主持人語(yǔ)

“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)是指利用學(xué)生熟悉的物品、材料、器具及玩具等開(kāi)發(fā)的具有趣味性、簡(jiǎn)易性的生活化物理實(shí)驗(yàn)，是對(duì)國(guó)家課程中常規(guī)實(shí)驗(yàn)的有效拓展?！胺浅Ｒ?guī)”物理實(shí)驗(yàn)材料鮮活，貼近學(xué)生生活，便于引導(dǎo)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—提出問(wèn)題—解決問(wèn)題。本期策劃圍繞“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)培育學(xué)生核心素養(yǎng)這一主題，從“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)、自制儀器的應(yīng)用、物理生活化實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)設(shè)情境課堂提升學(xué)生核心素養(yǎng)等方面進(jìn)行探索，旨在利用“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)突破傳統(tǒng)教學(xué)模式的局限性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生問(wèn)題解決能力，更好地培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新實(shí)踐能力，更深層地幫助學(xué)生形成正確的物理觀，更全面地培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

——欄目主持人 馬駿


“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)是指利用實(shí)驗(yàn)室器材或?qū)嶒?yàn)室之外的學(xué)生熟悉的物品開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，常常為達(dá)到某種教學(xué)目的而采取靈活與簡(jiǎn)便相結(jié)合的方法與形式使實(shí)驗(yàn)過(guò)程呈現(xiàn)出自創(chuàng)性、體驗(yàn)性、趣味性、簡(jiǎn)易性、豐富性等特點(diǎn)，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和求知欲，對(duì)培育學(xué)生物理核心素養(yǎng)至關(guān)重要。筆者基于“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培育學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的有效策略進(jìn)行了實(shí)踐探索，形成了基于“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式。

一、問(wèn)題的提出

（一）研究背景

《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于新時(shí)代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)，強(qiáng)化綜合素質(zhì)培養(yǎng)。改進(jìn)科學(xué)文化教育，統(tǒng)籌課堂學(xué)習(xí)和課外實(shí)踐，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)操作，建設(shè)書(shū)香校園，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，提升人文素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)。因此，物理學(xué)科更應(yīng)重視培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培育學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)利用基本實(shí)驗(yàn)方法和技能培養(yǎng)學(xué)生務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度，有助于學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律等的理解和記憶。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課堂不可缺少的環(huán)節(jié)，“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)是對(duì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，利用“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生提出物理問(wèn)題、分析物理問(wèn)題、解決物理問(wèn)題的能力是當(dāng)前物理教學(xué)創(chuàng)新的重要方式之一。

（二）高中物理課堂教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題

一是物理實(shí)驗(yàn)課程資源單一，缺乏創(chuàng)新。物理實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法滿(mǎn)足教學(xué)所需，常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往新奇性和趣味性不強(qiáng)，不能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和求知欲，學(xué)生參與度不高，教學(xué)效果不理想。二是學(xué)校對(duì)物理實(shí)驗(yàn)不夠重視，忽視了物理實(shí)驗(yàn)的育人功能，這不利于對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、科學(xué)探究等方面的培育，不符合物理課標(biāo)要求。三是學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)缺乏興趣，動(dòng)手能力缺失。此外，教學(xué)中沒(méi)有按照課標(biāo)要求創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究、思考和解決問(wèn)題的過(guò)程等。

二、開(kāi)發(fā)“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)

筆者與團(tuán)隊(duì)成員深入研究教材，找出物理概念、規(guī)律難以被學(xué)生理解的主要原因，以及教學(xué)內(nèi)容和“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)合點(diǎn)，完成與重點(diǎn)章節(jié)對(duì)應(yīng)的“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。下面，筆者以靜電擺球?qū)嶒?yàn)為例，介紹一下“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

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實(shí)驗(yàn)器材：平行板電容器鋁板一對(duì)，感應(yīng)起電機(jī)1臺(tái)，鐵架臺(tái)一個(gè)，用鋁箔紙包起來(lái)的乒乓球一個(gè)，錦綸線若干，2B鉛筆一根。

實(shí)驗(yàn)原理：導(dǎo)體在靜電感應(yīng)場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷可以自由移動(dòng)。把導(dǎo)體球P放入靜電場(chǎng)，導(dǎo)體球P左右兩側(cè)帶上等量異種電荷。若使導(dǎo)體球P距左側(cè)A板較近，且A板帶正電，導(dǎo)體球P會(huì)因受A板的吸引力較大而擺向A，當(dāng)導(dǎo)體球P一碰到A板，導(dǎo)體球P上的負(fù)電荷被A板上的正電荷中和，導(dǎo)體球P只帶正電荷，然后會(huì)受A板的靜電排斥力而擺向B板。當(dāng)導(dǎo)體球P碰到B板后又帶上了負(fù)電荷，受B板的排斥力再次擺向A。只要使A板和B板始終帶異種電荷，則導(dǎo)體球P可在A板和B板之間往復(fù)循環(huán)，不斷碰撞（圖1）。

本實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生直觀感受感應(yīng)起電原理的同時(shí)，讓學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析金屬球兩側(cè)所帶電荷的屬性與多少，并理解金屬球靠近帶電體的一側(cè)所帶電荷與帶電體的電性相反，遠(yuǎn)離帶電體的一側(cè)與帶電體電性相同。

三、“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用研究

筆者與團(tuán)隊(duì)成員圍繞“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系列教研活動(dòng)，將實(shí)驗(yàn)融入教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)課堂檢驗(yàn)“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，形成“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)習(xí)和物理學(xué)科素養(yǎng)提升的教學(xué)案例，并以探索電勢(shì)、電壓與“放電”為例，詳細(xì)介紹“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）研究背景

靜電知識(shí)比較抽象，課本上的實(shí)驗(yàn)可視性不強(qiáng)，學(xué)生只是被動(dòng)觀察實(shí)驗(yàn)，缺少主動(dòng)參與。靜電場(chǎng)知識(shí)要求學(xué)生正確理解電勢(shì)與電壓（電勢(shì)差）、電場(chǎng)強(qiáng)度等重要概念，通過(guò)學(xué)習(xí)建立對(duì)“放電”的正確認(rèn)知，進(jìn)而強(qiáng)化學(xué)生安全用電意識(shí)。物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新基地的范德格拉夫靜電球、輝光球等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常直觀，不僅能夠很好地激發(fā)學(xué)生探究興趣，還能引發(fā)學(xué)生深度探究意識(shí)。例如，電蚊拍在生活中是很常見(jiàn)的，研究它能夠很好地建立物理知識(shí)與生活、科技之間的聯(lián)系，使學(xué)生養(yǎng)成學(xué)以致用的好習(xí)慣。

（二）學(xué)情分析

靜電學(xué)內(nèi)容十分抽象，是電學(xué)中的難點(diǎn)所在，特別是電勢(shì)，學(xué)生第一次接觸時(shí)，總將電勢(shì)與初中的電壓混為一談。認(rèn)為處于高電勢(shì)就一定會(huì)發(fā)生“放電”危險(xiǎn)。因此，本節(jié)課設(shè)計(jì)的活動(dòng)與探究目的就是幫助學(xué)生正確理解概念，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理知識(shí)在生活、科技等方面的應(yīng)用，從而幫助他們樹(shù)立正確的安全用電意識(shí)，形成從現(xiàn)象出發(fā)探究本源的思維習(xí)慣。

（三）“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用研究

教師可以通過(guò)范德格拉夫靜電球?qū)嶒?yàn)，指導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，近距離觀察“怒發(fā)沖冠”現(xiàn)象，同時(shí)針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下問(wèn)題（圖2）。

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問(wèn)題：人為什么會(huì)“怒發(fā)沖冠”？

學(xué)生：“怒發(fā)沖冠”是由于電荷作用力。表演者站在絕緣臺(tái)上，手觸摸高壓靜電球，這時(shí)表演者的頭發(fā)上帶有與靜電球相同極性的電荷，由于同種電荷相互排斥的原因，頭發(fā)順著電場(chǎng)線的方向豎立起來(lái)，出現(xiàn)了“怒發(fā)沖冠”的現(xiàn)象。

問(wèn)題：范德格拉夫靜電球產(chǎn)生的電壓是多少？

學(xué)生：現(xiàn)代的范德格拉夫起電機(jī)獲得的電壓可達(dá)500萬(wàn)伏特。

問(wèn)題：在如此高的電壓下，人為什么沒(méi)事？

學(xué)生：由于靜電感應(yīng)，人體與靜電球達(dá)到靜電平衡，均為等勢(shì)體，靜電球電壓逐步升高的過(guò)程中，人體與靜電球電荷始終相等。但當(dāng)人體聚集了大量電荷，人體周?chē)纬蓮?qiáng)電場(chǎng)，所以頭發(fā)順著電場(chǎng)線的方向豎立起來(lái)。但由于腳下是絕緣體，沒(méi)有形成回路，所以人是安全的。

問(wèn)題：生活中靜電現(xiàn)象的應(yīng)用有哪些？

學(xué)生：靜電復(fù)印機(jī)、靜電除塵器、靜電噴漆等。

教師小結(jié)：認(rèn)識(shí)靜電可以讓我們避免它帶來(lái)的一些危害。例如，在運(yùn)載易燃物品的車(chē)輛尾端系上接地鐵鏈，把電荷傳到地面，可以有效避免電火花引起易燃物爆炸。

（四）教學(xué)反思

范德格拉夫靜電球等“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于課堂教學(xué)不僅能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且能促進(jìn)學(xué)生深度探究思維。學(xué)生為了弄清楚實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，會(huì)通過(guò)不斷查閱資料更新和拓寬知識(shí)面，最后構(gòu)建知識(shí)體系。學(xué)生可以利用已學(xué)知識(shí)解決生活中的一些問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中會(huì)更加理解學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)的重要性所在。課堂教學(xué)效果表明，“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)有助于提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，能有力地促使學(xué)生把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于新的、開(kāi)放的真實(shí)情境，切實(shí)提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

四、“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)在高考中的體現(xiàn)

2023年全國(guó)乙卷理綜試卷中就有電磁感應(yīng)這部分知識(shí)的一個(gè)“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)題目。

一學(xué)生小組在探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)行了如下比較實(shí)驗(yàn)。用圖（a）所示的纏繞方式，將漆包線分別繞在幾何尺寸相同的有機(jī)玻璃管和金屬鋁管上，漆包線的兩端與電流傳感器接通。兩管皆豎直放置，將一很小的強(qiáng)磁體分別從管的上端由靜止釋放，在管內(nèi)下落至管的下端。實(shí)驗(yàn)中電流傳感器測(cè)得的兩管上流過(guò)漆包線的電流I隨時(shí)間t的變化分別如圖（b）和圖（c）所示，分析可知（  ）

A.圖（c）是用玻璃管獲得的圖像

B.在鋁管中下落，小磁體做勻變速運(yùn)動(dòng)

C.在玻璃管中下落，小磁體受到的電磁阻力始終保持不變

D.用鋁管時(shí)測(cè)得電流第一個(gè)峰到最后一個(gè)峰的時(shí)間間隔比用玻璃管時(shí)的短

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筆者在講渦流、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)這節(jié)課時(shí)，以試題中的這個(gè)實(shí)驗(yàn)作為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生能明顯地觀察到在鋁管中小磁體先加速后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在玻璃管中，由于玻璃管不會(huì)產(chǎn)生渦流并且線圈中的感應(yīng)電流較小，小磁鐵近似做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。學(xué)生觀察到現(xiàn)象后，利用電磁感應(yīng)的相關(guān)知識(shí)分析現(xiàn)象背后的科學(xué)本質(zhì)，可知小磁鐵在鋁管中下落所受到的阻力來(lái)源于鋁管中的渦流所施加的磁場(chǎng)力，速度越大，磁場(chǎng)力越大，最終磁場(chǎng)力等于重力，小磁鐵勻速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅很快地得出圖（c）是用玻璃管獲得的圖像，還很好地提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。

由此可見(jiàn)，高考試題突出真實(shí)問(wèn)題情境的設(shè)計(jì)，選取鮮活素材，貼近學(xué)生實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題及解決問(wèn)題。從經(jīng)典的電磁阻尼現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)出發(fā)，從多個(gè)設(shè)問(wèn)角度考查學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)原理的深入理解和應(yīng)用。

大量教學(xué)實(shí)踐表明，“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)有助于豐富物理實(shí)驗(yàn)課程資源，提升教師的實(shí)驗(yàn)課程資源開(kāi)發(fā)能力和教研能力?！胺浅Ｒ?guī)”物理實(shí)驗(yàn)有利于打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，在課堂教學(xué)中有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力。此外，“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)還能更好地培養(yǎng)和提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新實(shí)踐能力，幫助學(xué)生形成正確的物理觀，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

作者單位  陜西省西安市黃河中學(xué)

責(zé)任編輯：張言