高中物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

1、高中物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)摘要：為了更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與創(chuàng)新能力，教師需要在教學(xué)中設(shè)計(jì)創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。這要求教師提高自身的知識儲量，培養(yǎng)自身的創(chuàng)新意識，掌握一定的創(chuàng)新方法。缺點(diǎn)列舉法、希望點(diǎn)列舉法、信息交合法等創(chuàng)新技法可為物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)提供廣闊的思路，但不應(yīng)忘記創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的目的為教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)服務(wù)。同時(shí)，安全性、科學(xué)性、實(shí)用性、適用性等原則仍是物理創(chuàng)新性設(shè)計(jì)時(shí)所要考慮的最基本原則。關(guān)鍵詞：物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新性設(shè)計(jì)；缺點(diǎn)列舉法；希望點(diǎn)列舉法；信息交合法一、物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的意義作為一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)自然學(xué)科，物理學(xué)在研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之外，也注重

2、對所采用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的研究。因此，物理的教學(xué)始終離不開物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)：有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是激發(fā)學(xué)生探索自然、理解自然的興趣與熱情的催化劑，親手的操作是培養(yǎng)學(xué)生物理技能和實(shí)踐能力的最佳途徑；此外親身的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷能讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過程、了解科學(xué)研究的方法，有助于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。作為教學(xué)活動(dòng)的主導(dǎo)者，教師首先要對實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要性有足夠的認(rèn)識，其次要充分利用教材中已有的實(shí)驗(yàn)資源，并能夠夠根據(jù)教學(xué)實(shí)際設(shè)計(jì)一些創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)。這種創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以是對教材已有實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，以解決個(gè)別實(shí)驗(yàn)取材不易、操作不便、實(shí)驗(yàn)效果不明顯等弊端；也可以是基于教學(xué)需要的全新設(shè)計(jì)，以彌補(bǔ)教材的不足，幫助學(xué)生構(gòu)建

3、一些重要的物理概念和物理規(guī)律。物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，是教師秉承新課程標(biāo)準(zhǔn)課程開放性理念，由課程的復(fù)制者走向課程的創(chuàng)造者的有效嘗試。它可以有效地促進(jìn)學(xué)生自主地、富有個(gè)性地學(xué)習(xí)，對學(xué)生的科學(xué)探究能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)大有裨益。二、物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的方法那么我們該如何在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)行創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)呢？創(chuàng)新需要豐富的創(chuàng)造力，而一個(gè)人的創(chuàng)造力由他所擁有的知識儲量、創(chuàng)造性思維能力和創(chuàng)新技法三個(gè)因素共同決定。因此要進(jìn)行創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，教師要有終身學(xué)習(xí)的意識，力求在專業(yè)上不斷進(jìn)步，不斷提高自身的知識儲量和創(chuàng)造性思維能力。然而知識是無窮無盡的，創(chuàng)造性思維能力的培養(yǎng)也絕非一日之事，因此要想在短時(shí)間提

4、高創(chuàng)造力，掌握必要的創(chuàng)新技法是簡單而有效的方法。創(chuàng)新技法的種類非常之多，本文將結(jié)合感應(yīng)電流的方向（魯科版高中物理選修3-2第2章第1節(jié)）中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)介紹缺點(diǎn)列舉法、希望點(diǎn)列舉法和信息交合法三種創(chuàng)新技法在物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。（一）缺點(diǎn)列舉法缺點(diǎn)列舉法，顧名思義，就是列舉事物的缺點(diǎn)或不足之處，再針對性地提出解決方法和措施。其中，找到事物的缺點(diǎn)或不足之處是本方法應(yīng)用的重點(diǎn)。如圖1所示，A、B為兩個(gè)很輕的鋁環(huán)，環(huán)A閉合，環(huán)B斷開。將條形磁鐵的N極或S極靠近A環(huán)時(shí)，A環(huán)將朝遠(yuǎn)離磁鐵的方向運(yùn)動(dòng)，若將磁鐵從A環(huán)中拔出，A環(huán)將朝靠近磁鐵方向運(yùn)動(dòng)；磁鐵靠近或遠(yuǎn)離B環(huán)時(shí)，B環(huán)不動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)為感應(yīng)電流的方向一

5、課中最為常見的一個(gè)引入實(shí)驗(yàn)。0圖1在演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于環(huán)本身很小，而A環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)又是繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，故操作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)磁鐵與環(huán)相碰的現(xiàn)象。這個(gè)不足之處一方面增加了操作的難度，另一方面也讓實(shí)驗(yàn)的演示效果大打折扣。解決這個(gè)問題的思路有兩個(gè)，其一為增加環(huán)的直徑，其二為改變環(huán)的運(yùn)動(dòng)形式。增加環(huán)的直徑這種思路最為直接也最容易想到，但是實(shí)際操作會發(fā)現(xiàn)，直徑增大后環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)不明顯。原因在于直徑增大后，鋁環(huán)的電阻和質(zhì)量都將變大。為獲得更加明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可將條形磁鐵換為強(qiáng)磁鐵。若改變環(huán)的運(yùn)動(dòng)形式，可以將鋁環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)改為平動(dòng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，將鋁環(huán)豎直固定在小車上，小車放在平滑軌道上。這樣改進(jìn)后，操作難度大大降低

6、。但是由于摩擦力較大，要獲得較明顯的實(shí)驗(yàn)效果，仍然要采用強(qiáng)磁鐵。QAFWQb圖2上述兩個(gè)方案雖然解決了實(shí)驗(yàn)操作的難題，但對實(shí)驗(yàn)器材的要求更高，如果實(shí)驗(yàn)室中沒有強(qiáng)磁鐵，就很難被采用。反思我們的改進(jìn)思路，就不難發(fā)現(xiàn)，我們在改正原有實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)時(shí)同時(shí)也將其優(yōu)點(diǎn)摒棄。原有實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于其運(yùn)動(dòng)過程中阻力較小，而這個(gè)優(yōu)點(diǎn)正是源于所采用的鋁環(huán)直徑較小、其運(yùn)動(dòng)形式為轉(zhuǎn)動(dòng)。為了在改進(jìn)中同時(shí)保留原有實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，我們可以采用如圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置。.0b圖3將A、B兩個(gè)鋁環(huán)分別用細(xì)長純懸掛，繩子另一端固定在鐵架臺上。通過這樣的改進(jìn)，A環(huán)的運(yùn)動(dòng)形式仍是轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中阻力較小，另一方面由于繩子較長，A環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中也不容易

7、碰到磁鐵。實(shí)驗(yàn)中，純子的長度適當(dāng)長一些，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯。通過上述例子的分析，可以看出，在應(yīng)用缺點(diǎn)列舉法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)時(shí)，找到原有實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)是基礎(chǔ)，但是在改進(jìn)中一定要注意保留原有實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。特別教材中的實(shí)驗(yàn)，它凝聚了大量專家、學(xué)者和一線教師的寶貴經(jīng)驗(yàn)，其可取之處必然很多，在做改進(jìn)之前一定要先清楚地認(rèn)識到它的優(yōu)點(diǎn)，然后再去找它的不足之處。（二）希望點(diǎn)列舉法希望點(diǎn)列舉法，這是一種通過提出對事物的希望或理想，進(jìn)而探究解決方法和措施的創(chuàng)新技法，其應(yīng)用要點(diǎn)在于如何提出合理的希望或理想。如圖4所示為探究感應(yīng)電流方向的實(shí)驗(yàn)裝置，本實(shí)驗(yàn)的操作簡單，現(xiàn)象明顯c但是在具體探究過程中，由于涉及到物理量較多（包括

8、條形磁鐵產(chǎn)生的磁場方向、穿過螺線管的磁通量的變化、電流計(jì)的指針的偏轉(zhuǎn)方向、螺線管上感應(yīng)電流的方向、感應(yīng)電流的磁場方向等），學(xué)生很難直接從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中總結(jié)歸納出楞次定律。為了在課內(nèi)獲得最終的探究結(jié)論，教師往往需要作比較多的引導(dǎo)，個(gè)別地方甚至比較生硬，這有悖于學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的新課程理念，也削弱了學(xué)生探究的成就感。圖4那么能否設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)使探究過程更為簡便？為了回答這個(gè)問題，我們重新來審視一下本節(jié)課的探究目的，“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化”。這句話的主語是感應(yīng)電流的磁場而非感應(yīng)電流，因此我們可以直接探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場，如果感應(yīng)電流的磁場方向明確，那么根據(jù)右手螺旋定則就可以很輕

9、松地判斷出感應(yīng)電流的方向。由此,我們可以采用如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置。條形磁鐵的N極、S極靠近或遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)將被排斥或吸引。根據(jù)“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”可判斷出鋁環(huán)中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場的磁極方向。冉在圖中畫出原磁場和感應(yīng)電流的磁場方向，如圖6所示（實(shí)線表示原磁場方向，虛線表示感應(yīng)磁場方向），由實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易總結(jié)出磁通量增加時(shí)感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相反，磁通量減小時(shí)感應(yīng)電流磁場與原磁場方向相同，進(jìn)一步可得到實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果一一楞次定律。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于避開了探究感應(yīng)電流方向的繁瑣過程，而從鋁環(huán)的運(yùn)動(dòng)入手，結(jié)合學(xué)生熟知的磁極之間的相互作用，直接研究感應(yīng)電流的磁場方向。這樣既達(dá)到了探究目

10、的，又降低了探究的難度，更符合高中學(xué)生的認(rèn)知水平。從上述例子可以看出，利用希望點(diǎn)列舉法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)時(shí)，找到合理的希望是起點(diǎn)，探索合適的實(shí)驗(yàn)方法是關(guān)鍵，但是創(chuàng)新的終點(diǎn)一定要落回到教材上。弄清楚實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的目的，一來可以避免盲目的創(chuàng)新，二來也可為創(chuàng)新提供思路。（三）信息交合法信息交合法，是把事物的總體信息分解成若干要素，再將其中兩類要素分別作為信息坐標(biāo)系的X軸、y軸，構(gòu)成一個(gè)信息反應(yīng)場，每一個(gè)坐標(biāo)軸上各點(diǎn)的信息分別依次和另一軸上的信息交合，從而產(chǎn)生新的信息。應(yīng)用舉例如下：作為新課引入的迷你實(shí)驗(yàn)，如果采用物理小魔術(shù)的形式，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，引發(fā)學(xué)生的思考，為新課的教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)

11、。但是如何去設(shè)計(jì)那么的多物理小魔術(shù)呢？信息交合法是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。仍以感應(yīng)電流的方向這節(jié)課為例，以實(shí)驗(yàn)器材為信息x軸，魔術(shù)效果為y軸，建立如圖7所示的坐標(biāo)圖?；?dòng)讀心術(shù)控制力亳流計(jì)鋁環(huán)銅管圖7由此可產(chǎn)生9種交合點(diǎn)，你需要一一思考每個(gè)交合點(diǎn)可能產(chǎn)生怎樣的新信息，這個(gè)新信息是否可用。文章篇幅所限，無法對這9個(gè)交合點(diǎn)一一介紹，只能挑選3個(gè)我個(gè)人認(rèn)為較佳的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。(1)電流計(jì)與讀心術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，A、B為根兩根相同的條形磁鐵，C為重量、形狀與A、B相似的金屬棒。三者分別裝入不同顏色的三個(gè)筆袋，然后放入線圈內(nèi)。如果將裝有A、B、C的三個(gè)筆袋分別拿出，則電流計(jì)上分別會出現(xiàn)左偏、右偏、不偏三種不同

12、現(xiàn)象。制作實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，將線圈及電流計(jì)裝在盒子中，電流計(jì)表盤露在盒子后面，使學(xué)生在座位上無法看見線圈及電流計(jì)。演示時(shí)可叫學(xué)生隨意拿出一個(gè)筆袋，教師在盒子后面根據(jù)電流計(jì)的指針的偏轉(zhuǎn)判斷筆袋的顏色，就可佯裝會讀心術(shù)猜出學(xué)生所拿走的筆袋顏色。ABC圖8(2)鋁環(huán)與控制力實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，A為封閉的塑料管，B為懸掛在輕彈簧下的強(qiáng)磁鐵，C為鋁環(huán)。當(dāng)鋁環(huán)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，管內(nèi)的強(qiáng)磁鐵B將隨之上下振動(dòng)。為了增加演示的魔術(shù)效果，可將鋁片貼在大拇指與食指構(gòu)成的弧圈上，操作時(shí)左右手大拇指和食指相接觸構(gòu)成一閉合回路。圖10SB（二乂圖9（3）銅管與互動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示，A、B分別為兩根兩端開口的空心塑料管與銅管，C為

13、磁鐵。演示時(shí)，教師先將磁鐵從銅管上端靜止釋放，然后用同一只手在銅管下端接住磁鐵。偷偷將銅管換成塑料管后，叫學(xué)生上來做同樣動(dòng)作，由于在塑料管中磁鐵下落速度較快，學(xué)生很難接住。為達(dá)到較佳的演示效果，兩根管外表要一致，固定管的裝置要靈活，以方便操作時(shí)換管。上例中x軸、y軸都只取了3個(gè)信息要素，實(shí)際上可選取的信息要素遠(yuǎn)不止這些，所能產(chǎn)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)也遠(yuǎn)不止9種。如果將x軸或y軸的要素種類換成別的種類，那又可以得到更多的思路，甚至還可以建立三維的坐標(biāo)圖?？偠灾?，信息交合法如果應(yīng)用得當(dāng)，那么它幾乎可以產(chǎn)生無窮的創(chuàng)新思路。三、物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的基本原則掌握了一定的創(chuàng)新技法后，創(chuàng)新的思路幾乎是無窮無盡的，然而在教學(xué)實(shí)踐中，不是每一種創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)都是合理、可用的。為避免盲目、無意義甚至錯(cuò)誤的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)中還應(yīng)該把握以下幾個(gè)原則。第一，安全性原則，這點(diǎn)無需多加說明，其重要性不言自明。第二，科學(xué)性原則，這是物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的根本原則。如果出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，那實(shí)驗(yàn)就是毫無意義的。除了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要符合科學(xué)科學(xué)性原則外，教師在演示實(shí)驗(yàn)過程中的操作，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理都必須科學(xué)、規(guī)范，為學(xué)生良好的科學(xué)態(tài)度的形成起示范作用。第三，實(shí)用性原則，即要求創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)取材方便，操作簡單。第四，適