的训练，体验实验智慧.沪科版教材中探究气体浮力实验所用器材：篮球、网、打气筒、气针、气球、杠杆、钩码、细线.步骤：（1）用打气筒给篮球打足气后装入网，系在杠杆一端，并把气球系在气针尾端.（2）在杠杆另一端挂上钩码并移动位置使杠杆在水平位置平衡（如图1a所示）.将气针头插入篮球气门内，让篮球给气球充气，当体积增大到一定程度时，可观察到左端杠杆上升（如图1b所示）.分析：篮球给气球充气，两者总质量保持不变，杠杆左端上升表明空气对气球产生了向上的托力，即浮力.

创新后的实验则是将两个打火机的放气阀门调到最大，放入排出空气的塑料袋后扎紧袋口，替代篮球与气球.实验中打开火机放气阀门给塑料袋充气使其变胀，可观察到此端杠杆上升（如图2所示）.与教材传统实验方案相比，所用器材塑料袋、打火机比篮球、打气筒、气针容易寻找，成本低，器材少，操作简单，学生在家里可以方便地探究气体浮力;教师也可用于课堂演示.

2 改变实验条件的方式

从实验室转移到家庭进行实验，由于环境的局限性，缺乏相应的器材、工具、材料，规格也达不到要求，要实现一定的实验条件，必须另起“炉灶”，靠“山”吃“山”，用“土”办法解决问题.这是家庭实验中学生创新实验特色之路.在探究液体沸点与气压的关系时，教材常采用如图3所示方案：用酒精灯给装有适量水的烧瓶加热至水沸腾，停止加热后迅速在瓶口塞上橡皮塞，倒置烧瓶并向瓶底浇冷水，可观察到停止沸腾的水又重新沸腾.分析：冷水吸收大量的热量，使瓶中气体降温体积收缩，气压变小.温度降低的水重新沸腾，说明气压减小，液体沸点降低.探究此规律，家里找不到酒精灯、烧瓶、橡皮塞，容器只能找到普通的厚壁玻璃瓶.按原方案中方式加热所需时间长，加热、冷却玻璃瓶都极易出现炸裂现象.如何安全完成探究？将玻璃瓶装一半水放入盛水的锅内，加热至锅内水沸腾.用钳子将瓶捞出，用塑料袋包着蘸水的纸巾作塞子塞住瓶口 （如图4所示），将瓶子倒置在戳孔的矿泉水包装膜上（可用其它物品作为支架），在瓶底放上冰块.一段时间后可清楚观察到水重新沸腾，持续时间长（如图5所示），对此现象进行分析得出结论.

本方案根据家庭环境设计，与原方案相比改变加热和冷却方式：用水煮食物加热，瓶子受热均匀;冰块代替浇冷水冷却，瓶及瓶内气体温度降低相对缓慢，防止厚玻璃瓶部分急剧升温、降温快速热胀冷缩出现炸裂现象，保证普通厚玻璃瓶也能完成探究.后者同时让瓶内气压减小相对缓慢，水沸腾持续时间长，且没有浇冷水降温产生的水帘妨碍观察，现象极为明显，增强学生对物理过程的体验.

根据家庭条件设计某个实验研究，对学生创新而言就是新世界，是学习中更高更深的思维训练，学生获得了比知识更重要的研究问题的方法.

3 改变实验原理

实验原理是实验遵偱的依据，是探究的理论基础.受家庭环境的限制，按原方案实验原理无法开展探究，改变实验原理，重新设计实验可以让实验的开展出现“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”的境地.滬科版八年级《物理》探究“浮力与物体排开液体重力关系”实验（如图6所示），原理是用弹簧测力计测出石块的重力G石、石块浸没在水中时弹簧测力计对石块的拉力F，同时收集石块排出的水并测其重力G排;根据F浮=G石-F计算石块所受浮力，利用G排=G总-G桶计算石块排开水的重力，比较F浮与G排的大小得出结论.

创新后的实验.器材：重物、橡皮筋、水、溢水杯（可自制）、薄而小的塑料袋、细线、细铁丝等.步骤：（1）把橡皮筋上端固定在高处，下端系细线和细铁丝制成的挂钩.（2）将重物挂在橡皮筋下端，在其伸长到的地方标记（如图7所示）.（3）将重物放入装满水的溢水杯中，观察到橡皮筋的伸长变短;同时用小塑料袋收集物体排出来的水（如图8所示）.（4）将小塑料袋挂在橡皮筋下端挂钩上，观察到橡皮筋伸长恢复到标记处（如图9所示）.分析：挂上物体排出水后橡皮筋伸长恢复到标记处，浮力托物体的作用效果没有在橡皮筋上呈现出来，说明物体排出水的重力与浮力的作用效果相互抵消，即物体排开水的重力与浮力平衡，物体所受浮力大小等于它排开液体的重力.

传统实验要用到弹簧测力计配合其它器材探究，操作较多;本实验使用橡皮筋、小塑料袋进行探究，一是改变实验原理，由测F浮与G排的大小找出它们的数量关系变成利用平衡力的思想，看G排能否把F浮在橡皮筋上呈现出的效果抵消，思考角度另辟蹊径.二是器材易找，成本低，操作简单，解决家里无弹簧测力计无法探究的难题.学生在学习教材实验后再动手探究此实验，既巩固知识，又拓宽学生的眼界，启发学生思维.

4 重视和鼓励发现新现象、提出新问题并引导探究

学生自主开展家庭实验，因操作、理解、思考、观察都带有主观色彩，学生会在探究过程中发现一些新现象，提出一些新问题，产生一些新想法，做出一些新的尝试或设计，教师要鼓励学生实验 “节外生枝”，积极引导学生探究，“旧瓶装新酒”，赋予原实验新生命，让其焕发新光彩，在这个过程中，培养学生的创新意识和能力.如探究凸透镜成像规律实验，探究问题多、操作多、记录数据多、成像规律多且容易搞混淆，极有必要让学生在家中自主展演进行生态学习.课后笔者让学生在家用蜡烛、凸透镜、自制光屏展演该实验，由于在家实验不受时间、空间的限制，学生有较多时间观察、思考、总结;可探究一些课堂上无法探究的内容，如探究遮挡一部分凸透镜时成像的特点、不同凸透镜成像大小的特点等.探究过程中，学生发现一些新现象，如凸透镜后方会观察到像，经师生分析是凸透镜前后表面反射光形成的虚像，分别是凸、凹面镜成像.用中间镂空成五角星的挡板遮挡凸透镜，光屏中心像的周围还会形成五个较暗的像（如图10所示）.学生到校交流，经反复观察、分析，凸透镜边缘是厚度均匀的玻璃圆环（于光而言可视为不存在），其与挡板五个角处构成了五个小孔，师生讨论认为五个像是五个小孔的小孔成像，并设计实验验证：观察其中一个像，像与物体对应点的连线经过对应小孔;用手堵住该小孔，该像消失;拿掉凸透镜，在对应小孔处放上带有同样小孔的板，得到完全相同的像.

5 学生自主创新实验

学生自主创新实验是指学生根据所学的物理知识、方法、思想，选择和利用身边的常见物品、材料，不按固定的方法和形式设计出具有新意的实验方案.学生自主创新实验对学生要求较高，学生可以通过展演教材重点实验、学做小实验积累基础，从而培养探究能力，在到达一定程度便能开展.学生自主创新实验并非要求学生整个方案都创新，像前文所述在一个实验的一个点、环节有所设计、改进也行，最终过渡到全新的实验方案.学生自主创新实验是家庭实验的高级形态，在巩固学生所学知识、培养学生实践和创新能力方面可以有效达成目标，应大力倡导这一未来最优物理教学途径.

杨振宁说：“物理本身就是现象，物理教学就是让学生‘识物树理‘悟物穷理，没有‘物，便没有‘识与‘悟.”这样改进创新教材实验开展家庭实验能让学生观察到大量的物理现象，经历相关的物理过程、创新过程，能让学生“识”与“悟”，再“识”再“悟”，除了达到让学生巩固知识、培养探究能力的目的外，还能培养学生的创新素养.因此，学生、教师积极设计、思考创新教材实验开展家庭实验是一件意义重大的事情，能让学生生态地学习，让家庭实验真正成为培养创新人才的重要途径，让家庭成为培养创新人才的重要阵地.

参考文献：

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[4]周慧，尤作玲.浅谈初中物理家庭实验[J].中国教育技术装备，2018（03）： 125-126.

[5]姜建孔.课程改革中物理家庭实验室值得重视[J].物理通报，2006（03）：58-59.

（收稿日期：2021-04-13）