论高中物理教学中创新实验的设计与实践

余草芦

摘 要：高中物理教育改革中强调要培养学生的“科学思维”。实验是物理学科的基石，也是激发学生创新意识的重要手段，成为当前物理教学改革的中心要素。文章从物理创新实验的概念及其设计实践的意义上切入，剖析了物理实验教学的特点与优势。随后以鲁科版高三物理教学为例，探索创新实验设计与实践的可行策略，以期能为所在地区的有关物理教学工作者提供可靠依据，从而改善当前物理教学质量，让学生能在创新实验中体会到物理学习乐趣的同时提高成绩。

关键词：高中物理；物理教学；创新实验；设计实践；策略

《普通高中物理课程标准》（2017年版2020年修订）明确要求教学活动中要进一步落实学生的科学思维、创新精神培育。党的二十大报告中提出“创新是第一动力”。创新驱动本质是人才驱动，再次论证了培养学生创新意识与精神的重要性，这对教育内容、教学方法都提出严格要求。物理学科教学过程中，学生的创新个性、创新思维、实践能力与想象力都可依托实验来实现。由此可见，物理创新实验的设计与运用至关重要[1]。

一、物理创新实验概念与设计实践意义

（一）物理创新实验

《物理实验论》指出“物理实验”是研究者使用科学仪器与设备，按预先设想进程开展来探究物理规律的活动。立足于高中物理实验教学的角度来看，它指教师或学生使用实验器材在课堂中（或课外）来观察物理现象，探究或验证物理规律的实践活动。当前实验在物理教学中的作用愈发突出，为适应新时代下创新型人才培养的趋势，新课标中强调了要“创新物理实验教学方式”。物理创新实验指以物理学科为对象，通过探究性实验等培养学生创新精神、意识与思维，深度挖掘出学生创新潜力的实验。关于物理实验的“创新”体现于两点：第一，对实验的创新，例如将原本教材中的实验加以改进，从实验条件、设计、手段上创新；第二，对实验教学的创新，体现在实验教学的设计、实施上[2]。

（二）物理创新实验设计与实践意义

首先，创新实验设计，激发学生兴趣。物理理论枯燥复杂，部分学生学习会有难度，易失去对物理的兴趣。创新实验教学能用生动趣味的方式呈现知识，让学生主动投入探索中。其次，鼓励学生自主探究，培养学生创新能力。物理创新实验教学中学生在课堂上的角色发生转变，不再是以往课堂上的旁观者，而是参与者。学生可运用各种物理仪器与工具来观察物理现象，能很好地激发其潜在创造创新的能力，这也与新课标中“突出学生主体地位”内涵契合。

二、高中物理实验教学现状概述

高中物理对于学生的逻辑思维要求较高，若学生仅仅是对物理理论知识和原理死记硬背，无法达到理想的教学效果。创新物理实验作为有效的教学手段之一，弥补了传统实验的不足，具备突出的运用价值。从实际调查上分析，当前高中物理实验教学现状与问题表现如下：首先，从学生角度上分析。大部分学生对于物理实验的兴趣度高，对创新实验的兴趣更高，但因高中学习压力大，学生在创新实验中的主动性会被削弱；部分学生的创新能力不足，对于物理知识的迁移能力较弱，也并不善于信息的归纳整理，容易依赖教师或其他同学；还有部分学生存在思维惰性，在物理实验中的创新欲望和意识淡薄。其次，从教师角度分析。部分教师对创新物理实验教学缺乏深层次认识，导致物理实验教学流于表面，缺乏思维深度与广度；部分物理教师会过度看重创新实验结果，却忽略实验开展过程，例如：片面地认为只要让学生掌握实验结论，能回答考试题目即可，却忽视了对学生深层思维的激发，很难培养其创新能力；教师重知识传授，轻探究指引，导致学生创新能力不足。部分教师教学有“急功近利”的意识，甚至有“讲实验不如背实验”的谬论，学生长期不动手、不动脑，自然会影响创新能力提升[3]。

三、高中物理创新实验教学特点与优势

创新教育是以继承为基础，学生全面发展为目标的新型教育模式。创新实验教学从以往物理教学中传统的“知识讲述”“填鸭式教学”进行转变，强调对学生的知识、能力与思维的综合培养。物理创新实验教学的特点有三：第一，教学要求层次性。不同学生在物理知识基础、认知水平、学习态度多方面差异突出，创新实验教学能结合不同层次学生提出差异性的教学要求与任务，让教学工作更具针对性，例如教师可将物理实验项目分为选做、必做不同类型。第二，学生学习的探究性。物理创新实验内容往往会涉及多个章节的知识，要求学生在实验中要自主探究分析，从以往的“要你学”转变为“我要学”。第三，信息交流的互动性。创新实验教学突破了传统教学的单一化模式，促使师生间、生生间在教学过程中围绕着实验来沟通，激发学生兴趣。

创新实验教学与传统实验教学相比，具备优势如下：首先，有利于学生知识建构与综合能力培养。实验教学具备理论验证、技能训练、探索研究等功能，能更好地帮助学生构建物理知识体系。1.理论验证功能，即学生能借助创新实验去验证相关理论知识，实现巩固。2.技能训练功能[4]。3.探索研究功能。实验中学生观察、记录、处理数据，分析、归纳整理等过程，能训练其科研能力，激发其探索意识。其次，有利于激发学生学习积极性。创新实验教学注重实验的科学化设计和学生深入探究的过程，有效引导学生动手动脑，发挥学生实验过程中的主动性与创造性。

四、高中物理教学中创新实验的设计与实践策略

（一）遵循创新原则要求，明确实验设计与实践的流程

在实施物理创新实验教学前，要先深入了解它與传统实验的区别，从而在设计与实践中遵循相关原则并按照流程实施。如下表1所示，是整理出来的物理创新实验与传统实验的差异表。在实验设计与实践中要遵循的基本原则有：第一，创新性。实验教学可从多元化的角度来实现创新，例如将生活中常见的物品转变为实验教具，让学生眼前一亮，激发学生思考的积极性；又如搭建创新的实验情境，让复杂的物理知识被简化。第二，实用性。教师要明确物理创新实验并非为了“创新”而创新，要确保将物理实验的现象与结论等知识传递给学生。第三，亲和性。物理创新实验中的仪器可从学生生活中选取，且营造出师生、生生思维碰撞的契机，让学生体验到研究过程的曲折。高中物理创新实验要满足相关要求，如便于学生观察，有冲击力，同时还具备良好互动性，能突出教学课程的重点。作为新时期下的物理教师，要明确创新实验的设计和实践基本流程，分别有：前期分析、实验设计、实验制作、实验运行、效果评估，并按要求逐一落实从而确保教学效果，有效培养出学生在物理学科中的创新能力[5]。

（二）轉变传统教学理念，营造良好创新实验教学氛围

创新实验设计与实践中，物理教师教学理念及整体教学氛围都是确保实验顺利的基础条件。物理教师要具备更专业的教学能力和良好的学科素养，能端正教学思想，转变以往的教学思路。例如：在学生实验动手操作的阶段，要循序渐进地加以引导，并提出问题让学生主动去思考探究，做好学生的启迪；又如：在教学的材料准备、流程设计中教师也要主动转变观念，强化实验教学的趣味性。与此同时，物理教师要努力构建出适合创新实验教学的良好氛围，鼓励学生参与其中。例如：为创新实验精心设计出导入语，奠定教学氛围；在实验设计阶段教师要留给学生思考的空间，让学生自主地去归纳和实验有关的课程知识点，激发学生学习热情；教学中通过巧妙点拨、结合时代信息，也能优化实验教学的气氛。以教学鲁科版选择性必修“固体与液体”为例，教师可精心设计，运用古诗词来导入。分别用“波中植甚固，磔磔如虾须”“花自飘零水自流”来分别让学生掌握固体、液体的特征，为创新实验教学开展打下基础。同样，以教学选修课3-3第六章《能源与可持续发展》为例，教师可为学生列举出奥运体育馆“水立方”膜结构（外围材料：环保节能ETFE四氟乙烯膜）、世博会“阳光谷”的采光通风新技术、江水源热泵生态技术、冬运会电子火炬减排措施等多个案例，将社会信息引入物理知识教学中，为创新实验教学创设出良好情境，从而在传授物理知识、激发学生大局观的过程中，营造出良好的实验氛围，活跃学生在实验教学中的思维。

（三）细化创新实验环节，放大实验要点加深学生记忆

物理教学创新实验中要细化并改进实验，帮助学生强化记忆和理解。以教学鲁科版“分子动理论与气体实验定律”中的第二节为例，在“油膜法估测分子大小”的测量实验中，可通过改进实验环节，并放大实验细节等方式来加深学生记忆。相关实验步骤如下：1.准备好浅盘并用稀释的酒精溶液清洗，再用清水过滤，确保消除油污、粉尘等；同时还提前准备了注射器、量筒、塑料水槽、玻璃板（30cm×30cm）、坐标纸、痱子粉等器材。2.配置酒精油酸溶液，将1ml油酸置于200ml容量瓶中，随后注入酒精，直至容量约200ml并均匀摇动。3.指导学生计算纯油酸体积。4.往浅盘倒约2ml的清水，撒上痱子粉，滴油酸酒精溶液，待其形成薄膜（如图1）。5.将油酸膜形状用彩笔画在玻璃上。6.将玻璃板放在坐标纸上，计算其面积。7.根据每滴油酸体积与薄膜面积来计算油酸膜厚度，即分子大小。实际操作中存在撒粉、滴液控制、计算等方面的问题，物理教师可改进实验。例如：部分学生撒粉过厚或不均匀，可借助直径2～4cm的塑料筒（如广口塑料瓶）来解决问题，将筒的口与盖间夹上纱布，轻轻倒立并敲击，从而能解决撒粉质量的问题；为解决滴液中“多滴”“滴成液线”问题，物理教师可指导学生先在水槽旁竖立滴管滴出4～5滴，匀速移动到水盘上方滴入，再迅速移开，简化操作并能让学生明确人为误差对实验结果的影响。通过细化与改进此类创新实验，能让更多学生了解油酸分子的结构特点并掌握“油膜法”的要点，还能初步学会统计法来计算物理量，显著提升物理知识的运用成效。

（四）引导观察实验过程，指导学生分组参与实验操作

为了确保学生在物理创新实验的操作规范性，能及时发现不合适的物理现象后及时纠正，作为物理教师要反复强调教学要点，并重视对学生的指导。虽然高三阶段的学生相较而言独立操作的能力明显提升，但面对各种新奇新鲜的物理知识，学生难免会有紧张的情绪，易造成操作失误的现象。为此，物理教师要拉近与学生沟通的距离，引导学生观察并参与操作。为提升实验教学效率，实验分组是有效的手段之一。教师要结合班级学生物理知识掌握程度、自学能力、实践技能、协调能力与性格特征等来划分小组，并要求各小组要自行安排小组长和组员的分工。例如某同学负责搜集实验资料，某同学负责检查实验工具，某同学负责代表小组向教师和同学汇报实验操作结果等。通过在实验教学中融合小组学习的模式，能在实现创新的同时让学生紧跟教师步伐学习，提升教学效率。以教学选修3-4第五章《光的干涉》为例，教师同样可将学生划分小组，借助“双缝干涉测光的波长”的创新实验来教学。但该章节的相关实验中不但涉及的器材种类较多，且操作难度较大。例如：实验中不仅要安装和调整器材（光源、单缝、双缝、遮光筒等），且学生还需仔细观察双缝干涉的图样，确保通过调节单缝位置等来让双缝干涉的条纹亮度更清晰。在实际的实验操作中许多学生可能存在操作不当等问题，会影响实验结果。物理教师要在此过程中做好组内成员的督促和有效分工，保障学生能相互提醒与指导，最大限度上减少实验操作中的错误，让学生取长补短，最终成功完成实验操作。

（五）加强实验与生活的联系，培养学生物理学科核心素养

物理创新实验设计与实践，要渗透在学生的生活实际中，方可达到理想效果。以教学热力学定律章节“能量的转化与守恒”为例，在实施创新实验教学前要先让学生了解该定律的内涵与生活的联系。该定律中涉及了力学、热学、电学、磁学、电化学等多个领域，解释了自然界中常见的现象。因此在教学中物理教师要加强实验与学生生活的联系并强化点拨，从而帮助学生树立起科学的价值观，形成可持续化发展的观念，有效培养学生的物理学科素养。在实验教学前，先提出问题“为什么水只能从高处流向低处”，学生可通过思考得出结论“能量的转化需要条件”。随后继续提问：“电风扇工作时消耗的电能和电动机获得的机械能是不是一样的？”学习“能的转化”内容时分别让学生完成几种科学小实验：1.准备黑色塑料袋和盆子，在塑料袋中盛满一半的水并插好温度计，将其置于教室窗外使其晒阳光，过段时间后记录温度计的变化。2.让带有太阳能电池的小风扇对着太阳光，促使风扇自然转动。3.用钢笔杆在毛衣或头发上摩擦，靠近碎纸，观察纸片是否被吸起。通过完成生活小实验，能让学生分别总结出光现象、力现象和电现象的联系，并总结出能的转化过程，有效提升教学成效[6]。

（六）探究物理實验原理，构建物理典型模型加以验证

物理教学创新实验教学中，要围绕探究实验原理为宗旨来设计与实践。以教学“光电效应”相关知识为例，提前可准备自制的光电效应实验演示仪器、DIS实验系统、GD-28光电管、发光二极管等来设计实验。结合传统实验的基础上来进行创新与优化。首先，将以往的纯理论教学变为直观化的教学实验，回归到物理教学本质中，帮助学生以实验来剖析原理知识。其次，教师利用传感器等设备来绘制出I-U图像，结合图像法、对比法等综合的教学模式，让学生掌握饱和电流、遏止电压等知识，为与其他物理知识的整合奠定了基础。分步骤实施创新实验：1.无光照的条件下，予以光电管正向电压，观察是否存在光电流，学生结合实验结果回答“无”并做好记录。2.用蓝光照射光电管，增加正向电压，观察电流；随后再照射同时改变成增加反向电压，让学生再次记录下电流的改变，做好记录。3.用蓝光照射光电管，将所增加的电压看作是横坐标，电流值则为纵坐标，让学生尝试探究两者间的关系。4.在步骤3的基础上再次强化光照的强度，分析电压、电流变化。5.将蓝光换作紫光，重复步骤3、4的操作。6.分别改变光强度、光照的时间，用红外线再照射，观察是否存在光电效应。在教学过程中可结合DIS实验系统来记录分析，帮助学生探究不同实验条件下的结果。在实验教学中还可引入相关物理典型模型来实现创新，同时强化学生对物理定律的理解。以“动量守恒定律”为例，教学中可围绕碰撞模型、反冲模型、人船模型等，深化学生理解。

（七）积极运用现代科技，优化物理创新实验实践形式

将现代科技教学手段融入高中物理实验教学是必然趋势。1.多媒体课件。以教学“电子的发现与汤姆孙原子模型”为例，由于该课程复杂抽象知识点较多，为帮助学生理解，便可利用多媒体课件来实施教学，用演示法、启发法的综合教学实现有关实验教学创新。多媒体课件内容可设计如下：讲述物质结构早期探究，包括我国西周时期、古希腊时期的研究成果；讲解德国物理学家发现电子，用图片来展示“阴极射线”；用多媒体课件展示相关实验操作与密立根油滴实验的原理图，用更直观的方式让学生理解。2.几何画板。考虑到部分物理实验存在特殊性，如宏观、微观的、运动极快（或极慢）的过程，难以很直观地为学生展示。例如：在教学“波的衍射与干涉”时，物理教师可积极运用几何画板来教学。教师演示时只需点击按钮，学生便能迅速发现波会从波源的位置朝着四周发散开来，教师点击宽度按钮后狭缝尺寸也随之变化。教学波的干涉时也可利用几何画板，边点击按钮边让学生自行观察并思考实验结论。几何画板的优势在于能展示常规实验无法演示的过程，揭示物理规律，切实地实现了实验教学的创新。条件允许下还可运用仿真物理实验室来实现教学创新，发挥出现代科技在物理实验教学中的优势。

结束语

综上所述，高中物理课程教学中创新实验的设计和实践能很大程度提高学生学习参与性，有效保障物理教学效率。经研究得出结论：物理教学创新实验设计与实践意义重大，具体实施中可从七点落实：遵循创新原则要求，明确实验设计与实践的流程；转变传统教学理念，营造良好创新实验教学氛围；细化创新实验环节，放大实验要点加深学生记忆；引导观察实验过程，指导学生分组参与实验操作；加强实验与生活的联系，培养学生物理学科核心素养；探究物理实验原理，构建物理典型模型加以验证；积极运用现代科技，优化物理创新实验实践形式。相信实施后能为高中物理教学改革与实践创新奠定基础，顺利完成物理教学目标。

参考文献

[1]李蔚.高中物理电磁学创新实验与科学探究举例[J].中学课程资源，2022，18（12）：33-36，39.

[2]郑文涛.实验高中物理创新实验教学策略研究[J].学周刊，2022（27）：57-59.

[3]邝玉兰，莫黎斌.高中物理习题教学与创新实验结合的课堂模式探讨[J].广西物理，2022，43（2）：237-241.

[4]姚小龙.思维碰撞有奇迹 实验探究出真知：谈高中物理创新实验的任务导向教学研究[J].考试周刊，2022（21）：127-130.

[5]赵忠文.基于“STEAM+”理念的高中物理创新实验校本课程开发与实践[J].学周刊，2022（4）：38-39.

[6]陈荣天.核心素养导向下的高中物理创新实验教学：以探究“胡克定律”实验教学为例[J].中学理科园地，2021，17（4）：63-65.