创新小实验在科学教学中的应用之研究

一、课题研究的背景：

有关创新小实验的应用和研究在国内外中学物理教学中早已有之，除了在中学物理课本和相应的课外读物中介绍一些简单有趣的小实验外，在专门论述中学物理教学方法的著作中也常常给小实验留有一席之地。在匈牙利的中学物理教学中，教师十分重视开发、设计小实验。例如在讲“原子核物理＂的过程中，教师利用从驻匈牙利的苏联工兵处买到的盖革管来帮助学生“听到＂放射线的声音、利用抛硬币游戏来理解半衰期的概念等等。苏联的中学物理演示实验中就包括小实验，如兰斯别尔格主编的教材《初等物理学》就采用了一些简便易行的小实验穿插在实验和理论之间，使观察和实验生动丰富，内容紧密结合实际。另外，美国物理教师常常鼓励学生根据自己的兴趣和知识基础来设计实验，自由地研究、提问、采集和分析数据，验证假设，写实验报告。注重学生体验做实验的过程，注重学生创造性的培养，而对学生的实验结果并不要求必须准确。在我国，早在20世纪70年代后期，针对当时中学物理实验器材奇缺的情况，著名物理教育家朱正元教授就曾亲自动手，利用日常物品制作了大量实验器材、设计了数以百计的效果良好的物理小实验，他提出的“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”至今仍为广大中学物理教师所称道；南京师范大学的刘炳升教授在《中学物理实验教学研究》一书中给出的中学物理创新演示实验的实例当中，有许多都提供了用小实验替代（或部分替代）原有演示实验的方案，并介绍了一些自制教具的制作和使用方法。 此外，陶洪、方兴、冯容士等人在实验教学的设计和研究方面都进行了大量工作，其中也涉及到小实验的问题。目前，除了一些有关中学物理实验教学的专著提到小实验外，各类中学物理教育教学期刊也经常会刊登与小实验有关的文章。

二、对实验教学现状的分析

我国初中科学教学中实验教学目前处于一种什么样的地位，实验教学的具体实施和操作过程如何？针对这一问题，，在区教育局组织的假期教师培训活动中，在来自本区的100余名初中科学教师中进行了有关“中学科学实验教学现状”的问卷调查。统计显示：对教材上规定的演示实验，仅有1/3 的教师在教学中全部做完，而有8.6％的教师基本上不做；能够在课堂上经常进行边讲边实验（随堂实验）的教师占60.6％，而有3.6％的教师不做实验；对分组实验，要求学生做完教材规定的全部分组实验的教师占16％，还有29％的教师只在黑板上讲实验或只用媒体播放实验。对于这一结果，我认为，中学科学教师的实验观念必须加强、中学科学实验教学必须进一步加强，中学科学教材中的实验设计有待加强与改进。

三、 概念的界定：

创新小实验： 教材中已有的教师演示实验、学生实验的改进实验，为了更好的诠释物理概念、原理等课程内容而开发的小实验，为更好地服务于教学而设计的所有“实验器材简单、材料常见、步骤简单、操作方便”的小型创新实验。

四、为什么要研究（研究目的及意义）

结合科学课程，积极开发科学小实验，努力改进课程中教师演示实验和实验，提升实验的直观性、简易性和可操作性，提高创新教学实效；充分发动学生参与课程资源的开发，积极参与实验创新和实践中来，激活学生学习兴趣，拓展学生开展实验的平台，促进学生创新精神的培养和科学探究能力的提高；让学生充分感悟科学精神，体会科学和日常生产生活的密切联系，学会科学知识应用于实际活动。

五、开发与应用的原则：

结合平时的教学实践，我认为创新小实验的开发与应用应遵循五不保障和五性原则：

五不保障：

仪器不复杂，操作技能要求不宜过高，实验规模不宜过大，一次实验所用仪器数量不宜过多，实验时间不宜过长，实验安全要有保障。

1．科学性原则  

首先，创新小实验要不违背科学规律，并且具有科学思想和科学方法方面的教育因素。如：在通过敲桌子听声音来证明固体可以传声的小实验中，就要求学生要堵住没有贴近桌子的那只耳朵，否则此实验在科学性上将大打折扣。其次，创新小实验要符合心理学、教育学原理。小实验的基本内容要能够被学生接受、理解，其教学程序既要符合学生的认知规律、心理特点又要富于启发性、有利于教师进行指导。

2．直观性原则

创新小实验宜以定性观察为主，所选取的实验最好能让全班同学都看到、听到或感受到。为了做到这一点，可以将演示性小实验变为分组小实验，或者将小实验与其他先进的教学手段（如投影仪、数码照相机、数码摄像机、计算机等）相结合。如：用较厚海绵块观察体会形变、弹力方向及大小；用拍打、挤压气球来体会力的作用效果等。

3．简易性原则  

麦克斯韦说过:“一项演示实验使用的器材越简单,学生就越熟悉,就越想彻底地获得所验证的结果”。尤其在农村地区实验设施欠缺的情况下,我们所设计的实验就更应该用材简单易寻,就地取材,如利用生活中的廉价材料(如橡皮筋、气球、鸡蛋、土豆、蜡烛、塑料袋) 、易得材料(如水杯、钢勺、塑料尺、硬币) 和废旧材料(如易拉罐、饮料瓶、牙膏皮) 等。

4．安全性原则  

创新小实验要考虑学生的特点，对有安全隐患的，应特别提出注意事项及安全保护措施，确保安全。提倡尽量使用无毒无害易回收的和能够重复利用的材料来完成创新小实验。操作过程也要安全可靠，在将小实验用于创新之前，教师一定要反复研究、多次试做，保证在创新小实验过程中不出意外。

5．创造性原则

创新小实验是学生探究活动的一个有机组成部分, 它的作用不仅仅是了解、研究自然规律和获取信息。学生通过自主的动手、动脑,他们的创造力得到培养，实践能力也都到发展。因此低成本实验的大部分器材可以让学生自己设计制作, 这样可以培养他们的实践能力和创新思维。

六、创新小实验开发与应用的一般流程及方法：

1．流程：包括前期分析（从以下几个角度分析：第一、实验原理、方法是否可行？第二、实验装置是否简捷？第三、实验操作是否简便？第四、实验现象是否易于观察？第五、实验误差源于何处？第六、实验效果最否最佳？有否值得改进之处？）、实验设计（按上面所说的五个原则设计实验）、实验制作、实验展示及实验拓展基本过程。

2．方法：

2．1基本方法：

基本方法侧重思维过程，是理科实验开发通用的方法，包括希望点和需求点列举法、缺点列举法、联想和移植创造法、替代法和模拟法、组合法、强化法与挖掘潜力法等。

2．2具体方法：

具体方法注重应用，是科学教育工作者在具体开发过程中使用的方法，源于教师在教学实践过程中形成的实践智慧，千变万化、不拘一格。具体方法如放大法、转换法、累积法、平衡法、比较法、控制法、留迹法、近似法、复制法、整体法、外推法、推理法、理想化法、垫基法、比例法。

七、以案例为载体开展研究（怎么研究）

1．CO2反应及性质实验装置的创新小实验

1．1原实验的简介及不足

在初中科学中CO2的性质是一个非常重要的内容，而同学们对它的认识仅仅是知道它是人呼出的气体中含有的气体，空气中含有CO2，常温下CO2是无色无味的气体，但对于二氧化碳的其他性质，就比较陌生了，或者说是很感性的一种认识。为了帮助学生能够从实验中体会CO2的其他性质，并且培养其探究的习惯，渗透科学研究方法，故对于新课标浙教版教材的三个实验（CO2的发生装置及倾倒二氧化碳灭火和探究二氧化碳和水反应生成了类似于醋酸的物质）做了一些创新改进。因为我在使用新教材的实际中，体会到新教材的后两个实验有他们需要改进和完善的地方，如：倾倒二氧化碳时，稍不留心就会出现上面的蜡烛先熄灭尴尬场面,还有一点:如果蜡烛点的时间长了后,因为烧杯里的空气太热,导致CO2倒入后一支蜡烛也不会灭的的。另外，一位教师要是上几个平行班的课，需要带很多瓶的二氧化碳，集气瓶都是玻璃的，容易出现危险，而且密闭不好时还会使二氧化碳逸散，而导致CO2浓度变小，造成实验失败的后果。而且用药品也多。更重要的一点是CO2溶于水能使紫色石蕊试液变红及加热时又会有红色变成紫色，这个实验教师在做的时候现象不明显或者看不清。为了弥补教材上的不足，我对教材上的实验进行了如下的改进及创新。

1．2实验的改进（创新）与实践（我是怎么改进的）

取塑料饮料瓶两个（底部可用双面胶固定在桌面上），用玻璃管在酒精灯上灼烧后在其中一个瓶子的中间烫一个孔，然后再在该孔的侧面的上和下的方向大致等距离处各烫一个孔，把三个小孔用套有橡皮管的玻璃导管插上，调整好高低不同的蜡烛的位置到侧面的导管口下方，中间的导管连接另一个饮料瓶（加有1：3稀盐酸）中的250ML的小矿泉水瓶,,用铁丝在酒精灯上烧红后在这个小矿泉水瓶底刺10个左右的小洞（底部用铁丝灼烧后烫上若干小孔，并装有石灰石）。小矿泉水瓶下面放一个500ML的矿泉水瓶的下半部,并把这个下半部用手按一下,使它可以控制上面的250ML的小矿泉水瓶的上下伸缩。在大矿泉水瓶里面放一个装有四个夹子的铁丝,在夹子自上而下装四片蓝色石蕊试纸，最上面的和最下面的用水喷湿，中间的保持干燥。

1．3课堂实录

师：同学们，这个是老师自制的CO2的发生与检验性质的装置，右瓶的上面的矿泉水瓶中放的是石灰石，下面半个瓶中放的是盐酸，左瓶中里面放的是4片蓝色石蕊试纸，其中1、4二片是湿的，中间的是干燥的，边上的有二支燃烧的蜡烛。问：你看到的这四片蓝色石蕊试卷颜色分别是怎么样的？

生：都是蓝色的。

师：现在老师把上面的矿泉水瓶放到下面的半个中，你看到了什么现象？

生：有很多的气泡，同时左边的蓝色石蕊试纸最下面的先红，最上面的后红，中间的二片不变红，同时看到了蜡烛的熄灭是先下面的灭，再过一会儿是上面的灭。

师：那你可以得出哪些结论？

生：（讨论后得出）CO2不助燃，也不能燃烧，密码比空气大，湿的CO2能使蓝色石蕊试纸变红，但干的不行。

师：我把这个变红的石蕊试纸的其中一片用吹风机吹一下，你看到了什么现象？（吹后让学生回答）

生：又变蓝色了。

师：这说明了CO2溶于水后生成的物质稳定不？

    生：不稳定。

1．4创新小实验的教学效果调查与反馈

课后，我问了几个学生，对这个实验有什么自己的看法：效果明显，现象很清楚，我们在下面能看到蜡烛是从下到上熄灭，我们还看到湿的CO2和干的CO2对蓝色石蕊试纸的变化，当然也知道它跟水反应后的物质的不稳定性，同时学生也提议，以后要老师和他们多做这些创新小实验。

课后我也找了几个听课的老师，问了一下他们对这个创新小实验的教学效果的评价，总体来说有这么几点：

a熄灭蜡烛变在烧杯里面熄灭为外面熄灭，更能让学生体会无形的二氧化碳似水一样的流动性。形成思维的转换，培养创新意识。

 b操作简便，现象明显，成功率高，有效弥补了容易失败的不足。

 c二氧化碳的多个性质合为一体，一气呵成，短时间内即可完成，提高了实验的效率，给老师上课赢得了时间

d实验用品廉价易得，轻便、安全，利于上课时携带。充分体现了实用性，简约性、循环性，对多个平行班的教学尤为有利。

e这些生活中的废弃品饮料瓶是塑料制品，而且是热塑性塑料，打孔或钻孔很容易，易于加工，且轻便不易破碎。

f设计了二个对比实验，干燥的蓝色石蕊试纸和湿润的蓝色石蕊试纸对比，可以得出干燥的CO2不能使蓝色石蕊试纸变红，只有CO2溶于水后才行，这是一点，第二点是在变红的二片石蕊试纸中取其中一片，用吹风机吹一下，可以发现CO2溶于水后生成的物质受热易分解。

自己的总结与反思：这个实验从方方面面对教材中的有关CO2的制取及性质实验进行了完全的改进和创新，使得原来现象不明显或者是看不见的变明显，大大提高了实验的可观性和可操作性，同时因为创新小实验让学生身临其境的感觉，使学生成为科学课堂教学的一部分从而达到了以生为本的科学课堂教学效果，充分发挥了学生的主体作用，提高了学生的学习兴趣和学习积极性，从而大大提高了课堂效率。

2．短路实验演示仪的创新小实验

2．1原实验的简介及不足

“电源短路的危害”教学中,一般采用一节或两节1号电池接一根导线将电源短路,然后让学生用手摸一摸电池和导线的发热情况,由此来告诉学生电源短路将损坏电源,导线会发热过多,严重时还会造成火灾。但在演示该实验过程中,发现存在以下不足:(1)短时间内电池发热难以感觉出来;(2)时间过长会导致电池升温变软损坏而不能再连续做该实验;(3)几个学生摸过来后,再摸的学生就会怀疑是前面的学生用手焐热的,且时间也不允许;(4)电流会过大、剧烈的火花无法感知。第二次提到“电源短路的危害”是九年级(上)家庭电路连接时:只指出家庭电路短路时,电流会过大,会导致导线发热过多而烧坏,甚至引起火灾。若进行演示实验,一般直接采用家庭电路电压220V的交流电做电源,伴有强烈的电弧火光及小声地熔丝断声,能激发学生兴趣,但有些不安全,我们一般不做。这样,对短路没有全面深刻了解,对短路事故严重性无直观认识,就更易在实验、工作、生活中导致短路事故的发生概率增加,危害极大。

2．2实验的改进（创新）与实践（我是怎么改进的）

先把220V的电压变压为12V，也就是装一个变压器，当然把变压器装在了盒子里，保证实验时学生的安全性。然后按在纸上画好电路图，再按电路图来连接实物图，为了使学生更清晰的了解电路，我在这装置上直接把实物图连成了像电路图一样的，在小灯泡的选材中，我选择了摩托车的灯泡。同时为了使学生看到短路时的电流很大，我特意装了个电流表。当然这个实验要成功的关键在于短路线的选择和制作，首先要选一根细的电线，最好里面的铜线是由一根根线铜线缠绕而成的那种，然后把线铜线一根一根的分离开来，接着把三根细铜丝缠绕成一股，长度最好选择15CM的长度为适合。再把松香熔化然后再放入适当的红磷后搅拌，接着趁热，把刚才做好的铜丝放在松香里，让松香和红磷粘在铜丝上，这样这个短路丝就制作完成了。

2．3课堂实录

师：现在老师来演示一下短路的危害，请大家注意这个几点：合上开关后，灯泡的亮与灭；电流表的情况；我上面装的这根铜丝的现象等等，注意观察这几种现象。（接着老师进行实验，实验完成后问学生）

生：看到一开始灯泡是亮的（合上开关A时），再合上B开关时电流表偏到最大值，然后铜丝着火了，接着就断了，在铜丝没有断之前灯泡竟灭了，当然当铜丝断了后灯泡也亮了。

师：这说明了短路的哪几点特征？学生讨论后老师适当的引导得出结论。

生：短路时电流很大；断路时危害很大，竟可以把铜丝给烧断。

2．4创新小实验的教学效果调查与反馈

我找了几个学生，对学生进行访谈：你对这个实验有哪些个看法或表达？

生1：这个实验太刺激了，这钢丝竟会着火了，太震撼了。

生2：千万不能给家庭电路短路，否则后果非常严重。

生3：我现在知道短路时为什么会着火了，因为电流太大了。

生4：………………..

下面是老师对这个实验的评价：

a、实验中展现出破坏性很大的电路短路事故，及其电路短路危害真实性，填补了教材的一项空白。

b、用安培表直观地展示“电路短路事故”电流很大的现象十分明显。

c、用红磷易燃物来做此实验，首先出现大量的“白烟”，然后发出耀眼的“光”，最后细铜丝熔断。学生看了以后非常惊讶，展示短路造成的火灾事故危害之大，现象明显、生动、形象，而且安全。

d、用黑色背景衬托现象更明显，效果更好。

自己的总结与反思：对于这个实验，我觉得具体很强的视觉效果，如果把这个实验让学生来做的话，效果会更好，所谓华盛顿图书馆上的一句话就可以概括这个：我听到的忘记了，我看到的记住了，我做过的我理解了，这就是说明：动作思维对于知识的接受程度要明显优于具体的形象思维更要优于抽象的逻辑思维。所以我们应尽可能的让学生来做，能做的实验尽量做，能改进的效果尽量改进明显。

3. 等高线地形图原理与判读演示仪

3.1原实验的简介及不足

等高线地形图是地理教学的难点。由于该知识点相当抽象，涉及到了很强的地理学专业原理知识，对于认知水平和抽象思维能力尚不太高的初中学生来说，要让他们从教材插图或多媒体投影等平面演示方法中理解和学会判读等高线地形图，有很大的难度。如何帮助学生轻松获得等高线地形图的相关知识，我们先后尝试了多种方法。例如制作了多媒体FLASH动画演示课件、采用沙盘演示法等，但都比较费时费力，且效果欠佳。

3.2实验的改进（创新）与实践（我是怎么改进的）

木制的盒子（盒子要有沿无盖，具体的大小和沿高要根据需要和其他材料确定）一个、2cm厚海绵一卷、玻璃板一块（5mm厚，长度略长于木盒长度）、胶水、剪刀和刀片、彩笔等。根据木盒的大小和形状，将海绵剪成8～10块，并依次粘贴到木盒内制成山体雕塑母体。在纸上设计和绘制出简单的山体形状草图。

参考草图，用剪刀和刀片等工具，逐步进行山体模型雕塑和修剪加工。检查成型的模型，并用彩笔勾画每条等高线（海绵接缝），使其清晰明显。进行演示实验，局部修剪完善。

3．3课堂实录

师：同学们这个是等高级地形图演示仪，我们先来看一下，这一圈圈都标着的数据。（要求学生通过观察后能说出每一圈高度相同同，老师可在学生观察后一层一层的盖上去），每一圈他们的高度怎么样？

生：高度相同。

师：那怎么把这些线画到平面图上呢，你有什么办法？

生：有的说投影，有的说眼睛看一下之类的。

师：有没有更好的办法，更直观的方法呢？我请二个同学来帮我的忙，按我的要求把玻璃板盖上去。

生：原来这么简单！我明白了！

3．4创新小实验的教学效果调查与反馈

我找了几个学生，对学生进行访谈：你对这个实验有哪些个看法或表达？

生1：这个实验使我不懂的东西马上懂了，昨天晚上我在预习这个内容时我还查了电脑，还是不懂。

生2：原来等高线是这样的，现在我真的理解了什么叫做真正的等高线了。

生3：老师你这样做过实验后我永远也不会忘记的了。

生4：这个可以把图和实物连起来对比了…………………………..

下面是老师对这个实验的评价：

本教具直观形象，符合科学原理，而且贴近学生生活实际。设计新颖独特，理念先进，适合广大农村中学的实际，教师可根据需要和教学实际，随意选择制作尺寸。教具制作材料普通易找，制作过程简单省事，且制成以后便于携带、使用和保管，能多次反复使用。演示方法和过程简单轻松，既可以教师演示，学生观察，也可以让学生亲自操作和演示，不仅增强课堂的趣味性，也能提高学生的课堂参与意识。通过本教具的反复演示，可以最大程度地简化教学过程，降低教学难度，提高教学效率。同时，还可以提高和促进学生的创新意识和创新能力。

自己的总结与反思：对于初中学生来说，虽然有一定的思维能力，但对于抽象的逻辑思维能力还是很弱的，特别是还要涉及到空间的想像能力就更弱了，这时作为教师的我们就得想办法把抽象的逻辑思维怎么样转变成形象思维就变得尤为重要。同时我们努力设计出创新小实验来解决这些学生学习上的困难，降低学习难度，提高他们的学校积极性和学习效率。

八、有关研究的成果

教改项目研究，就是做实日常的思考、研究和积累，也是对一个个案例和一个个课例的研究反思、收集和整理。在科学课堂教学中，教师不仅要充分利用好课本上的演示实验，更要切合实际因地制宜地创新小实验。其实这个课题我是从10年就开始研究的，从那时开始，我的成果主要有这些：2014年10月黄建林老师获浙江省初中科学老师实验技能大赛个人一等奖的第一名，同时代表绍兴市参赛，获团体一等奖的第二名。2014年10月获绍兴市初中科学教师实验技能大赛一等奖。2014年10月利用创新小实验在杭州市景成实验中学开设省公开课《体温的控制》。2014年6月，在学习方法报上发表《几个初中科学实验的改进和创新》；2013年10月获县实验技术能手评比一等奖；2013年12月获绍兴市中小学首批“实验教学技术能手”2013年10月作了市级讲座“提高科学实验教学的有效性”2013年12月，利用自己设计的创新小实验上了区公开课“蒸发”；2013年12月在学习方法报上发表《等高线地形图原理与判读演示仪》；2014年4月创新小实验“光具座上的舞蹈”获区一等奖；2014年5月，创新实验“小孔成像”获市创新实验比赛二等奖。2013年4月，创新小实验“昙花一现”获区创新实验一等奖。2014年11月，张薇老师用我制作的短路演示仪开区公开课，该实验成为这节课的最重要的亮点。

九、创新之处

本教改项目创新之处，在于“对症开方”，对原有“问题实验”进行分析，通过改变实验原理，改进实验方法，更换实验器材等，来提出实验改进的方法，并能设计一些创新小实验。

在上每一节有课堂实验的科学课之前，项目组老师总是会对实验进行精心研究，并常常在研究基础上进行一些改进或者重新设计。项目组老师根据学校和学生的实际，在科学教学实践中，自己动手、动脑设计了一些创新小实验，设计的好多创新小实验已经整理成册（详见附件）

十、创新小实验研究总结

1．创新小实验作为对初中教材现有实验的补充和完善、以及对学生多方面能力的培养被引入初中科学课堂是十分必要的。同时，创新小实验因其取材方便、操作简单、处理灵活，用在惜时如金的初中科学教学中也是完全可行的，但要注意在实际教学中根据学生的实际情况和实验的难度来安排教学的具体形式。

2．创新小实验有利于学生和教师双方的发展。由小实验的特点决定了学生进行课堂小实验时更多地采用了自主、探索和合作的方式，这对于促进学生能力的发展是有效的；另外，创新小实验重视学生的直接经验，在实验过程中，学生的参与受到鼓励，学生的需要、动机和兴趣被置于核心地位，教师更多地是帮助学生完善和发展其能力而不是代替学生去观察和思考，这无疑是有利于学生的个性发展的。而作为教学活动的另一个主要方面——教师，其主导作用贯穿于创新小实验的设计、实施、反馈、改进的全过程，通过小实验的设计和实施，教师在教学设计、教材整合、教学资源的开发和利用等能力方面也得到了发展，这对于提高科学教师的专业素养和教育教学水平也是大有益处的。

十一、研究中的不足之处  

本课题的研究时间较短，研究者的理论水平有限，故在研究中，观察性和验证性

小实验居多，探索性小实验较少；开发小实验仍以教师为主，未能在这一环节充分利用学生资源、．发挥学生的主体作用。  

十一、研究课题的前景展望

通过这次研究，我认为创新小实验还是大有潜力可挖的。在实验仪器完备的地区和学校，创新小实验可以丰富课堂教学手段，加强科学与社会、科学与生活的联系；在实验仪器不足的地区和学校，创新小实验则可以承担培养学生实验技能和科学思维方式的重要作用。此外，创新小实验的示范和辐射作用也是不容忽视的，创新小实验可以演变为课外小实验、研究性学习课题、自制教具和开放性实验室，甚至可以成为具有特色的校本课程的一部分。这些都有待于今后进一步的研究。 

参考资料：

[1]《科学（七-九年级）课程标准》

[2]王选章.也谈初中物理小实验[J]．《中学物理》，哈尔滨师范大学，2012.12:41

[3]王军翔.白磷燃烧实验课的意外收获[J]．《中学化学教学参考》， 陕西师范大学出版总社有限公司，2012，10 :63．

[4]肖文 《实验教学与装备》 浙江教育出版社