初中物理实验教学的创新实践

摘 要：物理实验是学生获取物理知识的重要手段，也是提高学生物理（科学）素养的重要载体。为了更好地实现物理实验的功能，教师可根据具体情况，采用相应的手段来优化创新物理实验教学。具体地，可以设置对照实验，引发认知冲突；借助自制器材，强化具身体验；引入数字技术，呈现直观数据。

关键词：初中物理；实验教学；对照实验；自制器材；数字技术

“义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程。”［1］物理实验是学生获取物理知识的重要手段，也是提高学生物理（科学）素养的重要载体。为了更好地实现物理实验的功能，教师可根据具体情况，采用相应的手段来创新初中物理实验教学。以下分享几例实践。

一、 设置对照实验，引发认知冲突

对照实验指的是向学生展示一个表面现象由几种因素决定，而且反映本质特征的现象与反映非本质特征的现象纠缠在一起，甚至反映非本质特征的现象比反映本质特征的现象更为明显的实验，让学生由观察现象来分析原因；然后根据学生可能出现的判断困难或判断错误，再向学生演示另一类表面现象不同但内在本质一致的实验，引发学生的认知冲突，让学生进一步比较辨析，去伪存真，从而把握实验所反映的本质原理。

例如，“力臂”概念的教学，一般通过杠杆实验展开——先给出杠杆的五要素（支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂），然后探究杠杆平衡（直臂杠杆在水平方向平衡）的条件。这遵循的是知识的内在逻辑。而如果从学生认知逻辑的角度，是存在问题的：学生怎么会想到定义力臂呢？如果说学生凭着经验或直觉，能够判断力是影响杠杆平衡的要素的话，那么，力臂则完全不在学生的经验系统与直觉里——力臂被定义为“支点到力的作用线的距离”，这一定义在绝大多数学生的认知中，都没有相应的表象与之对应，也没有任何情境支撑学生构造这样的表象或形成类似的经验。

对此，教师在教学中先是引导学生在杠杆处于水平位置平衡时，进行多次实验，通过分析数据、推理论证，得出杠杆平衡的条件。当教师提出作用点到支点的距离会影响杠杆平衡时，学生会很容易接纳这一“错误”的认知。学生在刚才实验的基础上，发现只要改变支点到力的作用点的距离，杠杆平衡就会被打破。于是，教师设置曲臂杠杆的对照实验（如图1所示），来引发学生的认知冲突。

曲臂杠杆中力的作用点位置发生了改变，杠杆还能保持平衡，学生自然产生认知冲突，他们就会思考两个平衡的杠杆共同点是什么。当教师在黑板上沿着右侧两个钩码竖直方向画出一条直线时，学生恍然大悟：影响杠杆平衡的条件不再是原来点和点之间的距离，而是支点到力的作用线之间的距离。学生经历了错误的前概念到矛盾认知冲突再到纠正错误认知的过程。整个过程比教师直接讲解更直观，更能帮助学生理解力臂概念的本质。

二、 借助自制器材，强化具身体验

“教学有法，教无定法。”不同的实验教学伴随着不同的实验器材。如果实验器材不能满足实验教学的需要，就会导致许多实验无法进行或实验效果不佳、不明显。自制实验器材，不仅可以弥补这样的不足，保证实验效果，还能强化学生的具身体验，调动学生课堂学习的积极性。

例如，“滑轮”的教学，教师通过自制实验器材帮助学生厘清知识间的逻辑关系。首先，提出“利用杠杆提升物体”的任务，并让学生探究后提出这种方式的不足。学生对于用杠杆提升物体并不陌生，且能大致提出两种方法：一种是把物体撬起来，另一种是把物体吊起来。对于不足，更多学生还是从杠杆分类的思考角度，只有少部分学生能够提出：提升物体的高度受限。教师抓住这一不足，引导学生思考杠杆提升物体高度受限的原因：提升物体不具有连续性。“不具有连续性”被提出后，学生自然想到可以继续添加杠杆连续提升物体。但至于如何添加杠杆，这对学生来说是非常具有挑战性的问题。教师可以展示自制实验器材（如下页图2所示，由多根彩色吸管、木工螺丝和配套螺帽制作而成；选用多种颜色的吸管，便于学生清楚地辨别和观察到哪根杠杆受力，进而更容易分析出滑轮的原理）进行演示。这样的自制实验器材，能够帮助学生自主建构滑轮与杠杆之间的知识联系，还能帮助学生利用杠杆平衡条件分析为何在竖直向上提升物体时最省力，而沿其他方向施加拉力时，动滑轮可能是省力杠杆，也可能是费力杠杆。此时，教师可出示定滑轮的装置图，并布置将定滑轮与杠杆原形匹配的任务。学生在刚才杠杆演变成滑轮的基础上，能够利用逆向思维发现定滑轮的工作原理，对于定滑轮的工作特点也就了然于胸。

自制实验器材，并不需要用高大上的设备，只需要用学生熟悉的物品，进行创新组装，就能帮助学生实现概念理解的降阶，发现物理的奥秘。这不仅能引发学生学习物理的兴趣，还能激活学生充分挖掘身边物品潜在学习价值的意识，更能拓展学生的思维方式。

三、 引入数字技术，呈现直观数据

数字技术主要有数据采集的智能化、定量研究的便捷化、实验现象的直观化等优势。在物理实验教学中，教师可引入数字技术，将不易观察的实验现象以图像和数字等形式显示出来，便于学生直观地观察（收集）实验数据，深刻理解实验原理。

例如，在“探究动能的影响因素实验”教学中，教师先让学生思考：你认为动能的大小可能与什么因素有关？学生基于生活经验能够很快地说出与速度和质量有关。当具体开展动能与这两个因素的关系的探究实验时，学生遇到了困惑：探究动能与质量的关系时，必须控制速度相同，但是如何控制速度相同呢？由于学生才刚刚接触能量和功之间的关系，无法用功和能的关系来说明速度相同。不少学生想到用手推，教师通过追问帮助学生发现思维的不严谨：很难控制手对小车作用力的大小，也就很难控制小车离开手时的位置和速度相同。对此，有学生想到用弹射装置，用相同的形变量对小车施加力；也有学生看了教材后想到在同一斜面的同一高度由静止释放小车，就可以使小车到达水平面的速度是相同的。以上的实验没有显性的图像和精确数据，很难让学生信服。教师适时引入数字技术帮助学生突破这一难点。借助数字传感器，学生通过分析图3发现：当质量不同的小车从斜面的同一高度由静止滑下，到达水平面的速度是相同的；而用相同的弹簧发生相同的形变量对质量不同的小车发生作用时，不同质量的小车离开弹簧时的速度并不相同。直观的数据对比，会让学生产生新的疑惑。这就为后面“能量的转化”知识的学习起到了铺垫作用。

最后需要指出，实验教学的创新实践是教师对实验的深刻理解，对教育的特有感悟，也是对科学精神的不懈追求；但是同时，笔者也认为，教材实验都是经过教育专家和学者综合多方因素，经过很长时间的实践论证，蕴含特定的人文底蕴和科学精神，因此不能改变教材中经典实验的原理和本质，很多实验只宜在某些细节方面稍做改进。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：1.

［2］徐敏.数字化实验在初中化学教学中的应用——以《二氧化碳的释放与吸收》一课为例［J］.教育研究与评论（中学教育教学），2018（10）：92.

*本文系江苏省无锡市“十四五”规划课题“指向初中生物理学科素养养成的真实性评价研究”（编号：E/E－b/2021/01）的阶段性研究成果。