农村初中物理低成本实验资源的开发与研究

　　任忠明

　　物理学是一门实验科学，物理实验是学生建立概念、探究规律的基础，是培养学生学习兴趣、动手能力、实践能力、创新能力的重要途径。但目前一些农村初中物理教师还存在着“做实验不如讲实验，讲实验不如背实验”和借flash动画作模拟实验的“应试实验”思想，背离了2011年版义务教育《物理课程标准》强化实验教学的要求。究其原因是农村初中实验设施差、仪器陈旧老化、器材短缺不配套，以及有些教师主观上对实验的作用认识不够，严重影响了初中物理实验的开设率，直接影响着课堂教学的效益，影响着学生实验操作能力和创新思维能力的发展。

　　著名的物理教育家朱正元教授曾倡导“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的主张 ，义务教育《物理课程标准》也提出：“除专门配备的仪器外上，应提倡师生利用身边的物品、器具、材料进行物理实验”，“教学中应该多做试一试、动动手之类的随堂小实验，还应该让学生多做一些家庭小实验”，“应该充分利用实验室现有的器材，尤其应该利用多年闲置的器材开发新的实验。学校实验室应该为师生利用身边的物品、廉价的材料进行物理实验提供便利。有些成功的实验可以作为学校的常规实验保留下来” 。由此可见，改善农村初中物理实验的重要措施就是大力加强低成本实验资源的开发。

　　一、开发的价值

　　1.拉近物理与生活的距离。义务教育《物理课程标准》指出：“使用饮料瓶等日常用品进行物理实验，这样可以拉近物理学与生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性 ”使用低成本实验资源进行物理实验，由于学生对生活中经常使用或身边随处可见的材料和物品很熟悉，用它们呈现物理现象，探究物理规律，会使学生感觉到物理学亲近、真实、可靠，感受到物理与社会和生活的密切联系，充分体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课标理念。

　　2.培养学生节俭环保意识。在开发低成本实验资源的过程中，大家平时要养成收集废弃物品的意识，发现生活中有可利用的废弃物品都要及时收集起来以备用，如易拉罐、饮料瓶、泡沫塑料、塑料袋等等，这些原本都是废品，但都成为老师和学生收集的备用材料。这样变废为宝，同时也渗透了环保意识，美化了环境。

　　3.培养学生创新思维能力。低成本实验是成本低而智慧不低，小实验能揭示大道理。被评为物理学史上第七大美丽的牛顿三棱镜实验，其器材就是两块三棱镜，但实验却揭示了光的色散现象。由于有些物品本来的用途并不是进行物理实验的，而常常用来解决“一种生活材料或物品可以做哪些实验，一项实验活动可以利用哪些生活材料和物品”的发散性问题，让学生参与低成本实验资源的开发过程，能培养学生的动手操作能力和创新思维能力。

　　4.提高物理教师实验素养。初中物理低成本实验资源的开发和利用是物理课堂教学的重要组成部分，是提高初中物理业务水平的重要渠道之一，“借用生活材料开展内容丰富、形式多样的实验教学，可体现教师的个性和自创性”。所以，开发低成本实验资源，也是广大初中物理教师必须长期坚持的、不断完善的常规化工作。

　　5.精心打造高效率的课堂。就物理学科而言，一堂好课的设计，关键是实验的设计。大力开发低成本实验资源，可改演示实验为学生实验，由学生观察实验变为学生亲自动手操作，由学生在学校实验变为有家庭中自己做实验，这都有利于及时巩固和掌握课堂教学内容，有利于大面积提高教学质量。

　　6.均衡城乡实验教学资源。充分挖掘农村的乡土资源，充分利用生活中的器具、玩具，学习用品，甚至是我们自己的身体，经过巧妙地构思和设计，丰富农村初中物理实验的器材，因地制宜地设计简单实验，缩短城乡实验资源差距，这是教育均衡化的需要，具有深刻的意义和价值。

　　二、开发的原则

　　开发农村初中物理低成本实验资源要遵循一定的原则。恰当地把握好开发原则、灵活地运用开发途径是开发的前提。现以南通市初中物理教师优质课评比赛中，参赛老师对苏科版八年级物理教材第一册第五章第三节《直线运动》中“探究气泡在充水管中的运动规律”的实验设计为例，谈谈低成本物理实验资源开发的原则。

　　1.科学性。物理实验首先应该正确反映物理现象和规律，反映物理现象变化的客观过程，要具有科学性。有位老师的实验设计如下：将气泡换为蜡块，第一步是做实验：蜡块在水管中向上运动，先是加速，后来匀速;第二步是播放视频：在蜡块中按一图钉，蜡块在水管中向下运动，先是加速，后来匀速，最后是减速;设计意图是使蜡块在水中的运动情况既有加速、又有匀速、还有减速，运动的类型全面，很有创意!给人的疑问的是，蜡块最后应该以收尾速度做匀速直线运动，怎么可能做减速运动呢?是不是在长玻璃管下部的外面放了磁铁，吸引图钉、增大摩擦的缘故呢?!咨询此老师，他解释道：此视频效果是经过微机处理的，才使得蜡块在做减速直线运动。这种“人工处理”的方法与实验事实相违背，失去了应有的科学性，不可取。

　　2.简易性。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。 ”所以，我们所开发的实验资源要简单易寻、就地取材。为了让气泡运动速度较慢，使学生较准确地测出数据，有的老师将玻璃管倾斜一定的角度，有的老师将水换成了油，有的老师在实验前细心地调整气泡的大小……，这都是用最简单的器材，最简单的方法，达到最优化的实验效果。另外，由于实验所用材料在生活中随手可得，“实验装置易制易修，不怕学生损坏，因此教师不必进行‘不要搞坏’之类的告诫，学生在操作时手指肌肉和心理放松，自由触摸体验，在此过程中获得直接经验和深切感受。 ”

　　3.直观性。实验中要让学生用感官能够直接观察和感受具体的物理现象与实验过程。开发低成本物理实验资源时,要尽可能增加实验的可见度,提高实验的直观性。为了让学生能清晰地看到气泡的运动情况，有位老师在水中滴了几滴红墨水，这样透明的气泡在红墨水中运动;有位老师将气泡换成红蜡块，这样让红蜡块的透明的水中运动;还有位老师在玻璃管外包了一层半透明的黄色胶带，让透明的气泡在半透明黄色胶带中运动，这些设计方法都使得实验现象具有鲜明的对比度，增加实验的可见度。

　　4.准确性。实验是为建立概念、探究规律服务的，测量的实验数据要准确、可靠。实验中，准确测出气泡运动的时间是关键，不少老师在设计中对此问题进行了一定的思考和改进。一是先通过测出各段时间、总时间后，再计算各段时间的分析，比较哪种方法误差最小?二是在测量工具上做了改进，多数老师选用的是实验室的秒表，而有位老师用的是学生随身带的手表或电子表，有位老师用的是闹钟，还有位老师用的是多计时秒表，一人可计几个时间，同实验小组的成员再根据记录的时间求平均值，减小实验误差。

　　5.安全性。在设计实验时应该尽量避免有危险的和对身体有伤害。有位老师在课堂上演示气泡运动时，手中的玻璃管不小心倒下，一端碰到了一名学生的头上而破裂;还有一位学生在实验过程中，玻璃管掉在桌面上破裂，虽然没有产生多大伤害，但说明了长玻璃管在实验中存在着一定的安全隐患。有位老师将玻璃管换成了软透明塑料管，真是匠心独运!有位老师借用实验室音叉的底座放玻璃管;有位老师用铁架台夹住玻璃管，而玻璃管的下端放在装有细沙的小烧杯中;还有位老师在课后交流设计时说：“在实验中，只能改变玻璃管直径、气泡大小、将水换成油来控制气泡运动速度，而不能改变玻璃管的长度增加气泡运动时间，课书中建议玻璃管长度为60～100cm是很有道理的，这是学生将玻璃管上下翻转的安全长度”。这都是在实验设计中需要考虑的安全性问题。

　　6.创造性。低成本物理实验是学生探究活动的一个有机组成部分,让学生参与设计制作低成本实验器材，可以培养学生动手能力、实践能力、创新能力。有位老师在研究匀速直线运动规律的基础上，为了能让学生用简单的器材做加速直线运动的规律，设计了让乒乓球在倾斜的两根米尺间的间隙上滚动的实验。据这位老师在课后介绍，此实验是他和他的学生们在几十次试验的基础上设计而成的。是用钢球，玻璃，弹性球，还是用乒乓球?倾角的大小多大为宜?两米尺的间隙多大好?两米尺是平行好，还是上小下大，或者上大下小好?在反复试验后，确定用乒乓球在一定倾角的、两根米尺间的、上小下大的间隙上滚动，由此实验数据画出的图像最能表示加速直线运动的规律。

　　设计实验的过程，本身就是一个探究过程，本身就是一次创新活动。

　　三、开发的途径

　　在学生的日常生活中的，可以利用的课程资源十分丰富，教师要引导学生善于从学习用品、生活用品、废旧物品、报废器材、儿童玩具、日常体验等各个方面去开发低成本物理实验资源。

　　1.从学习用品中开发。学生身边可以用作实验的学习用品比比皆是。如用钢尺或塑料尺研究声音的音调与频率的关系、响度与振幅的关系。用铅笔可做滚动摩擦比滑动摩擦小、固体压强、分子间存在引力、最简单的滑动变阻器等实验，抛出去还可演示惯性和受重力作用改变运动状态的实验。

　　2.从生活用品中开发。很多生活用品都可以用来设计有趣的物理实验。如用蜡烛观察固体的熔化，用杯子和水观察光的折射，用图钉研究固体的压强，用棋子观察惯性现象，用牙膏皮研究浮力，用鸡蛋研究浮沉实验，用筷子做成秤演示杠杆的平衡，用橡皮筋演示弹性势能，用空洗发精塑料瓶一只、乒乓球一只、香烟盒铝箔纸、粘胶自制验电球等等。

　　3.从废旧物品中开发。在我们的生活中，有很多废弃的物品，利用这些废旧物品来进行实验探究活动。如用废弃的易拉罐可证明大气压的存在，用废弃的饮料瓶可以做探究液体压强实验、浮沉子实验、帕斯卡裂桶实验，用酒瓶底可作凸透镜，用塑料泡沫可做静电实验，用大注射器演示大气压强、物体对外做功、内能减小的实验。

　　4.从报废器材中开发。实验室里都有一些废旧的仪器，把不能修的有用部分拆下来，经过加工组合可制成有用的实验器材或教具。如用废旧电阻器、温度计等制作焦耳定律演示器，用体育室中报废的羽毛球、实心球、铅球等也可做物理实验。

　　5.从儿童玩具中开发。很多儿童玩具都是利用物理原理设计制作的, 玩具也是一种难得的课程资源。如用玩具小汽车中的电动机研究其原理、判断电源的正负极，用气球研究摩擦起电现象。

　　6.从人体体验中开发。新课程不仅重视知识和技能目标的实现，而且特别强调体验性学习目标的达成。由于开发的实验器材是学生的五官和四肢，所以是最经济、实用、有效的实验资源。如可用嘴对着手心呵气体验液化要放热，可用嘴对着手心吹气体验蒸发需要吸热，可用学生的鼻子闻气味来理解分子运动现象，可在白炽灯下让学生做各种各样的手影游戏验证光的直线传播。

　　总之，“开发低成本实验是我国教育条件的客观需要 ”。开发的低成本物理实验资源，不仅是实验器材的简单,更是实验装置的简化,实验现象的明了，实验时间的缩短。低成本物理实验成本虽低,但“成本低而智慧不低、成本低而技术不低、成本低价值不低”,它代表了中学物理实验教学的一种发展趋势和方向,因此大力开发农村初中低成本物理实验资源具有广阔有前景。