实验：学习物理永恒的主题——谈教科版初中物理教材对物理实验的一些探索，本文主要内容关键词为：物理论文,教科论文,物理实验论文,初中论文,教材论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
实验是物理学发展的科学基础，是把物理表象、物理情景上升到物理概念、规律的重要途径，也是学习物理的有效方法。新课标教材非常重视实验，力求通过实验探究引入概念，得出规律，通过实验检验猜想，通过实验培养兴趣和能力，体现初中物理教学以实验为基础的特点。此外，通过生动的实验把一些高度抽象、高度概括的理想模型直观化、形象化，通过具体实验对所研究概念、模型、规律等知识“条件化”，这是灵活应用知识的关键，也是降低物理教材难度的关键。
传统的物理实验一般分为两类：一是以“老师做，学生看”为主的演示实验；二是在教师指导下，以验证性实验为主的学生分组实验。这两类实验是物理教学必不可少的。但是，它们都有一定的局限性：演示实验是教师动手做的，学生只能被动接受演示过程和得出的结论，影响了学生学习的积极性；传统的分组实验模式通常是由教师讲授实验原理，准备好实验器材，给出固定的实验方案，学生所做的往往只是照方抓药，很少有选择、创造和思考更好实验方法的机会。课程改革背景下的物理实验教学的目标不仅仅是进行一些实验操作的训练，更重要的是通过学生独立自主完成实验探究的过程。使其创造性思维和动手能力都得到提升。教师应该是学生实验的指导者、协作者，学生才是实验的主体。为此，在教科版初中物理教材中，我们从形式、内容到思想都对实验进行了一些新的探索。
一、增强物理实验的趣味性，形成系列化的趣味实验
物理实验可以激发学生学习物理的兴趣。但做了物理实验，就一定能够激发和保持学生的学习兴趣吗？这是一个很值得思考的问题。国内外的各种调查显示，很多中学生对物理学习的兴趣正在明显降低，虽然导致这一状况的原因比较复杂，但过分强调物理实验的“学术化”、忽略物理实验的趣味性是其中的一个重要原因。为此，在教科版初中物理教材中，我们创设了许多“趣味实验”，并注意积累、总结，使趣味实验系列化、多样化。
例如，在“透过透镜看世界”（八年级上册）一节，学生通过两片不同焦距的凸透镜的自由组合，“发明”了望远镜和显微镜，使学生感受到“好玩的”物理学。
八年级上册“在光的世界里”一章中，利用牙膏盒、纸片和凸透镜设计了照相机系列：“自制针孔照相机”“自制带透镜的照相机”“自制投影仪”“近视眼模型”等有趣实验，使学生在“玩”的过程中形成了对光的应用的系统认识。
在九年级上册，通过小台灯系列：“自制小台灯”“改造你的小台灯”“制作亮度连续变化的小台灯”“测量小台灯的电功率”等实验。使学生认识了电路、电阻、滑动变阻器、电功率等概念。
二、创设问题情境，突出实验的生活化、社会化
物理情景是蕴含物理知识和物理思想方法的情境，是物理知识产生的背景，是发现和提出物理问题的重要前提。只有当创设的物理情景进入学生的“最近发展区”，并且在内容上具有“挑战性和探索性”时，学生才能在已有认知的基础上萌发创新欲望，积极与同学、教师互动合作，提出问题、探究问题、解决问题，从而不断发展和完善自己的知识结构与创新能力。为此，我们创设了许多生活化情景，设计出与此相关的实验探究，不仅使我们的教学内容更真实、亲切，更能体现“从生活走向物理”的理念。更重要的是，这些贴近生活、贴近社会的问题情景对实验设计还具有指导作用。
例如，在八年级下册“液体的压强”的探究中，教材利用一个伟大的科学事件——“Trieste”号潜水器进行深海海底探索来创设情景，引导学生提出“液体的压强有什么特点”这个课题，并进一步启发学生提出猜想：液体内部只有向下的压强吗？有没有向侧面的压强甚至向上的压强？不同深度的液体压强相同吗？等等。为了验证猜想，学生将压强计的探头放入水中，模拟潜水器，研究液体内不同位置的压强情况。（如图1)在这里，潜水器探索深海这一情景不仅是学生探究活动的导入，更引发学生对自己即将进行的实验的“重要感”，同时也在学生头脑中建构了实验的基本场景，给予了学生一定的启示和引导。
图1 探究液体的压强
联系学生的生活情景、社会情景，是中学物理实验教学改革的重要内容。它可以使学生感到物理就在自己的身边，进而使学生认识和理解物理学对个人和社会的作用与价值。同时，还可使学生形成运用物理知识解决身边问题的思维方式，培养和提高学生的科学素养。
三、重视实验方法的教育，关注物理学史上原创性实验思想的挖掘
曾有人说过，动手能力实际上也体现动脑能力，做实验时你先要深入地动脑思考，才能更好地动手。所以，实验教学不仅是“做中学”，还同时是“思中学”，只有重视实验方法的教育，实验思想的渗透，才能有效把握实验的关键。
物理学发展史上有许多著名的实验，其中巧妙的物理思想，独到的处理问题的方法，精心设计的仪器装置，完善合理的实验安排，高超的测量技术，无懈可击的分析推理，对后续的科学发展产生了不可磨灭的影响，是一笔宝贵的思想财富。所以，在教材编写中我们高度重视对这些实验从方法上进行深入挖掘。
图2 探索阿基米德原理
传统教材得到阿基米德原理的实验方法是“排水法”，即把物体排开的水收集起来称量一下，就会发现它的重量刚好等于浮力的大小。这个实验确实很普通，也很巧妙，但学生很难自己设计得出来。为此，我们研究了阿基米德发现这个定律的思想，设计了把一小袋水浸入水中的小实验（八年级下册），由此启发学生进行理论推导，得出阿基米德原理，然后用排水法进行验证。（如图2)这是实验与理性推理的完美结合。
四、引进数字化实验和虚拟实验，使学生在体验中学习物理
数字化实验，是以计算机为核心搭载各种传感器构成的实验平台。它以强大的技术优势促成良好的教学效果，让学生更快捷、准确地获得实验数据，更简便、直观地处理数据，从而节省宝贵的教学时间，把更多的时间用于讨论、探究。可以说，在数字化实验中，数字技术是围绕知识的发现，而非知识的传授展开的，数字技术在其中扮演着“研发工具”的角色，直接优化了师生的实验探究过程。
例如，八年级下册中通过两个力传感器的“拔河比赛”，学生能动态认识作用力与反作用力的关系。（如图3)
图3 利用传感器探究作用力与反作用力的关系
虚拟实验是利用计算机及相应的应用软件来模拟实验仪器、实验环境，以人机对话的方式来实现实验的过程。它具有内容丰富，操作简单，能无限复制，易于推广，可实现远程教学等特点。在教科版初中物理教材中，实现虚拟实验的工具有两种：
其一，是计算机辅助教学多媒体课件，可用来讲解仪器结构，形象地演示其中某些难以理解的内容，或用图表、动画等展示动态的变化过程。它更多起到了“演示工具”的作用。
例如，对通电螺线管磁场的认识，九年级上册中安排了“从直线电流的磁场到通电螺线管的磁场”课件的演示，展示了从直线电流的磁场到通电螺线管的磁场的演变过程，这引导了学生的思维过程，学生可由此提出关于通电螺线管磁场的猜想。（如图4）
图4 从直线电流的磁场到通电螺线管的磁场的演变过程
其二，是功能与真实仪器相似的虚拟仪器，是“软件即仪器”这一现代化仪器思想的体现。例如，我们开发的可免费下载的虚拟示波器，已用于对传统声学实验的数字化改进。在“测一测你听觉的频率范围”的实验中，学生不仅能听见声音，还能从窗口中看见声音的波形。当声波频率落在20Hz-20000Hz范围以外时，学生已不能听见，但仍能看见它们的波形，使学生对次声波、超声波获得了直接的、真实的感受，这是传统仪器难以解决的。（如图5)
图5 虚拟示波器
数字化实验和虚拟实验走进教材、走进课堂，是实验教学现代化的体现，为实验教学注入了新的活力，也将带来物理实验模式的变革。
五、倡导建立家庭实验室，开发实验教学资源
以实验为基础开展物理教学活动，以实验探究的方式让学生习得物理知识，强调过程与方法，是初中物理教学改革的重要特点之一。教科版物理教材是基于一系列的实验活动建构其框架的，课后作业也包含了大量的实验。这就要求学生改变传统的学习方法，几乎每节课都要动手做实验，边学边实验。但是，学生不可能每节课都到实验室学习，更不可能每人单独使用一套仪器。为了取得更好的学习效果，我们向学生们倡议（八年级上册）：请建立一个自己的“家庭实验室”！
什么是“家庭实验室”？主要指在教师的指导下，学生可以在家中收集一些实验材料，如小石子、铁钉、螺母、饮料瓶等生活中的物品，再配备（自制、购买或借用）一些最基本的测量仪表和装置，如电流表、温度计等，组成一个“家庭实验室”。“家庭实验室”是一个学生自己的“实验包”，这样，不仅在学校，而且在家中，学生也能去探究、去发现。
“家庭实验室”是课上进行实验探究和家庭小实验的重要物质保障，教科版初中物理教材把“家庭实验室”的建设纳入了教材体系。指导学生建立自己的“家庭实验室”，突出了学生“做中学”的科学教育理念，让学生在探究的过程中有动手的机会，对科学探究活动的开展及思维品质的提升、创新能力的形成都具有十分重要的意义。
除倡导学生建立自己的家庭实验室外，教材也提倡教师建立教师版“微型物理实验室”。它不能仅局限于实验室的现有仪器，我们身边的许多东西都是重要的实验资源。事实上，很多廉价的日常用具在训练动手能力方面比实验室仪器要实惠得多！利用它们来充实我们的实验室，可以突破时间、空间上的限制，让学生以丰富多彩的形式感受物理、体验物理。
利用手边材料呈现物理现象，更容易引起学生知觉的集中，引发认知的兴趣和欲望。物理教学中运用这种“非常规”实验的做法本身就是一种创新教育，这些物理实验中蕴含的丰富的创新思路，无不潜移默化地启迪着学生。例如，用易拉罐制成“滑轮”，探究滑轮的机械效率；用废旧墨水瓶和吸管制成“微小形变演示器”，探究固体的形变；用塑料袋制成“帕斯卡桶裂实验装置”，研究液体压强；把一个盛有红色墨水的密闭小薄塑料袋放入水中，观察“红色水球”的悬浮状态等，这些实验各自不同地表现出“改变”“放大”“借用”“代替”等创新技巧，对保持学生的好奇心，培养学生终身的探索乐趣、实践能力以及创新意识无疑是一种有效途径。