高中物理实验的创新性设计

高中物理实验的创新性设计

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。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。