初中物理开放性实验创设的方向与方法

郑 莹

(深圳市龙岗区布吉中学，广州 深圳 518112)

开放性实验相对传统实验而言，不受时间、地点、器材、内容、方法、步骤等限制，倡导学生自主设计实验，使实验的内容和形式、方式和方法革新，从而产生新的实验方案。引导学生探究新的实验问题，采用新的器材和资源，尝试新的实验方式、方法，得到新的实验结果，形成新的实验成果和产品。可见，实施开放性实验是培养学生创新能力的有效途径和主要抓手，而如何开发开放性实验、如何找寻实验创设的方向与方法则是实施开放性实验教学的首要问题和切入点。

一、开放性实验创设的方向

实验主题的方向是实验的重要标签，因此，要进行开放性实验创设，首先需明确实验内容开放的方向和领域，使实验开发的思维和方法更切实有效。本文推荐从生活、生产科技、学科交互三大方向入手创设，并列举相应的案例，以求增加实验内容的深度和广度，使实验研究的主题更深入和拓展。

1.实验向生活开放

科学源于生活，应用于生活。向生活实验方向开放，意味着引导学生从身边处、于生活中创新，结合生活实践经验，灵活自由地设计一些取材方便、操作简易、现象明显的实验。如生活中家用电器的使用、用牙刷毛探究摩擦力方向、用气球研究压力作用效果等，可实现人人、处处、时时随手创。如图1所示，用生活中放大镜、带图案的塑料膜、纸筒、手电筒探究投影仪原理，制作投影仪模型；在饮料瓶内安装一小电风扇就变成吸尘器模型；用干电池、铜导线、强磁铁，制作玩具电动机模型。

图1 生活中实验模型

2.实验向生产科技开放

随着科技的发展，生活中会遇到越来越多的高科技产品和新材料制成的用品，实验资源要向生活开放，更要向生产、未来技术开放，开发与生产科技、前沿科学接轨的实验，使物理实验教学跟上时代发展的步伐，具有时代特色。对于演示类型创新实验的设计朝向高科技方向发展，有利于学生形成科学的方法和态度[1]。新型材料如强磁铁、变温粉、低熔点合金、半导体制冷片、超导材料等，可以呈现不一样的实验现象，从而激发学生的兴趣，引发学生的思考；高科技产品如传感器、手机功能键、激光枪、测温枪等，也已逐渐被应用到实验创新中。

如在人教版九年级《物理》十三章第2节“内能”教学中，教师演示做功改变内能的实验(如图2(a)所示)，在一个配有活塞的厚玻璃筒里放小团硝化棉，用力把活塞迅速压下去，压缩空气对物体做功，物体内能增加，需增加很大内能，棉球才被点燃。有些教师把握不到“用力迅速压”动作，实验成功率不高。如图2(b)所示，改用变温粉，降低对内能的要求，做功内能增加一点，温度升高一点，变温粉就会变色，待温度降低一点变温粉回复原色，还可反复实验多次，实验成功率高，延长观察时间。又如，利用半导体制冷片可制作温差风扇[2]。当直流电通过两种不同半导体材料串成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸热和放热，也就是通直流电可制冷制热。可以想象推理，逆向思维：若有冷热温差，这个温差热能就可以转化为电能产生电使风扇转起来。如图2(c)所示，分别将这种制冷、制热片加在铝片(面积大、导热导电效果好)上，再分别将其插入装有冷水和热水的烧杯里(冷水和热水的温差要大)，将铝片和电动机风扇组成闭合电路，电路不需接电池风扇就能转起来。

图2 演示实验

3.实验向学科交互开放

物理开放性实验的创设应注意利用物理实验与其他学科间知识与技术的渗透，提高解决问题的能力，发展创新思维。随着STEM教学理念的兴起，综合实践课程及教学将是未来发展的趋势。因而开放性实验教学更应关注实验的实践性和综合性，重视各类学科在实验中的融合与渗透。如：实验中数据的选取与处理，化学电池的制作，光合作用中能量的转化，显微镜、望远镜的原理与制作，比热容与气候温差的关系，语文中对相对运动和反射折射的描述，分子扩散与国画的渲染，体育运动中惯性、平衡力、摩擦力、重心，等等。

二、开放性实验创设的方法

1.用实验设计带动开放

让学生自行设计新的实验方案和步骤，使每位学生为解决相应问题而设计不同方法，从不同的角度、不同的层面进行思维创造性活动，并注意实验设计过程的多种可能性分析，养成多角度、多方法思考问题的习惯。

(1)发散设计。一个物理原理可用多个实验探究，一种器材可探究不同物理原理和现象，同样原理同样器材可用改变实验条件进行探究，同样原理同样器材同样条件可换不同方式操作，等等。如，气球能做什么实验？力的作用效果、形变、气体压强传递、流体流速与压强关系、浮沉条件、反冲运动、静电、大气压、摩擦力等都可用气球探究。同样，一支铅笔，可以做惯性现象、寻找物体重心、探究摩擦力大小因素、密度计制作、导体绝缘体等二十多个实验。

(2)对比设计。对比设计实验主要用于对比究因。例1，按顺序敲装不等量液体的酒杯，跟敲装不等量液体的水瓶，音调的变化截然不同。例2，将硬币放入玻璃皿至看不见的位置，将水倒入，折射后看见硬币；将硬币放入玻璃瓶至看见的位置，将水倒入，折射后看不见硬币。例3，用集气瓶装点水或沙子，点燃少许棉花放入瓶内，迅速将剥皮的熟鸡蛋放瓶口密封瓶口，此时瓶内气压小于外面大气压，鸡蛋被气压入瓶内。接着将此瓶身置于热水中，此时瓶内气压大于外面大气压，鸡蛋被推出瓶外。例4，拿一玻璃漏斗，口朝下，用手将乒乓球放玻璃漏斗内托紧，分别通过漏斗管往漏斗内吹气、吸气时，松开托住乒乓球的手，看到乒乓球都没有掉下来。例5,将空可乐饮料罐投放水里，饮料罐漂浮，用剪刀将饮料罐剪开再投放水里，饮料罐下沉了。

(3)模拟设计。模拟设计一般是用实验模拟现实生活中不易见到的自然现象或是社会生产高科技中学生不易理解的物理应用等。如模拟海市蜃楼、模拟跨步电压、模拟光流等实验，而实验模拟生产技术则更多，如模拟电动机、磁悬浮、吸尘器、潜水艇、温度计、气压计、望远镜、显微镜、交通违章拍摄、光控声控开关等，生活、生产中大部分技术可以实验模拟。

(4)变式设计。变式实验可以是同样原理同样器材同样条件的实验换用不同方法操作，也可以是将实验的某个器材更换，或是将实验的某个条件更换，探寻实验的不同方式及相应现象、结论的变化。变式实验在实验习题的练习中应用较多，可将这些实验习题描述的情景设计为实物操作实验。如，用天平和量筒测盐水密度的实验变式设计为借助水只有天平没有量筒测量盐水密度的实验，或是借助水只有量筒没有天平测量盐水密度的实验。又如，伏安法测电阻实验变式设计的方法有：只有电流表和一已知电阻测电阻的安阻法、只有电压表和一已知电阻测电阻的伏阻法、利用滑动变阻器和电流表测电阻的安滑法、利用滑动变阻器和电压表测电阻的伏滑法、利用滑动变阻器替换被测电阻使通过电流相等测电阻的替换法。每种实验设计方法还可以设计不同电路图。例如，在人教版九年级《物理》二十章第4节电动机教学中，教师演示实验：磁场对通电导线的作用。如图3(a)将粗铜导线用支架架起，铜导线放入U型磁铁内，电池给铜导线通电，观察铜导线运动方向并据此判断铜导线受力方向；改变磁极方向或改变电流方向，观察铜导线运动方向的改变；同时改变磁极方向和电流方向，观察铜导线运动方向不变，理解安培定则。如图3(b)，将粗铜导线换成细铜导线，观察细铜导线在磁场受力运动是否明显，记录实验结果：通电细铜导线在磁场受力小，运动不明显。如图3(c)将细铜导线改成铜线圈，重复实验，观察通电铜线圈在磁场中受力运动与电流方向、磁场方向的关系是否跟通电粗铜导线一样？记录实验结果：改变磁场方向通电铜线圈在磁场中受力运动方向改变。上面通电导体(固体)在磁场中受到安培力作用，磁场方向、电流方向、受力方向的关系符合左手定则。通电固体在磁场中受力，那么通电液体在磁场中会不会受力？液体若受力作用将会怎样运动呢？为比较通电固体和液体受力作用的情况，将上面实验中固体铜导线改成能导电的液体,如海盐水(导电效果好)，还需用到强磁铁。用玻璃皿装海盐水放在强磁铁上面，用粗铜导线(不能用铁导线，细铜导线不明显)将电源正负极接到海盐水中，电源两极放玻璃皿液体内两侧，可看到海盐水分别绕两电极旋转起来！改变磁场方向，液体旋转方向改变，调换电池两正负极，液体旋转方也改变；将电源一极放玻璃皿中间，另一极放玻璃皿内一侧，观察液体绕中间电极旋转。同样，改变磁场方向或更换电池正负电极，观察液体旋转方向是否相反；将电源负极接线的铜导线改为一根粗铜导线做成的线圈，线圈大小比玻璃皿小些刚好能浸没在海盐水中，电源正极接线的铜导线放在线圈中间，重复上面实验，液体绕中间电极旋转速度更快，如图3(d)，同样，改变磁场方向或电池电极方向，液体旋转方向改变。若单独改变磁极方向或改变电流方向，海盐水旋转方向会改变；若同时改变磁极方向和电流方向，海盐水旋转的方向就不会改变。

图3 演示实验

2.用实验器材带动开放

在课本中，实验较为单调和枯燥，所提供的实验器材、方法、步骤都“是照葫芦画瓢”，限制了学生的思维活动空间，最普遍现象是仪器本身就限制了学生的实验方法(如用天平量筒测盐水密度、用电压表电流表测电阻等)，使学生思维的空间和方式定势在固定的器材上，不能多种方法思维，从而使得实验的态度、空间、环境、课程、资源、设计等不能灵活自由多样，无法促进学生兴趣、个性、潜能的发展。开放性实验的器材和资源应是实验室器材、生活实验器材、新材料高科技产品的灵活应用。

如人教版八(下)第十章第一节“浮力”，教学浮力产生的原因，利用课本图示，说明浮力产生原因是液体中物体受到液体上下表面的压力差。因此学生经常会误认为液体内的物体都会受到浮力的作用。改做生活实验探究浮力产生的原因(如图4)：割取大瓶矿泉水塑料瓶上端，倒置并放入乒乓球，将塑料瓶开口插入玻璃杯中，接着往塑料瓶加水，水沿乒乓球四周缓缓流入玻璃杯中，乒乓球底部没有触碰水，乒乓球在水下面没有浮起来，说明液体中的物体不一定受到浮力作用。待流水在玻璃杯积留至乒乓球底部，乒乓球底部触水才会受到水的向上托力，此时乒乓球受到浮力作用立即上浮至水面漂浮。

图4 实验探究浮力产生的原因

图5 制作分子力画

如制作分子力画实验：准备国画的墨汁和宣纸，用筷子将一滴墨汁滴到水面，墨汁带油性，入水后部分分子在水面运动，将宣纸盖在水面上，墨汁分子的运动“行踪”就印画在宣纸上了(如图5)。还可以将水改为浓盐水延长墨汁漂浮的时间，用棉签在墨面上“作画”，印出美丽图案，或改用彩色油墨还能印一幅分子运动绘制的彩色画，把分子运动的“行踪”画出来。

3.用实验产品带动开放

开放性实验教学应重视各类实验方式和方法的综合运用和发展。实验注重联系生产、生活中的实例，提出一些实际问题或现象让学生观察、测量、究因，解决真实问题，即学即用。物理实验除了能引导学生通过实验现象理解物理知识、规律，更可以让学生运用物理知识创造、实践实验产品，以解决困难、问题的态度，使学生自主地对实验进行开放性创设。

例如，一些社区停车场在遭遇水灾时部分车辆受损，可抓住此类事件引导学生观察停车场进水、排水系统，测量安全警告水位，设计制作水位报警器，使开放性实验成为即学即用的实验实践活动。又如，到了沙漠，可以利用半导体制冷片制作智能造水杯，将导体制冷片安装在水杯内层，用充电宝或太阳能转变成的电能给半导体制冷片通电，制冷片就能制冷，水杯内层温度降到一定程度，空气中的水蒸气遇到水杯内层就液化，水杯就能“凭空造水”。

在开放性实验中，教师是启蒙者，学生是创设者。要让学生学会自主创设实验，需要教师熟知开放性实验创设的方向与方法，从而科学性地引导学生提出问题，自主探究，使学生的思维被启动和构建。在开放性实验创设过程中养成多维度多层次思考问题的方法和习惯，拓展思维空间，提高思维品质，寻找创新灵感，像科学家一样实验实践，这也是实施素质教育的重要途径。