高中物理实验的创新性设计
时间：2021.03.12 创作：欧阳文 摘要：为了更好地培养学生的科学素养与创新能力，教师需要在教学中设计创新性的实验。这要求教师提高自身的知识储量，培养自身的创新意识，掌握一定的创新方法。缺点列举法、希望点列举法、信息交合法等创新技法可为物理实验的创新性设计提供广阔的思路，但不应忘记创新性设计的目的——为教学目标的实现服务。同时，安全性、科学性、实用性、适用性等原则仍是物理创新性设计时所要考虑的最基本原则。
关键词：物理实验；创新性设计；缺点列举法；希望点列举法；信息交合法
一、物理实验创新性设计的意义
作为一门建立在实验基础上的基础自然学科，物理学在研究物质的基本结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律之外，也注重对所采用的实验手段和思维方法的研究。因此，物理的教学始终离不开物理实验的教学：有趣的实验现象是激发学生探索自然、理解自然的兴趣与热情的催化剂，亲手的操作是培养学生物理技能和实践能力的最佳途径；此
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外亲身的实验经历能让学生体验科学探究的过程、了解科学研究的方法，有助于提高学生的科学素养。
作为教学活动的主导者，教师首先要对实验在物理教学中的重要性有足够的认识，其次要充分利用教材中已有的实验资源，并能够够根据教学实际设计一些创新性的实验。这种创新性的实验设计可以是对教材已有实验的改进，以解决个别实验取材不易、操作不便、实验效果不明显等弊端；也可以是基于教学需要的全新设计，以弥补教材的不足，帮助学生构建一些重要的物理概念和物理规律。
物理实验的创新性设计，是教师秉承新课程标准课程开放性理念，由课程的复制者走向课程的创造者的有效尝试。它可以有效地促进学生自主地、富有个性地学习，对学生的科学探究能力、实践能力和创新意识的培养大有裨益。
二、物理实验创新性设计的方法
那么我们该如何在教学实践中进行创新性的实验设计呢？ 创新需要丰富的创造力，而一个人的创造力由他所拥有的知识储量、创造性思维能力和创新技法三个因素共同决定。因此要进行创新性的实验设计，教师要有终身学习的意识，力求在专业上不断进步，不断提高自身的知识储量和创造性思维能力。然而知识是无穷无尽的，创造性思维能力的培养也绝非一日之事，因此要想在短时间提高创造力，掌握必要
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的创新技法是简单而有效的方法。
创新技法的种类非常之多，本文将结合《感应电流的方向》（鲁科版高中物理选修3-2第2章第1节）中的两个实验介绍缺点列举法、希望点列举法和信息交合法三种创新技法在物理实验创新性设计中的应用。
（一）缺点列举法
缺点列举法，顾名思义，就是列举事物的缺点或不足之处，再针对性地提出解决方法和措施。其中，找到事物的缺点或不足之处是本方法应用的重点。
如图1所示，Ａ、Ｂ为两个很轻的铝环，环Ａ闭合，环Ｂ断开。将条形磁铁的Ｎ极或Ｓ极靠近Ａ环时，Ａ环将朝远离磁铁的方向运动，若将磁铁从Ａ环中拔出，Ａ环将朝靠近磁铁方向运动；磁铁靠近或远离Ｂ环时，Ｂ环不动。该实验为《感应电流的方向》一课中最为常见的一个引入实验。
在演示该实验时，由于环本身很小，而Ａ环运动时又是绕Ｏ点转动，故操作过程中经常会出现磁铁与环相碰的现象。这个不足之处一方面增加了操作的难度，另一方面也让实验的演示效果大打折扣。
解决这个问题的思路有两个，其一为增加环的直径，其二为改变环的运动形式。增加环的直径这种思路最为直接也最容易想到，但是实际操作会发现，直径增大后环的转动不明显。原因在于直径增大后，铝环的电阻和质量都将变大。
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为获得更加明显的实验现象，可将条形磁铁换为强磁铁。
若改变环的运动形式，可以将铝环的转动改为平动，实验装置如图２所示，将铝环竖直固定在小车上，小车放在平滑轨道上。这样改进后，操作难度大大降低。但是由于摩擦力较大，要获得较明显的实验效果，仍然要采用强磁铁。
上述两个方案虽然解决了实验操作的难题，但对实验器材的要求更高，如果实验室中没有强磁铁，就很难被采用。反思我们的改进思路，就不难发现，我们在改正原有实验的缺点时同时也将其优点摒弃。原有实验的优点在于其运动过程中阻力较小，而这个优点正是源于所采用的铝环直径较小、其运动形式为转动。为了在改进中同时保留原有实验的优点，我们可以采用如图３所示的实验装置。
将Ａ、Ｂ两个铝环分别用细长绳悬挂，绳子另一端固定在铁架台上。通过这样的改进，Ａ环的运动形式仍是转动，运动过程中阻力较小，另一方面由于绳子较长，Ａ环运动过程中也不容易碰到磁铁。实验中，绳子的长度适当长一些，实验现象更明显。
通过上述例子的分析，可以看出，在应用缺点列举法进行实验的创新性设计时，找到原有实验的缺点是基础，但是在改进中一定要注意保留原有实验的优点。特别教材中的实验，它凝聚了大量专家、学者和一线教师的宝贵经验，其可取之处必然很多，在做改进之前一定要先清楚地认识到它的
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优点，然后再去找它的不足之处。
（二）希望点列举法
希望点列举法，这是一种通过提出对事物的希望或理想，进而探究解决方法和措施的创新技法，其应用要点在于如何提出合理的希望或理想。
如图４所示为探究感应电流方向的实验装置，本实验的操作简单，现象明显。但是在具体探究过程中，由于涉及到物理量较多（包括条形磁铁产生的磁场方向、穿过螺线管的磁通量的变化、电流计的指针的偏转方向、螺线管上感应电流的方向、感应电流的磁场方向等），学生很难直接从实验结果中总结归纳出楞次定律。为了在课内获得最终的探究结论，教师往往需要作比较多的引导，个别地方甚至比较生硬，这有悖于学生作为学习主体的新课程理念，也削弱了学生探究的成就感。
那么能否设计一个实验使探究过程更为简便？
为了回答这个问题，我们重新来审视一下本节课的探究目的，“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量变化”。这句话的主语是感应电流的磁场而非感应电流，因此我们可以直接探究感应电流产生的磁场，如果感应电流的磁场方向明确，那么根据右手螺旋定则就可以很轻松地判断出感应电流的方向。由此，我们可以采用如图５所示的实验装置。
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条形磁铁的Ｎ极、Ｓ极靠近或远离铝环时，铝环将被排斥或吸引。根据“同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引“可判断出铝环中感应电流产生的磁场的磁极方向。再在图中画出原磁场和感应电流的磁场方向，如图６所示（实线表示原磁场方向，虚线表示感应磁场方向），由实验结果容易总结出磁通量增加时感应电流磁场与原磁场方向相反，磁通量减小时感应电流磁场与原磁场方向相同，进一步可得到实验探究结果——楞次定律。
这种方法的优点在于避开了探究感应电流方向的繁琐过程，而从铝环的运动入手，结合学生熟知的磁极之间的相互作用，直接研究感应电流的磁场方向。这样既达到了探究目的，又降低了探究的难度，更符合高中学生的认知水平。
从上述例子可以看出，利用希望点列举法进行实验的创新性设计时，找到合理的希望是起点，探索合适的实验方法是关键，但是创新的终点一定要落回到教材上。弄清楚实验创新的目的，一来可以避免盲目的创新，二来也可为创新提供思路。
（三）信息交合法
信息交合法，是把事物的总体信息分解成若干要素，再将其中两类要素分别作为信息坐标系的ｘ轴、ｙ轴，构成一个信息反应场，每一个坐标轴上各点的信息分别依次和另一轴上的信息交合，从而产生新的信息。应用举例如下：
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作为新课引入的迷你实验，如果采用物理小魔术的形式，可以极大地激发学生的学习欲望，引发学生的思考，为新课的教学打下良好的基础。但是如何去设计那么的多物理小魔术呢？信息交合法是一个不错的选择。仍以《感应电流的方向》这节课为例，以实验器材为信息ｘ轴，魔术效果为ｙ轴，建立如图７所示的坐标图。
由此可产生９种交合点，你需要一一思考每个交合点可能产生怎样的新信息，这个新信息是否可用。文章篇幅所限，无法对这９个交合点一一介绍，只能挑选３个我个人认为较佳的创新性设计。
（）
电流计与读心术
实验装置如图８所示，Ａ、Ｂ为根两根相同的条形磁铁，Ｃ为重量、形状与Ａ、Ｂ相似的金属棒。三者分别装入不同颜色的三个笔袋，然后放入线圈内。如果将装有Ａ、Ｂ、Ｃ的三个笔袋分别拿出，则电流计上分别会出现左偏、右偏、不偏三种不同现象。制作实验装置时，将线圈及电流计装在盒子中，电流计表盘露在盒子后面，使学生在座位上无法看见线圈及电流计。演示时可叫学生随意拿出一个笔袋，教师在盒子后面根据电流计的指针的偏转判断笔袋的颜色，就可佯装会读心术猜出学生所拿走的笔袋颜色。
（）
铝环与控制力
实验装置如图９所示，Ａ为封闭的塑料管，Ｂ为悬挂在
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轻弹簧下的强磁铁，Ｃ为铝环。当铝环上下运动时，管内的强磁铁Ｂ将随之上下振动。为了增加演示的魔术效果，可将铝片贴在大拇指与食指构成的弧圈上，操作时左右手大拇指和食指相接触构成一闭合回路。
（）
铜管与互动
实验装置如图１０所示，Ａ、Ｂ分别为两根两端开口的空心塑料管与铜管，Ｃ为磁铁。演示时，教师先将磁铁从铜管上端静止释放，然后用同一只手在铜管下端接住磁铁。偷偷将铜管换成塑料管后，叫学生上来做同样动作，由于在塑料管中磁铁下落速度较快，学生很难接住。为达到较佳的演示效果，两根管外表要一致，固定管的装置要灵活，以方便操作时换管。
上例中ｘ轴、ｙ轴都只取了３个信息要素，实际上可选取的信息要素远不止这些，所能产生的创新设计也远不止９种。如果将ｘ轴或ｙ轴的要素种类换成别的种类，那又可以得到更多的思路，甚至还可以建立三维的坐标图。总而言之，信息交合法如果应用得当，那么它几乎可以产生无穷的创新思路。
三、物理实验创新性设计的基本原则
掌握了一定的创新技法后，创新的思路几乎是无穷无尽的，然而在教学实践中，不是每一种创新性的设计都是合
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理、可用的。为避免盲目、无意义甚至错误的创新设计，在物理实验的创新性设计中还应该把握以下几个原则。
第一，安全性原则，这点无需多加说明，其重要性不言自明。第二，科学性原则，这是物理实验创新性设计的根本原则。如果出现科学性错误，那实验就是毫无意义的。除了实验设计要符合科学科学性原则外，教师在演示实验过程中的操作，对实验数据的处理都必须科学、规范，为学生良好的科学态度的形成起示范作用。第三，实用性原则，即要求创新性设计的实验取材方便，操作简单。第四，适用性原则，即创新性设计的实验原理应该是高中学生学习过或所能够理解的，创新实验的目的是帮助实现教学目标，而非为创新而创新。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[M].北京:人民教育出版社,2003年4月
[2]司南中学物理教材编写组.普通高中物理课程标准实验教科书物理（选修3-2）[M].济南：山东科学技术出版社，2007年7月第3版
[3] 檀润华,丁辉.创新技法与实践[M].北京:机械工业出版社,2010年7月 作者：欧剑雄
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工作单位：福建省莆田第一中学
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