張艷

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新依據(jù)義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)義務(wù)教育物理教科書設(shè)計(jì)一系列的物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的主要方法是案例研究。通過案例研究獲得并積累經(jīng)驗(yàn)與方法，循序漸進(jìn)地改進(jìn)、完善、豐富實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的案例，形成與物理教材相匹配的較完整的實(shí)驗(yàn)課程。

（一） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究的主要原則

1.科學(xué)性原則：實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)科學(xué)，實(shí)驗(yàn)原理所涉及的科學(xué)知識(shí)沒有錯(cuò)誤，因果關(guān)系正確，邏輯推理嚴(yán)謹(jǐn)。實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)符合實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的要求，通過規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作方法準(zhǔn)確地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)原理，達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

2.安全性原則：在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中嚴(yán)禁危害人身安全，特別是學(xué)生的安全。

3.直觀性原則：實(shí)驗(yàn)裝置清晰有序，可視效果好。實(shí)驗(yàn)過程的步驟與階段明顯，操作方法透明可見。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象能盡可能地讓全體學(xué)生清楚地觀察到，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣?shí)驗(yàn)小組的學(xué)生清楚地觀察到。

（二） 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究的主要內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新主要包括四個(gè)方面的內(nèi)容。①優(yōu)化教材演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改進(jìn)教材演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)的方法性和示范性。使演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象更加明顯，更加有利于絕大多數(shù)學(xué)生理解物理原理。②優(yōu)化教材學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)內(nèi)容，改進(jìn)教材學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)設(shè)計(jì)，注重實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)的過程、方法和主動(dòng)性。使學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的現(xiàn)象更加明顯，不斷提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功的機(jī)遇，更加有利于培養(yǎng)絕大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究學(xué)習(xí)方法、探究學(xué)習(xí)習(xí)慣。③在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的難易程度、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约鞍踩蛩氐?，適當(dāng)增加某些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中的探究性因素，適當(dāng)增加某些探究性實(shí)驗(yàn)中的驗(yàn)證性因素，使物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更加符合物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際需要。④增補(bǔ)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解物理重難點(diǎn)知識(shí)或物理核心知識(shí)。如設(shè)計(jì)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，有效地促進(jìn)學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)物理概念、理論、規(guī)律等。

（三）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的研究模式

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新課題研究包括宏觀研究和微觀研究?jī)蓚€(gè)層面。宏觀研究：不僅包括教材現(xiàn)有的教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，還包括增補(bǔ)實(shí)驗(yàn)。

（四）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的研究策略

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究策略：①根據(jù)義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)符合教材教學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和學(xué)生的學(xué)習(xí)水平設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件等設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)操作方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象反饋改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。②中學(xué)生獲得的物理知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能有限，為調(diào)動(dòng)學(xué)生參與物理實(shí)驗(yàn)的積極性，充分發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在學(xué)生認(rèn)知活動(dòng)中的橋梁作用，應(yīng)該淡化演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)的界限、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與探究性實(shí)驗(yàn)的界限、單一性實(shí)驗(yàn)與綜合性實(shí)驗(yàn)的界限、課堂實(shí)驗(yàn)與課外實(shí)驗(yàn)的界限、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中成功與失敗的界限。

（五）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新的個(gè)案研究

個(gè)案研究是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究的主要方法，也是重要方法。圍繞教材中的物理核心知識(shí)、疑難知識(shí)等教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)和綠色物理理念設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選擇與學(xué)生生活實(shí)際或?qū)W習(xí)需要聯(lián)系緊密的物理實(shí)驗(yàn)素材，設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知水平的物理實(shí)驗(yàn)原理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔直觀的實(shí)驗(yàn)裝置，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作的過程與方法，精簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)過程，節(jié)省課堂時(shí)間。

下面以《“水蒸氣做功”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)》為例介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新的案例研究方法。

在人教版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)九年級(jí)物理教科書十四章的《熱機(jī)》這一節(jié)中，提到了這樣一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)（如圖）。

如圖，在試管內(nèi)裝些水，用橡膠塞塞住管口，將水加熱一段時(shí)間，觀察現(xiàn)象。

討論這個(gè)過程中不同形式的能量之間的轉(zhuǎn)化情況。

在實(shí)際教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)確實(shí)有不少弊端。其一，實(shí)驗(yàn)中塞子的松緊度不易掌握，過松會(huì)導(dǎo)致不密封、漏氣，塞子無法沖出;過緊會(huì)導(dǎo)致加熱時(shí)間過長(zhǎng)，甚至可能試管內(nèi)氣壓過大，試管炸裂。其二，本實(shí)驗(yàn)即使成功，也有安全隱患。教師在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過反復(fù)調(diào)試塞子的松緊，終于成功的完成了實(shí)驗(yàn)，但是當(dāng)塞子沖出的過程中，試管中的沸水也噴出不少，差點(diǎn)造成燙傷事故，教師驚出一身冷汗。

本節(jié)安排這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的目的是為了說明可以將燃料的化學(xué)能最終轉(zhuǎn)化為塞子的機(jī)械能，利用蒸氣的內(nèi)能做功。能不能將此實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，既安全又容易操作呢？在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上經(jīng)過多次改進(jìn)，確定了一個(gè)安全簡(jiǎn)易可行的實(shí)驗(yàn)方案。

器材：燒瓶1個(gè)、帶導(dǎo)管的瓶塞1個(gè)、鐵架臺(tái)1個(gè)、橡膠管一截、膠頭滴管1個(gè)（去掉膠頭）、酒精燈、自制葉輪（直徑約5-10cm）。

以上器材多數(shù)都是實(shí)驗(yàn)室的常見器材，容易得到。自制葉輪可以用鋁制易拉罐制作，再裝上一個(gè)支架（如右圖）。

操作方法：在燒瓶中裝適量的水，將膠頭滴管（去掉膠頭）和橡膠導(dǎo)管連接再與瓶塞連接并塞緊，用酒精燈加熱至沸騰，當(dāng)從導(dǎo)管噴出大量“白氣”時(shí)就可以將出氣口對(duì)著葉輪，葉輪在“白氣”推動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)利用內(nèi)能做功的過程。

注意事項(xiàng)：噴氣時(shí)導(dǎo)管的溫度太高不能直接用手拿著，可以用木夾夾著。如果噴出的氣流不能夠使葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，那是因?yàn)闅饬鬟€不夠快，可以不用酒精燈而將酒精直接倒入一個(gè)坩堝內(nèi)點(diǎn)燃進(jìn)行加熱（或者酒精噴燈），但是要注意操作仔細(xì)，避免酒精灑出。

三、在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新研究中必須注意的問題

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新應(yīng)該以學(xué)為本，注意克服實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新可能導(dǎo)致課堂學(xué)習(xí)低效的不利因素。如實(shí)驗(yàn)素材要充分體現(xiàn)物理核心知識(shí)、重難疑點(diǎn)知識(shí)，遠(yuǎn)離偏、怪、繁等超越義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)難度要求的知識(shí)。實(shí)驗(yàn)原理符合學(xué)生的認(rèn)知水平，禁止設(shè)計(jì)超越學(xué)生理解能力的實(shí)驗(yàn)原理，避免加重學(xué)生理解物理知識(shí)的負(fù)擔(dān)，保護(hù)學(xué)生熱愛物理實(shí)驗(yàn)的積極性。