浅谈中学物理创新实验的设计和运用策略

摘要：物理创新实验是开展创新教育的有效途径.物理教师不止要传播科学知识、科学精神、科学观念，更为重要的是要启迪学生的智慧，提升学生的创新思维，进而培养学生的创新能力.从可操作性的层面， 结合具体实验案例，对中学物理创新实验的设计和运用进行一些思考与探索.
关键词：物理创新实验；改革实验；呈现方式；优化升级；设计新实验
作者简介：毕亮（1984-），男，云南弥渡人，学士，云南省绿春县第一中学一级教师，从事中学物理教学工作 .
基金项目：云南省教育科学“十二五”2015年度课题“创新物理实验在边疆少数民族地区中学物理教学中的运用”（课题立项编号：BC15030）.习近平同志说过：“抓创新就是抓发展，谋创新就是谋未来.不创新就要落后，创新慢了也要落后.”江泽民同志说过：“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力，创新的关键在人才，人才的成长靠教育.”要培养创新型人才，就必须实施创新教育.所谓创新教育，就是通过有效的教育手段和科学方法，以培养学生创新的意识、思维、精神、能力和个性为基本价值取向的教育.在物理教学中，物理创新实验是开展创新教育的有效途径.
学生创新的意识、思维、精神、能力和个性的初步养成，必须依靠中学老师.有很多物理教师会说，我们自己都不能设计物理创新实验，更别谈用物理创新实验开展创新教学.本文结合实验案例，笔者谈谈自己的想法和思考，做了一些思考和探索.
1改变实验呈现方式
中学生的自控力、专注力较差，如果演示实验过于枯燥，学生容易失去学习兴趣，一旦失去兴趣，他们学习的动机也会减弱.物理课就没有了吸引力，创新教育也就成了空中楼阁.
1.1将实验改为舞台剧
比如覆杯实验，我们可以将其改为舞台剧.因篇幅限制，不便将剧本原文呈现出来，这里只介绍改编的故事.费曼的传记——《别闹了，费曼先生：科学顽童的故事》[1]一书记录了费曼的一则逸闻趣事.
大三、大四时，费曼常光顾波士顿的一家餐厅，餐厅的人都认识他，平时负责招呼他的是一名叫苏丝的女服务员.餐厅生意非常好，服务员总是很匆忙.一天，费曼为了捉弄苏丝，将两个五美分的硬币分别放在两个玻璃杯里，在玻璃杯中装满水，用卡片覆盖杯口，然后翻转过来——卡片受到大气压力，紧紧的贴在杯口，杯中水无法流出.费曼将玻璃杯倒放在桌上，再抽走卡片.由于杯子盖得紧，空气进不去，水也漏不出来.临走时，费曼让苏丝小心：玻璃杯里边装满了水！苏丝收拾桌子，匆忙中把一个杯子拿起来，水流得满桌都是.苏丝气坏了，叫来老板，两人研究半天，没想到解决办法，最后只能把第二个杯子拿起来，结果水流了一地，苏丝还滑了一跤.第二天，费曼又去这家餐厅吃饭，负责招呼他的是另一名女服务员，苏丝再也不理睬他了.新的女服务员将苏丝昨日的丑事说给费曼听，费曼哈哈大笑.她对费曼说：你还笑？如果有人这样对你，你该怎么办？费曼说：没事，我会拿一个汤碗，很小心地把杯子滑到桌边，让水流到汤碗里，然后再把小费拿起来.她说：噢，这主意不错！那天晚上，费曼将咖啡杯翻过来盖在桌上，把小费放进去.第三天费曼又到餐厅，还是同一个女服务员招呼他.她问费曼：昨天晚上你为什么把咖啡杯盖在桌上？费曼说：我想，即使你很匆忙，你还是会跑回厨房拿一个汤碗，然后慢慢地、小心翼翼地把杯子移到桌边……她抱怨道：我就是这么做的，但杯子里一点水都没有！
我们可以将这个故事改编为舞台剧，剧名叫《费曼捉弄女服务生》.只需要四名同学提前两三天排练，课堂上表演出来，效果非常好.学生会认为，老师的教学方式别出心裁，充满创意！当然，并不是每个实验活动都可以改编为舞台剧，这样的舞台剧也不一定越多越好，但是一個学年或一个学期，能有一两个这样的舞台剧，也是蛮不错的.
1.2将实验改为游戏
与改为舞台剧相比，将实验活动改为游戏，就显得更容易、方便.学生的参与面也可以更广.同样是验证大气压强存在的实验，我们可以将实验改为游戏.需要的实验器材有矿泉水瓶和气球.具体的实施方案如下.
上课的前一天，教师让所有同学每人准备一个空的矿泉水瓶，教师自己购买一包气球（气球比矿泉水难买到）.在前一天，教师事先找一两个瘦小的男生.把游戏无法成功和容易取得成功的秘诀传授给他们.将一个矿泉水瓶的瓶盖去掉，把一个气球塞进瓶内，气球口套在瓶口.用嘴向气球内吹气，气球被微微吹大一点之后，就再也无法被吹大.为什么呢？因为气体也有压强，瓶口套上气球时，瓶内气压和外界大气压相等.吹气时，气球内部气体增多压强增大，气球膨胀，同时瓶内气体的空间被压缩，瓶内气压增大.要使气球继续变大，人吹到气球内的气体的压强必须大于球身压强与瓶内气体的压强之和.然而，人的肺活量是一定的，人吹出的气体的压强无法抵抗球身压强与瓶内气体的压强之和时，气球再也无法变大.在矿泉水瓶的瓶身上打一个小孔.吹气球时，气球内部气体增多压强增大，气球挤占瓶内气体的空间，瓶内气体通过小孔排出，气球因此可以被吹大.气球的球身贴紧瓶壁后继续吹气，气球还会继续变长.用手指堵住小孔，嘴离开瓶口，气球会稍微收缩一点，之后就不能继续收缩，因为气球内部气体的压强（等于大气压）与球身压强和瓶内气体压强（小于大气压）之合相等，在这种情况下气球不会变瘪.手指离开小孔后，气球内外都与大气连通，内外气压必须相等，气球在自身弹力作用下变瘪.
在课堂上，教师把气球分发给学生……让学生进行吹气球比赛，谁吹得最大，并且嘴离开瓶口后气球不会变瘪，谁就胜利.结果显而易见，是托儿胜出.在其余同学都用羡慕的眼神看着胜出者时，教师让其中的一个托上台揭秘成功的要诀.这样的一个游戏，不仅成本极低，还能使全体学生参与.学生在轻松愉快的氛围中，牢牢掌握了物理知识.课后，也许还会有学生拿这个游戏去“欺骗”其他班的同学，获得一种成就感和满足感.
无论是“舞台剧”还是“游戏”，都可以启发学生：只要有创新的意识和能力，对物理实验略作包装，实验也可以充满人文气息，同时又有趣、好玩.在创新教育的初级阶段，我们要做的就是给他们树立榜样，用创新实验方案进行反复熏陶.
2优化升级教材中的实验
教材中的实验，并非个个都是完美的.个别实验可能会存在一些缺憾，如逻辑不够流畅、实验现象不够明显等.教师一旦发现教材中的实验可以改进，便可以放开手脚，大胆地发挥自己的聪明才智.甚至，教师还可以带领学生，以教材实验为蓝本，做一些力所能及的创新.
下面，笔者以人教版八年级物理上册中“温度能改变物质密度”的实验为例，谈一谈如何优化升级教材中的实验.该实验是这样的[2]：按图1做一个纸风车.如果把纸风车放在点燃的酒精灯上方，风车能转动起来.你知道是什么推动了风车吗？教材给出的解释：气体受热膨胀.由于密度ρ=mv，一定质量的气体体积膨胀后，密度变小.空气因受热体积膨胀，密度变小而上升.热空气上升后，冷空气就从四面八方流过来，从而形成风.
虽然这个实验的现象很明显，但是无法彰显逻辑的层次性和渐进性.笔者曾经用打火机设计过一系列小实验[3]，其中一个实验是“温度可以改变密度”.将笔者设计的这个实验进一步细化，并与图1中的实验组合在一起.可以将图1中的实验优化升级，将其创新为逻辑流畅的探索性实验.具体的做法如下.
教师掏出一个打火机，向学生展示后，将打火机直立握在手中，注意，仅仅握住机身的三分之二.教师：如果我打燃火机，火焰会朝向哪一个方向？学生心里想，这不是司空见惯的现象吗？因此，他们张口就答：竖直向上.教师打燃火机，现象的确与学生预料的一样，见图2.教师：为什么火焰会朝上？学生张口就答：因为喷口朝上.接下来，教师转动打燃的打火机，将其横握在手中，学生会观察到火焰弯向上方，现象如图3所示.再转动打火机，将其倒立过来，学生会看到，火焰依然弯向上方，其现象如图4所示.整个转动的过程，火焰始终是弯向上方的.此时学生心中充满疑问，并且会提出自己的猜想.
教师：火焰为什么总是弯向上方？学生：可能是喷出的气体密度小，比较轻，会向上飘，所以火焰朝上.教师：喷出的气体，主要成分是正丁烷，密度比空气大很多，况且气体已经燃烧——和氧气发生化学反应，生成二氧化碳和水，它们整体的密度也比空气大很多（学生还未学化学，教师最好直接回答学生，喷出的气体已经燃烧掉了）.学生：那是为什么呢？教师：如果打火机处于直立状态，什么情况下火焰会变弯呢？学生：有持续的微风吹过.教师：对.在这种情形下，火焰会弯向那个方向？学生：风向哪个方向吹，火焰就会弯向哪个方向.教师：对.再思考打火机的火焰为什么始终向上弯？学生：可能有风向上吹.教师：这种猜想非常合理.在生活中，有风迎面吹向风车，风车会转动吗？学生：会，教师：如果我们想证明，火焰附近有风由下向上吹，该怎么办？学生：在火焰上方放一个纸风车.教师：非常好.由于打火机不能长时间处于燃烧状态.下面，我们用一个酒精灯和风车来验证我们的猜想.教师随机抽两位同学上台演示.
学生做实验.首先，在未点燃的酒精灯上方放一个纸风车，纸风车不转动，说明此时没有风.接着，点燃酒精灯，学生看到纸风车转动起来，说明点燃的火焰产生了风.最后，熄灭酒精灯，学生看到原本转动的风车停了下来.实验结束后，教师借助液体温度计的原理（之前已经学过），引导学生思考为何火焰周围会形成竖直向上的风，并最终得到正确的答案.
优化升级教材中的实验，难度要大一些.只要教师有创新能力，就可以改进教材中的实验.借助这一类的创新实验，可以培养创新的思维，可以培养学生的创新能力和精神.
3设计全新原创的实验
设计全新原创的实验，比前两个阶段的创新都难.对教师的物理素养和创新能力的要求更高，但也不是不可能做到.首先，多进行相关的阅讀，从中吸取营养，学习创新技能，创新思维等，其次我们要善于观察身边的各种器具，积极思考它们有什么特性，能否在它们的各种特性上做文章.或者针对某个物理知识，深入思考可以用什么器材来证明这个物理知识是正确的.其次，我们要敢于尝试、勇于尝试，不惧怕失败，不断总结经验教训.
笔者曾设计过吹“乒乓球”的系列实验[4].涉及到的知识是伯努利原理：在流体中，流速越大的位置，压强越小.其中的一个实验非常有趣，简直就是一个魔术.如图5所示，在一个方形的玻璃杯中放入乒乓球，把玻璃杯放置于水平桌面上.此时，乒乓球位于玻璃杯底，然后在玻璃杯上方水平用力吹气.吹气的同时，可以看到杯中的乒乓球从杯中滚出，其效果如图6所示.乒乓球滚出，说明玻璃杯中有风向外吹.为何呢？人用力吹气时，杯身和杯口上方的空气流速增大压强减小，杯内的气压大于杯口右上侧的气压，杯内的绝大部分气体在压强差作用下向外流，同时贴近桌面的杯壁内侧有外界空气紧贴着玻璃杯的内壁流入.乒乓球在力矩的作用下从里向外滚出（给学生讲解时，此处要把握好分寸，适可而止）.笔者给学生表演这个物理魔术时，学生非常惊讶.以为我在玻璃杯上做了手脚，反复检查之后，发现玻璃杯没有“洞”，给学生留下了深刻的印象.
这个实验，器材简单效果好，优势非常明显.但是，也存在几个不能忽视的缺陷.第一：演示时，杯身要正对学生，然而教室里的讲台不一定水平，如果杯口一侧高，则乒乓球很难吹出去，如果杯底一侧高，则尚未吹气乒乓球就自动滚了出去，实验容易失败.第二：人吹气时把握不好吹气方向，而是斜向下对着玻璃杯壁吹气，则气流流到杯口时流速已经很小，实验容易失败.第三：这个实验需要很大的肺活量，由学生操作时，学生的肺活量小，实验容易失败.
如何改良这个实验？笔者想到了新的方案.并且新旧方案可以一并用于教学.教师先借助课本中的实验，讲授伯努利原理.之后，让几个学生操作“吹乒乓球”的实验.有的同学成功，有的同学重复多次也无法成功，如果都不能成功，教师直接展示“吹乒乓球的”实验视频.教师：能把乒乓球吹出，说明玻璃杯中形成了由内而外的风……但是有的同学吹不出来，可能是什么原因？学生：肺活量太小（学生能答上这一条就可以）.教师：既然玻璃杯内的风可以吹动乒乓球，还可以吹动什么或吹灭什么？学生：吹灭蜡烛.教师：对，我们拿蜡烛试一试.
然后教师展示吹“蜡烛”的方案.把一只长短合适、粗一点的蜡烛点燃，放到杯口，用刻度尺或笔把蜡烛推进去，然后让一个学生用力水平吹气，如图7所示.学生把蜡烛吹灭的同时，还能看到烟雾从杯中飘出，如图8所示.这个实验，效果非常好.但是要注意，这个方案中的玻璃杯要能耐高温.如果是普通玻璃杯，在实验前应先预热火焰可以烘烤到的那一侧玻璃壁.因为，这个“魔术”会有很多同学来尝试，如果玻璃杯材质不好或者不提前预热，长时间加热，玻璃杯受热不匀容易破裂.
有人可能会问，会不会人还没吹气，蜡烛就因缺氧而熄灭.这不用担心，笔者使用高为14cm，杯口边长为6cm的玻璃杯，实验非常成功.蜡烛燃烧产生的二氧化碳、水蒸气，以及被加热的空气组成的混合热气，聚集在火焰上方并贴着玻璃杯上侧面向外流，冷空气从下方向内流.此实验最大优点恰恰就是因为蜡烛燃烧会消耗氧气，使得杯中氧气是比较稀薄.即便在桌面不平、人吹气的方向拿捏不当、学生肺活量小的严苛条件下，这个实验也很容易成功.只要人用力吹气，在杯内气体急剧向外流出时，蜡烛会因过度缺氧而熄灭.
“吹乒乓球”的实验也可以有其他改进方法，比如在放倒的玻璃杯的上侧壁贴上小纸条，用小纸条取代乒乓球.或者仅仅改变吹气的方向，人吹气的方向与杯口平面垂直，且水平.或者使用两个玻璃杯，在玻璃杯中放入两个乒乓球，玻璃杯口对口放置，留有1cm宽的间隙，从间隙中间吹气.教师可以引导学生设计这几种改进实验，用来培养学生的创新能力.
设计全新原创的实验，笔者的观点是，器材要简单、常见、成本低，且效果要明显（为了让学生清楚地观察到实验的细节，摄像头是必不可少，借助摄像头，可以把实验过程同步到电子白板上）.這样的创新，既能节省器材方面的开支，又能小中见大.
4结语
学生骨子里都渴望创新，借助创新实验，他们可以获得认同感、成就感.作为教师，我们唯一要做的，就是提升自己的创新水平，借助自己的创新实验方案，激发学生的创新意识，培养他们的创新思维，进而培养他们创新的能力、精神、个性.最后再引导学生，让学生自主设计实验.
创新无处不在，创新永无止境，愿我们每一个老师都善于创新，并能培养出善于创新的学生.
参考文献：
[1] 费曼著，吴程远译.别闹了，费曼先生：科学顽童的故事[M].北京：生活·读书·新知·三联书店，1997：33-34.
[2] 义务教育教科书物理八年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：120.
[3] 毕亮等.用打火机做趣味物理实验[J].物理教学，2014（12）：74-75.
[4] 毕亮，赵坚.这个实验真的无法实现吗[J].物理教学，2015（9）：38-41.