李治展

摘 要 在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)可有效促進(jìn)課堂教學(xué)效果的提升，對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)起到至關(guān)重要的作用。 基于此，文章就如何用創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)突破教學(xué)重難點(diǎn)、培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，結(jié)合具體教學(xué)案例進(jìn)行探析。

關(guān) 鍵 詞 創(chuàng)意實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué);核心素養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要求教師慧眼獨(dú)具，在生活中探求實(shí)驗(yàn) 改進(jìn)的途徑，利用身邊的日常用品、實(shí)驗(yàn)室舊儀器完 成一些創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)，就能更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興 趣和熱情，落實(shí)物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

一、利用創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生形成正確的 物理觀念

物理觀念是核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)，是人們對(duì)物質(zhì)世界 的根本看法與認(rèn)識(shí)，需要用物理知識(shí)來(lái)支撐物理觀 念，借助物理知識(shí)來(lái)證實(shí)物理觀念的科學(xué)性與正確 性，它是物理知識(shí)的提升和凝練。^[1]物理教學(xué)中聯(lián)系 生活實(shí)際、創(chuàng)設(shè)一系列有效且有趣的創(chuàng)意演示實(shí)驗(yàn)， 有時(shí)能提供一些有悖常理的新奇現(xiàn)象，或能親自設(shè)計(jì) 操作實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，從而激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué) 生去探究其物理根源。

案例 1 一系列創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)演示“向心力”。

教材中向心力的引入只采用一個(gè)小實(shí)驗(yàn)（細(xì)繩拉 著小球在桌面上圓周運(yùn)動(dòng)），僅用一個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生并不 能很好理解向心力是一種等效力，是由物體實(shí)際受到 的一個(gè)力或幾個(gè)力的合力或一個(gè)力的分力提供了向 心力，為此，在實(shí)際教學(xué)中，多次引入一系列創(chuàng)意演示 實(shí)驗(yàn)，以求讓學(xué)生更好地理解向心力的概念。

演示1：用“玻璃杯搬乒乓球”小游戲引入課題，如 圖1所示，游戲規(guī)則：除玻璃杯外不借助其他道具，只 能用一只手，杯口始終豎直向下，將乒乓球移入托盤 中，學(xué)生通過(guò)思考，并親身體驗(yàn)，成功的方法就是使乒 乓球在杯子中快速轉(zhuǎn)動(dòng)，就能搬到托盤中。教師設(shè) 疑：快速轉(zhuǎn)動(dòng)的乒乓球?yàn)槭裁床粫?huì)掉下來(lái)？引入

演示2：用沾有墨汁的小球在細(xì)線拉力的作用下 做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖2所示，說(shuō)明有了細(xì)線的拉力小球做 圓周運(yùn)動(dòng)，釋放細(xì)線，小球沿 著圓周的切線方向飛出，用沾 有墨汁的小球能在白紙上留下 清晰的痕跡，實(shí)驗(yàn)效果明顯，可視性強(qiáng)。

演示 3：為了說(shuō)明就是擋板對(duì)球的彈力改變了球 的速度方向，使它做圓周運(yùn)動(dòng)，如圖3所示，筆者將擋 板的一部分做成可拆除的活動(dòng) 結(jié)構(gòu)，在拆除部分活動(dòng)的擋板后 小球做勻速直線運(yùn)動(dòng)，球上的墨 汁能在白紙上清晰地留下小球的軌跡。

演示 4：用轉(zhuǎn)盤研究轉(zhuǎn)動(dòng)木塊的向心力來(lái)源于靜 摩擦力，學(xué)生很難理解木塊是由于有指向圓心的靜摩 擦力才做圓周運(yùn)動(dòng) ，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，如圖 4 所示，用鋪有毛巾的轉(zhuǎn)盤研究轉(zhuǎn)動(dòng)木塊的向心力來(lái)自靜 摩擦力，揭開毛巾后，將木塊直接放在水平轉(zhuǎn)盤放上，輪上放上底面為正方形的一塊橡皮，如圖 5 所示，轉(zhuǎn)動(dòng) 塔輪，緩慢增大轉(zhuǎn)速，橡皮有傾倒趨勢(shì)，因底面為正方 形，向四面傾倒所需的外界條件相同，再次增大轉(zhuǎn)速，橡皮就會(huì)傾倒（控制好轉(zhuǎn)速不要讓橡皮飛出），可以觀察到橡皮向外側(cè)傾倒在轉(zhuǎn)盤的半徑方向上，由此說(shuō)明橡皮在轉(zhuǎn)盤上隨塔輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)于塔輪靜止，但有向外滑的趨勢(shì)，因?yàn)殪o摩擦力的方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng) 趨勢(shì)的方向相反，所以靜摩擦力指向圓心，由靜摩擦力提供了橡皮做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。

最后將幾次改進(jìn)的演示實(shí)驗(yàn)匯總分析，如表1所 示，不但解決了轉(zhuǎn)盤上的物體受到指向圓心的靜摩擦 力提供向心力這一教學(xué)難點(diǎn)，更為關(guān)鍵的是，學(xué)生能 從幾個(gè)不同的演示實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)共同點(diǎn)：

在做圓周運(yùn)動(dòng)的物體實(shí)際受力中，都能找到一個(gè)指向 圓心的力，可以是彈力、摩擦力、幾個(gè)力的合力或一個(gè) 力的分力等，能從本質(zhì)上理解向心力概念，進(jìn)而形成 正確的物理觀念。

二、利用創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

培養(yǎng)科學(xué)思維是物理教學(xué)的核心所在，要求學(xué)生 能正確使用物理思維方法，從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn) 行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論。^[2]在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 中，教師可以設(shè)立一系列有效問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生的邏輯 思維體系不斷完善，讓學(xué)生體驗(yàn)物理學(xué)研究問(wèn)題所運(yùn) 用的思想和方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)，促 進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

案例 3 用創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)“半定量”探究磁場(chǎng)對(duì)電流的 作用F與0的關(guān)系

在用如圖6所示的自制實(shí)驗(yàn)裝置，演示電流在磁 場(chǎng)中會(huì)受安培力的作用，學(xué)生經(jīng)歷三步探究得出結(jié) 論：FxBIL之后，再將如圖6所示的裝置中U型磁鐵換 成如圖7所示的方位放置，其他條件都不變，依然控制 了 B、I、L不變，只有B與I的相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生了變 化，讓學(xué)生觀察再次通電后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：鋁棒不動(dòng)，說(shuō) 明不再受到安培力的作用，學(xué)生通過(guò)對(duì)比兩次的演示 實(shí)驗(yàn)，就會(huì)得出F的大小與B、I的夾角0有關(guān)系，當(dāng)0= 90°時(shí)，即電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)F=BIL;當(dāng)0=0° 時(shí)，即電流方向與磁場(chǎng)方向平行時(shí)F=0，完成了科學(xué)探 究的完整性。

在學(xué)生得知F與0的有關(guān)后，提出問(wèn)題：如果電流 方向與磁場(chǎng)方向既不垂直又不平行時(shí)，存在安培力 嗎？如果存在，安培力又是多大呢？并可再次利用如 圖 6所示的自制演示實(shí)驗(yàn) 裝置，只要將磁鐵的方位 略加傾斜，如圖 8 所示，再 通電，學(xué)生依然能直觀地 觀察到鋁棒的滾動(dòng)，并且 滾動(dòng)得比較慢，學(xué)生就會(huì) 由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論：依然存在安培力，且安培力較小。教師再次提出問(wèn) 題：能否利用已有的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)理論推導(dǎo)的方式得出F 與0的定量關(guān)系呢？學(xué)生自然會(huì)想到將磁感應(yīng)強(qiáng)度B 正交分解，分解為垂直于I和平行于I的兩個(gè)分量，其 中垂直分量才對(duì)電流I有力的作用，從而得出結(jié)論：安 培力大小F=BILsin0，教師進(jìn)一步說(shuō)明表達(dá)式F= BILsin0數(shù)學(xué)上恰好是BI與通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度L在垂直 磁場(chǎng)方向的射影Lsin0的乘積，所以也將射影長(zhǎng)Lsin0 稱作有效長(zhǎng)度，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)工具在解決物理問(wèn) 題中的作用，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究和理論探究的有 效體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)探究到理論探究的升華，實(shí)現(xiàn) 了從特殊到一般的演繹過(guò)程，有效培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思 維習(xí)慣。

三、利用創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究 能力

實(shí)驗(yàn)探究要求學(xué)生具有設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案，使用

各種方法收集實(shí)驗(yàn)信息，分析論證并處理信息，通過(guò) 合作與交流，完成探究過(guò)程并得出結(jié)論。在安培力大 小相關(guān)因素的實(shí)驗(yàn)探究中，教師可通過(guò)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)培養(yǎng) 學(xué)生的深度探究能力，促進(jìn)其學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成。

案例 4 安培力大小相關(guān)因素的探究（自制加改進(jìn) 儀器定量探究F與B的關(guān)系）

實(shí)際教學(xué)中，教師可利用實(shí)驗(yàn) 室的常用器材（彈簧、矩形線圈），自 制儀器如圖9所示，實(shí)現(xiàn)F與B“定 量”探究，根據(jù)胡克定律，用彈簧的 伸長(zhǎng)量的變化量來(lái)定量體現(xiàn)安培力 的大小。在用此裝置定量探究F與

I和F與L的關(guān)系后，再來(lái)探究F與B的關(guān)系。

現(xiàn)行的教材在探究F與B的關(guān)系上只是用文字簡(jiǎn) 要說(shuō)明，有的版本教材有了很大的改進(jìn)，通過(guò)在U型 磁鐵的兩臂繞制線圈的方式來(lái)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B（如 圖10所示），進(jìn)行探究F與B的大小關(guān)系，課堂教學(xué)中 由于沒有足夠的時(shí)間讓學(xué)生繞線圈，而且線圈的匝數(shù) 要多，還要注意繞制方向，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很不明顯，達(dá)不 到很好的探究效果，實(shí)際教學(xué)中部分教師選擇一語(yǔ)帶 過(guò)，沒有進(jìn)行實(shí)際探究，忽視了學(xué)生探究能力的培養(yǎng)。

有了如圖10所示的自制加改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，定量探究 就成為可能。教學(xué)中 ，教師就 可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)：如何獲 得變化的磁場(chǎng)？如何獲得變 化的勻強(qiáng)磁場(chǎng)？學(xué)生就會(huì)回 憶已有的知識(shí)，想到用通電的 螺線管來(lái)提供變化的勻強(qiáng)磁 電的螺線管中呢？在學(xué)生思考后教師出示如圖11所

示的實(shí)物圖，將兩同型號(hào)帶矩形鐵芯的螺線管串聯(lián)， 兩個(gè)通電的螺線管等效為兩根條形磁鐵，當(dāng)兩磁性相 近的條形磁鐵異名磁極靠得很近時(shí)，兩異名磁極間的 區(qū)域可近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，讓通電矩形線圈的下邊置于 兩靠得很近的矩形鐵芯之間，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變 阻器改變螺線管上勵(lì)磁電流I的大小，從而改變線圈 在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線所處磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，資料證實(shí) 通電螺線管所產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B正比于勵(lì)磁 電流的大小，從而使探究F與B的“定量”關(guān)系成為可 能。在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，師生互動(dòng)交流，學(xué)生的思維 通過(guò)教師遞進(jìn)式問(wèn)題的 引導(dǎo) ，思維層次不斷地 得以深化，學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí) 驗(yàn)方案能力不斷提升， 科學(xué)探究能力得到有效 培養(yǎng)。

四、利用創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度 與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度要求學(xué)生能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì)，具有 學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，實(shí)事求是，不迷 信權(quán)威。^[2]物理創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)?zāi)茏畲笙薅燃ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí) 動(dòng)機(jī)，提高學(xué)生課堂參與度，通過(guò)創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和 邏輯的推敲，學(xué)會(huì)尊重客觀事實(shí)，實(shí)事求是，逐漸形成 正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任觀。

案例 5 演示最大靜摩擦力略大于滑動(dòng)摩擦力。

《摩擦力》教學(xué)中，學(xué)生很容易認(rèn)為最大靜摩擦力 等于滑動(dòng)摩擦力，即使教師告知學(xué)生最大靜摩擦力略 大于滑動(dòng)摩擦力，因?yàn)榕ｎD第 二定律在后面的章節(jié)才進(jìn)行 學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生在新課教學(xué)中 很難真正理解這一點(diǎn)，教師可 以利用彈簧測(cè)力完成這一演 示實(shí)驗(yàn)，將紙片折成如圖12

所示的形狀，卡在彈簧測(cè)力計(jì)指針下方（圖13），用彈 簧測(cè)力計(jì)拉動(dòng)靜置于牛皮紙上的小木塊，就能利用小 紙片留下最大靜摩擦力的 刻度值，即可顯示牛皮紙 和木塊之間的最大靜摩擦 力略大于滑動(dòng)摩擦力，實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象直觀，通過(guò)創(chuàng)意演 示讓學(xué)生學(xué)會(huì)尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

總之，用創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)組織教學(xué)，能引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng) 接受知識(shí)向主動(dòng)探究而獲取知識(shí)轉(zhuǎn)化，學(xué)會(huì)從物理學(xué) 視角去認(rèn)識(shí)物理概念規(guī)律的建立過(guò)程，形成正確的物 理觀念，體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，培養(yǎng)科學(xué)思維能力，感受 科學(xué)探究精神，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度和建立社會(huì)責(zé)任感。用 創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)教學(xué)既豐富了物理課堂教學(xué)資源，又能全面 提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，為其終身學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定 基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：周志平）