雙新背景下高中物理微實驗教學資源的開發(fā)策略

呂國霞

摘? ?要：物理是以實驗為基礎的學科，物理實驗資源的開發(fā)對培養(yǎng)學生的科學探究能力有很大的促進作用。微實驗是最接近物理情境的小實驗，在新教材、新高考背景下，以電磁學方面的內容為例，從教材、生活素材、網(wǎng)絡等方面展示微實驗開發(fā)的策略及成功之處，以饗讀者。

關鍵詞：微實驗；雙新背景；開發(fā)策略

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）6-0068-4

２０１９年教育部明確指出要立足全面發(fā)展育人目標，構建包括“核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力、必備知識”在內的高考考查內容體系。物理學是以實驗為基礎的學科，物理實驗教學資源的開發(fā)對培養(yǎng)學生的科學探究能力有很大的促進作用。隨著生活水平的提高、網(wǎng)絡的普及和科技的快速發(fā)展，利用生活用品將物理情境、物理現(xiàn)象、物理習題的可視化資源微型化呈現(xiàn)，將物理實驗情境生活化、普及化。開發(fā)微實驗教學資源，不僅使物理教學跳出實驗室儀器和所用教材，還可以提高學生的動手能力，利用知識進行微實驗的創(chuàng)新，并將實驗探究思想融入到盡可能多的物理知識學習中。

１? ? 關鍵詞的界定

１．１? ? 微實驗

微實驗指操作簡單、取材相對容易、現(xiàn)象明顯的微型實驗或實驗片段。相對常規(guī)實驗而言，微型實驗的器材來源廣泛，不用過多地考慮精密的實驗設置和繁瑣的操作過程，卻能凸顯所遇到問題的核心。微實驗經(jīng)常呈現(xiàn)為簡易實驗、小發(fā)明、小制作、自制教具、趣味化物理小實驗等。比如，利用日常用品開發(fā)物理小實驗，利用廢舊材料開發(fā)低成本的物理小實驗，利用手機、電腦等工具使物理實驗現(xiàn)象更清晰、數(shù)據(jù)處理更精確，將抽象的物理習題可視化，等等。

１．２? ? 微實驗的分類

依據(jù)《普通高中物理課程標準（2017年版）》《中國高考評價體系》，結合高中物理教材和實驗教學在學習中的作用，將微實驗分為五類：情境創(chuàng)設微實驗、教師演示微實驗、習題課微實驗、多媒體輔助微實驗和學生自主設計微實驗。

１．３? ? 雙新背景

新高考：２０１４年９月，國務院發(fā)布《國務院關于深化考試招生制度改革的實施意見》所制定的“高考綜合改革方案”，高考模式多樣化。

新教材：２０１９年，依據(jù)《普通高中物理課程標準（２０１７年版）》編寫了各版高中物理教材，各版教材有三本必修和三本選擇性必修。

２? ? 微實驗教學資源的開發(fā)策略

２．１? ? 利用教材開發(fā)微實驗

每版教材的實驗都有自己的特色。以人教版新教材為藍本，借鑒其余４個版本新教材的實驗設置，在充實核心實驗的基礎上，總結可開發(fā)的微實驗。人教版新教材和舊教材相比，充實了一些新情境的實驗內容；魯科版教材中的“迷你實驗室”欄目所呈現(xiàn)的小實驗，基本是貼近生活的小實驗，豐富而有趣；滬科教版教材特別注重介紹新科技的原理，教材中“家庭作業(yè)與活動”部分有很多可以自主設計的小實驗活動；粵教版教材的實驗拓展和課外閱讀中有高端的現(xiàn)代科技圖片展示，習題中也有相當?shù)纳钚嶒?。這些教材的小實驗都是開發(fā)微實驗教學資源的絕佳素材。以選擇性必修二的教材為例，通過熟悉教材，實施并總結以下幾個微實驗：

（１）情境創(chuàng)設微實驗：鋁箔在磁場中受力，鋁箔尖端放電

魯科版選擇性必修二教材１．１中“迷你實驗室”欄目——會動的鋁箔“天橋”，如圖１所示。因家用鋁箔紙比較軟，折疊出的規(guī)則形狀容易變形，可以剪出一厘米寬的鋁箔紙，豎放在電池與磁鐵之間，如圖２（ａ）所示。當鋁箔紙和電源接通時，鋁箔紙形狀發(fā)生明顯變化，如圖２（ｂ）所示。這個實驗操作簡單，但要注意不能直接用手捏鋁箔紙到電池兩極，需要用小紙片墊一下，以防燙傷。另外，將鋁箔紙剪成兩段，其中一段剪為尖端，兩段分別接在電池兩極上。當尖端靠近另一個鋁箔紙時，會發(fā)生放電現(xiàn)象，如圖３所示。

（２） 課堂演示微實驗：演示楞次定律，磁鐵靠近或遠離鋁環(huán)實驗

觀察電磁感應現(xiàn)象的常規(guī)實驗“演示楞次定律”：用磁鐵靠近鋁環(huán)，通過觀察鋁環(huán)的運動來分析鋁環(huán)的受力。教材習題——磁鐵靠近閉合的鋁環(huán)和斷開的鋁環(huán)時的現(xiàn)象及解釋。實驗中，質量大的鋁環(huán)在弱磁場中偏轉角度較小，質量小的斷開的薄鋁環(huán)，當強磁鐵靠近或遠離時會因發(fā)生局部小渦流而輕微移動。在生活中很少能找到符合標準的鋁環(huán)，可替換為由鋁導線或者銅導線做成的閉合小環(huán)，用細線懸掛后進行實驗。學生可以利用身邊找到的磁鐵設置銅環(huán)或者鋁環(huán)的大小，使實驗現(xiàn)象明顯。實驗裝置如圖４所示，將一根銅導線繞成一個閉合的環(huán)（用鋁箔包裹接觸處，保證接觸良好），用細線懸掛并做實驗觀察楞次定律，閉合環(huán)的直徑約為磁鐵截面直徑的１．５倍時，實驗現(xiàn)象更明顯。將一根銅導線的一端形成閉合的環(huán)，另一端是斷開的環(huán)，中間用細線懸掛，通過銅線的旋轉判斷受力特征。為了防止磁鐵和環(huán)的碰撞，先將閉環(huán)放在磁鐵的磁極附近，讓磁鐵遠離閉環(huán)運動，實驗現(xiàn)象更明顯。

（３）學生自主設計微實驗：自制電磁驅動演示器

用一個鐵殼子套住易拉罐，鐵殼子上下放上片狀強磁鐵，用筆芯穿起來放在塑料盒子做的支架上，如圖５所示。當鐵殼子繞著易拉罐轉動時，易拉罐也跟著轉動起來，且鐵殼子轉動得越快，易拉罐轉得也越快，可以形象地演示電磁驅動現(xiàn)象。

幾個版本教材的微實驗各有特色，通過熟悉教材、總結實驗，開發(fā)微實驗教學資源，形成比較完善的高中微實驗教學資源體系。開發(fā)時，要注意綜合教材的優(yōu)勢，做到實驗現(xiàn)象明顯，實驗操作簡單快捷。

２．２? ? 利用網(wǎng)絡成品開發(fā)微實驗

先利用網(wǎng)絡資源，搜集大量物理實驗視頻、科技小發(fā)明、小制作等。然后，匯總較好的微實驗思想，激發(fā)微實驗的創(chuàng)作靈感。最后，挑選可用的微實驗，形成實驗方案和教學設計。例如，網(wǎng)上有各種簡易電動機的詳情介紹，在所有的電學儀器中，簡易電動機的制作比較好玩，且花樣繁多。學校提供繞制線圈的銅線，學生自主完成制作過程。簡易電動機的制作能讓學生認識到同一知識框架下的儀器可以千差萬別，取長補短。設計出更完美的元件，是最重要的科學創(chuàng)新素養(yǎng)。學生制作的簡易電動機實例如圖６—圖8所示，圖６中的電動機由瓶底、分別位于瓶底兩側的兩塊強磁鐵、銅線和電源構成；圖7中的電動機由廢舊磁鐵、瓶底、銅線和電源組成；圖8則是利用舊電器組合成轉動的飛輪。

開發(fā)的微實驗儀器分為兩類，一類是利用已有的、網(wǎng)絡上基本都能搜到的實驗成品，比如游標卡尺、多用電表。先通過拆解成品來掌握原理，然后仿制一些簡易儀器。另一類是利用簡易玩具物品，比如簡易電動機、磁懸浮列車等。它們的元件制作簡單，充滿物理趣味。教師要給學生提供網(wǎng)上搜索素材的關鍵詞，正確引導學生從龐大的成品中搜集到需要的素材。

２．３? ? 利用數(shù)據(jù)庫開發(fā)微實驗

先通過ＣＮＫＩ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ＬＩＮＫ等數(shù)據(jù)庫檢索“高中物理”“微實驗”“實驗教學”“教學資源開發(fā)”等關鍵詞。然后，查閱相關研究文獻、閱讀相關論著。最后，總結實驗教學資源，開發(fā)微實驗。這些實驗有一定的實踐基礎，可操作性強。比如，利用手機測磁感應強度的實驗，電容器充放電的實驗教學，探究磁場對電流作用力的實驗改進，探究感應電流的產(chǎn)生條件的優(yōu)化實驗，用傳感器和軟件探究小燈泡的伏安特性曲線等，都可以通過線上查閱資料來完善實驗教學資源。

２．４? ? 利用軟件開發(fā)習題可視化微實驗

電磁學中，很多問題都比較抽象，尤其是多維過程問題，學生因缺少空間分析能力，不能很好地分析。而動態(tài)的演示過程，就能把難度降低。物理作圖軟件很多，常用的軟件有幾何畫板、仿真物理實驗室，ＭＡＴＬＡＢ、ＧｅｏＧｅｂｒａ和Tｒａｃｋｅｒ。掌握這些軟件的作圖方法，就能將抽象的習題可視化。圖9是帶電粒子在勻強磁場中的旋轉圓模型的動態(tài)演示，圖10是磁聚焦和磁發(fā)散的動態(tài)演示，都是采用仿真物理實驗室軟件制作的動態(tài)演示過程的瞬時截圖。

３? ? 結? ?語

在新教材、新高考的背景下，教師作為新課程的設計者、學生學習的引導者，不僅需要扎實的專業(yè)知識，也需要有整合教學資源的能力。微實驗的開發(fā)要以新教材為基礎，融合已有教學經(jīng)驗，結合網(wǎng)絡、期刊中的有關物理實驗作品，以培養(yǎng)學生的實驗能力為目標，拓展實驗教學資源的廣度和深度，總結成功的微實驗開發(fā)與實施策略。在提高本校教師教材資源整合能力的基礎上，激勵更多的教師更新物理教學觀念，靈活使用教材，利用生活用品為教學服務。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版）［S］． 北京：人民教育出版社，２０１8：７２－７７．

［２］教育部考試中心.中國高考評價體系［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０１９．

［３］汪路斌，馬亞鵬． 物理習題教學實驗化的途徑與案例分析［Ｊ］．物理教師，２０２０，４１（１２）：51-54．

［４］鮑康宏．巧妙構建物理模型使物理過程關鍵特征可視化［Ｊ］．中小學實驗與裝備，２０２０，３０（４）：１４－１７．

［５］張宏齊．開發(fā)低成本高效率實驗培養(yǎng)學生實踐意識——以人教版中“瓶的應用”為例［Ｊ］．物理通報，２０１９（６）：８６－８９．

（欄目編輯? ? 賈偉堯）