中学物理趣味竞赛实验探析

［摘 要］物理是一门实验性学科，实验对于学生认识物理世界具有至关重要的作用。《义务教育物理课程标准（2022年版）》对课程内容进行了调整，将原先的“科学探究”改为了“实验探究”。然而，现有的实验内容仍不能满足学生的学习需求，因此需要教师开发更具趣味性和创新性的实验——趣味竞赛实验。文章结合四个具体实例详细阐述趣味竞赛实验的设计原则与实际用途。

［关键词］趣味竞赛实验；中学物理；案例；设计原则

［中图分类号］    G633.7                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）02-0036-03

物理是一门以实验为基础的实践性学科，丰富多彩的实验活动能够有效增强学生的实践体验。实验既是物理学的灵魂，也是展现物理学魅力、激发学生物理学习兴趣的源泉。《义务教育物理课程标准（2022年版）》对课程内容进行了调整，将原先的“科学探究”改为了“实验探究”[1]，这一变化凸显了物理实验在学生认识物理世界过程中的重要性。然而，随着信息社会的快速发展，现有实验仍不能满足学生的学习需求。因此，教师需要对原有实验进行拓展与创新，开发出更具趣味性和创新性的实验——趣味竞赛实验。趣味竞赛实验是一种新型实验，它既区别于常规的学生实验，也不同于教师演示实验。它以经典演示实验为灵感来源进行创新性改造，同时兼具趣味性与竞赛性。趣味竞赛实验的趣味性在于能够激发学生内在的学习动机，使他们乐于学习、愿意学习、轻松学习；其竞赛性则体现在学生操作不同、实验结果各异，便于在学生间开展竞赛活动。

下面，笔者将结合四个趣味竞赛实验案例，阐述此类实验的设计原则与实际用途，希望对中学物理实验教学有所帮助。

一、趣味竞赛实验案例举隅

（一）随机炮弹发射器

实验用具：塑料软管（横截面积略大于乒乓球直径）、乒乓球（若干）。

实验操作：如图1所示，将乒乓球放在实验盒中。塑料软管一端靠近乒乓球，另一端手持并倾斜约45°。通过摇摆塑料软管，使其像炮管一样向各方“随机”发射乒乓球。

竞赛方式：比试在单位时间内，谁发射的乒乓球更多、更远。为便于收集和计分，可对乒乓球进行编号。

探究问题：哪些因素会影响乒乓球的发射距离和频率？

实验设计原理：本实验基于“流体压强和流速的关系”原理，灵感来源于“天女散花”实验。为了增强实验效果，将“天女散花”实验中的碎纸屑替换为体积更大的乒乓球。需注意的是，塑料软管管口应尽可能靠近乒乓球。在操作过程中，学生会逐渐了解到手摇塑料软管的速度与管口到乒乓球的距离之间的关系：乒乓球离管口越远，塑料软管摇动的速度需越快。

（二）肺活量测试器

实验用具：易拉罐、广口瓶、白纸。

实验操作：如图2所示，将易拉罐放入广口瓶中，然后对易拉罐用力吹气，它会从广口瓶中跃起。吹力越大，易拉罐跃起的高度越高。用白纸包裹易拉罐并在纸上画上等距的间隔线，可半定量地反映出吹气人的肺活量。

实验成功关键：易拉罐需轻便（即质量小），铝质最佳（铁质因过重而不宜使用）；易拉罐与广口瓶的尺寸需匹配，易拉罐放入广口瓶后，二者之间的缝隙不宜过大，否则会影响实验效果。

探究问题：影响易拉罐升起高度的因素有哪些？

实验设计原理：本实验基于“流体压强和流速的关系”原理，灵感来源于“硬币跳台阶”实验。吹气时，易拉罐上部气体流速加快，压强减小，易拉罐被托起（如图3）。本实验可间接反映学生的肺活量，肺活量越大，吹起易拉罐的高度越高。

（三）拇指取水器

实验用具：细长玻璃管、烧杯、红色墨水。

实验操作：如图4所示，将一根两端开口的细长玻璃管，一端浸入装有水的烧杯中，用手指堵住玻璃管的另一端并将其提起，此时液体会自动顺着玻璃管上升，形成一段水柱。为了增强实验的趣味性，可在烧杯中加入红墨水。这样，在进行学生取水竞赛时，会更加直观和有趣。

探究问题：影响取水量多少的因素有哪些？

实验设计原理：本实验基于大气压强原理，类似于活塞式抽水机的工作原理。将玻璃管的一端插入水中，并用手指堵住另一端以隔绝空气，当提起玻璃管，大气压会使管内存留住水。手与玻璃管的贴合度是影响取水量多少的关键因素，也是竞赛取得成功的关键。

（四）空气弹发射器

实验用具：纸箱（或硬纸盒）、胶带、纸杯。

实验操作：如图5所示，将一个纸箱或硬纸盒的前部开孔作为炮口，并用胶带封住除炮口的其他缝隙。拍箱子后部，即可射出环形气流（空气弹）。学生可比赛空气弹的射程及威力，如以击倒远处纸杯数量的多少作为评判标准。

探究问题：影响空气炮射程与威力的因素有哪些？

实验设计原理：通过用力击打箱子后部，压缩箱内空气，压缩的空气从开口处喷射形成环形气流，并向前飞行。由于空气弹与空气的摩擦力较小，其动量在飞行过程中衰减较少，因此能够飞行较远的距离。敲击的力道和箱体的大小是影响发射效果的两个重要因素。

二、趣味竞赛实验的设计原则

（一）内容选择遵循适切性原则

物理实验旨在为物理教学服务，因此择取的趣味竞赛实验内容必须贴合学生的认知水平与知识储备，不可一味追求新奇而脱离课程内容。例如，笔者在设计趣味竞赛实验时曾考虑斯蒂夫·莫德的“珠链喷泉”实验，即将一串长长的珠链叠放在烧杯中，然后轻甩一端使珠链喷出。但该实验涉及的物理知识超出学生的认知范围，故不宜采用。

（二）进阶目标的制定遵循因材施教原则

因材施教原则强调教师应从学生的实际出发，实施差别化教学，以确保每个学生都能获得最适合自己的发展。鉴于中学生在认知水平、学科能力等方面存在差异，笔者在制定趣味竞赛实验的进阶目标时尽可能遵循因材施教原则。具体来说，将实验分为基础型和拓展型两类。基础型实验目标要求学生能够完成基本的实验任务，如在“气压取水”实验中成功取出水；拓展型实验目标要求学生能保质保量地完成实验任务，如能够在规定时间内取出更多的水或完成进阶任务。通过这样的进阶式设定，让所有学生都能积极参与实验活动，避免他们成为实验的“看客”。

（三）实验器材的准备遵循自制性原则

趣味竞赛实验离不开器材的支持，而自制性原则是我们准备实验器材时的重要指导原则。这一原则强调器材应来源于生活，如硬纸盒、易拉罐等，鼓励学生和教师亲手制作，避免使用那些高端复杂的成品器材。之所以遵循这一原则，是因为复杂器材往往会让学生感到物理离他们很远。英国物理学家麦克斯韦曾指出，实验的教育价值与仪器的复杂性成反比。虽然学生用自制器材进行实验时容易出错，但他们能学到更多的东西[2]。此外，教师在实验前需悉心检查自制器材，反复调试，确保它们安全无误。

（四）实验设计遵循安全性原则

安全性原则是趣味竞赛实验设计与开展的基础。物理实验中存在一些危险性项目，如炫舞灯、电池打火机等，这些实验虽然现象玄妙但具有安全隐患。因此，教师有责任对实验的安全性进行评估，在设计实验时避免选用具有潜在危险的实验器材。在实验前需再次检查实验器材，排除一切潜在危险，以确保实验稳定、安全地开展。

三、趣味竞赛实验的实际用途

众所周知，目的是行为的导向。趣味竞赛实验不仅能在日常教学引课中展现震撼力，激发学生的学习兴趣，还有以下用途。

（一）为物理题目的编制提供素材

物理是一门以实验为基础的自然科学，在物理考试中尤为重视实验考查。当前的中、高考试题中，物理实验占比较大，但多取材于教材中的常规实验，缺乏新奇性与延伸性。学生仅凭记忆即可快速答题，这难以激发他们的高阶思维，也不利于促进迁移能力的发展。相比之下，趣味竞赛实验在学生的认知基础上进行适度创新与扩展，既超出了学生思维的舒适区，又未超越学生思维的“最近发展区”，能够有效推动学生的探究积极性，挖掘他们的潜能。因此，教师可将趣味竞赛实验改编为题目，融入日常作业与测验中。以“肺活量测试器”趣味竞赛实验为例，可以改编为以下题目：将一个易拉罐放入某一广口瓶中，然后对着易拉罐用力吹气，易拉罐便会从瓶中跃起，吹力越大，易拉罐跃起得越高。请分析该实验的原理，并设计一个简易的肺活量测量装置。

（二）为物理学科周的开展提供资源

“物理学科周”是一种活动性课程，它将学习与游戏相结合，旨在潜移默化地培养学生的学习兴趣，并优化学生的思维结构。实验展览会是物理学科周中一种典型的活动形式。在策划实验展览会时应避免选择常规实验和高科技实验：前者因为学生过于熟悉而缺乏吸引力，后者则因其复杂性而难以操作。相比之下，趣味竞赛实验因其兼具可操作性和竞技性，非常适合作为体验式展品。这些趣味竞赛实验原本多出现在试题中、网络上或由教师演示，现让学生亲自操作，从离身认知转变为具身体验，有助于促进学生探究能力的提升。例如，学生在操作“随机炮弹发射器”时，会发现手摇塑料软管的速度与管口到乒乓球的距离之间存在一定联系：球离管口越远，塑料软管摇动的速度需越快。教师可针对这一发现引导学生展开进一步的探究式验证，提升学生的探究能力。同时，教师应鼓励学生展示他们课下开发的趣味竞赛实验，以此营造一种激励创新的研究氛围。

四、结语

创造力强的教师更能培养出具有创造力的学生。对实验的拓展与创新正是教师智慧的体现。随着课程与教学论研究的不断深入，教师的角色已悄然发生了改变。教师不再是他人开发的产品的“推销者”抑或是他人研发的技术的“应用者”，而是课程的积极创造者。因此，在物理实验教学中，教师不应局限于课标和教材中的常规实验，而应在此基础上进行拓展与创新，以启迪学生的物理思维，激发他们对物理学的热爱和探索精神。

［   参   考   文   献   ］

[1]  彭前程，马贤荣.聚焦学科核心素养    促进学习方式变革：义务教育物理课程标准（2022年版）》变化要点分析[J].课程·教材·教法，2022，42（9）：35-40，86.

[2]  邢红军.中学物理论文写作教程[M].郑州：河南科学技术出版社，1993.

（责任编辑    黄春香）