利用生活用品建立家庭物理实验室

摘要

在具体教学中，很多学生对物理学习的兴趣不高，学习效率较低。为了让学生多做实验，培养学生对物理的兴趣和积极性，可把家庭中常见的生活用品作为物理实验器材，在家中做物理实验，不仅成本低，而且易于动手操作。实践证明，基于乒乓球这一生活用品建立的家庭物理实验室，不但是学生学习物理的重要平台，更成为其知识建构的重要手段和补充。

Graphical abstract

关键词

家庭实验 / 初中物理 / 生活用品 / 乒乓球 / 创新实验 / 物理实验室

新修订的《物理课程标准》，将物理课程中的三维目标深化为物理学科核心素养，要求学生在接受物理教育过程中逐步形成适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力^［1］。物理学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生科学素养的重要组成部分。初中物理阶段是将学生带入物理世界的开端，在树立学生物理意识的同时，能提高学生的物理实践能力，促进学生创新意识的培养。而生活中触手可及的器材，可以帮助学生打开物理世界的大门，让枯燥的学习变得有趣，激发起学习物理的积极性。但也要看到，目前的实验教学现状的确存在诸多问题。

1 初中物理实验教学现状分析

1.1 学生侧重结论记忆，忽视实际操作

在初中演示实验课中，有些教师将实验演示一遍后，便得出实验结论，完全无视大部分学生根本没有看到实验现象的现实。例如，在学习“光的折射”时，先在盆底放置一枚硬币，再往盆中加水，随即硬币在视野中“消失”了。在演示实验时，只有教师或受邀演示的学生能够目睹这一现象，而其他学生没有机会观察到如此神奇、有趣的实验过程，更没有办法看到任何实验现象。类似这样快速完成的演示实验不在少数，但受上课时间的限制，教师不可能在实验上花费太多时间，而是一味强调将结论背诵下来，能解题就行，功利性太强。如果实验器材取自家庭并据此建立家庭物理实验室，那么学生可以在家中演示实验、重复实验，反复观察现象，直到得出结论，既能激发其求知欲，又能锻炼其动手能力，还能提升其物理思维能力，可谓一举数得。

1.2 学生知其然，不知其所以然

在初中学生分组实验课中，教师往往先演示一遍，或者播放演示视频，再让学生按照实验步骤重复操作。实验结束后，数据有了，在此基础上就能得出实验结论。整个实验学生都做得很顺利，基本上不会出现大的差错。但这样的物理实验课意义不大，剥夺了学生体验物理实验过程中“犯错”的机会。以“如何测量石块的密度”实验为例，是先测量体积，还是先测量质量？教师一味强调先测质量，再测体积，随即让学生动手实验。有些学生会思考——为什么要按照这样的步骤？如果不按照这一顺序，会出现什么问题？如果将这两个实验步骤互换，即先测体积后测质量，实验会出现什么错误或者误差？由这些问题让我们想到，教师一开始就设定“先测质量再测体积”的实验模式，严重影响了学生建构物理规律的行为，他们感受不到经历过失败才能获得成功的科学体验。好的做法是，教师完全可以让学生同时完成“先测质量后测体积”跟“先测体积后测质量”这两组实验，让学生自己通过两组实验数据的对比得出结论。当比较实验顺序互换所造成的实验误差或者错误后，教师就可以引导学生学会如何减小实验误差和改正实验的错误操作。

1.3 学生的实验态度不端正

在实验教学过程中，有些学生的主动性不强，不愿意自己做物理实验，而是以旁观者的身份观察实验，必然无法系统地掌握实验本质。一些学生认为，只要记住实验的结论，多刷几道实验题，就能够应付考试。这一思想必然导致其实验积极性不高，亦难以按照教师的要求完成实验任务。另有一些学生做实验就是按照课本上的实验步骤操作，即课本上怎么写就怎么做实验，亦步亦趋地完成“实验”，没有自己的思想，缺乏实验自主性。部分动手能力差的学生，不仅课本上的步骤完成不了，甚至伪造实验数据和拼凑实验结果。学生的学习态度影响到物理实验教学的进程，最终使师生互动沦为形式，则实验课堂成了教师的“一言堂”^［2］。

1.4 物理实验的评价方式相对单一

在初中物理实验教学中，存在物理实验评价相对单一的问题，局限于实验测量层面，而没有测试学生在实验中的动手操作能力和解决问题能力^［3］。一个物理实验，只要记录数据，就易于得出实验结论。得到实验数据，只是完成物理实验的操作环节，而完整的实验认知还包括对数据的处理、现象的解释和结论的论证。然而，大部分有能力的学生在实验后并没有进行实验反思，丧失了对比和分析实验数据的机会；而应用好这些实验数据，其实可以实现物理实验的再生成和升华。例如，“探究：平面镜成像的特点”实验的第一个步骤是：将玻璃板垂直放在桌面上。其评价可以设置成：一是垂直放置玻璃板的目的，并记录成像的大致位置；二是将玻璃板前倾，作图并画出成像的大致位置；三是将玻璃板后倾，作图并画出成像的大致位置。不可否认，合理和深入地设置评价内容，可以使物理实验变得丰富多彩。

2 建立家庭物理实验室的目的和意义

2.1 建立家庭物理实验室的目的

建立家庭物理实验室的目的，就是在教师的指导下，让学生收集生活中随处可得的小物件，再由学生按照物理课本上的实验操作步骤，或结合教师列出的问题做实验，边观察实验现象边记录实验数据，最后归纳出物理规律。所以，建立家庭物理实验室具有必要性，因为基于该实验室所进行的一系列实验活动是教师演示实验和学生分组实验的重要补充。

2.2 建立家庭物理实验室所需的实验器材

以日常生活用品甚至废弃物品为素材建立的家庭物理实验室，不仅成本低，而且学生可以借此不断改进物理实验，增强家庭实验的趣味性、直观性和可操作性，加深对物理规律的理解并掌握物理知识。例如，在学习“神奇的眼睛”一节后，学生可以把一个装满水的矿泉水瓶置于阳光下，上下移动矿泉水瓶，同时观察地面上所成的像的变化情况；保持瓶子与地面的距离不变，按压矿泉水瓶，观察像是否发生变化，借此来探究近视眼与远视眼的成像特点；再将近视镜置于矿泉水瓶上方，体会近视眼的矫正原理。这个实验取材方便，实验现象明显，学生完成实验后，对眼睛的神奇之处有了深刻的认识；按压矿泉水瓶造成透镜厚度发生变化，进而引起透镜焦距的变化，就在视觉上产生了冲击，从而对近视镜采用凹透镜进行矫正有了新的认识。

2.3 建立家庭物理实验室的意义

建立家庭物理实验室，更能激发学生的学习兴趣和共鸣。一般来说，教师应引导学生按照科学探究的7个环节完成一次完整的科学探究过程。例如，在学习“探究：凸透镜成像的规律”一节时，教师可在课前安排学生在家中做实验。具体的环节如下。

（1） 提出问题：家中防盗门的外侧设有“猫眼”，用带有不干胶条的不透明纸片（以下简称“贴纸片”）遮住“猫眼”的1/2；让爸爸站在门外，此时透过“猫眼”看到站在门外的爸爸的像，是否变小？

（2） 猜想与假设：猜想像会变小。

（3） 设计实验与制订计划：在没有“贴纸片”前，观察爸爸的像；在有了“贴纸片”后，再次观察爸爸的像；两次的观察结果均用照相机拍下来。

（4） 进行实验与收集证据：观察加入“贴纸片”前后门外爸爸的像。

（5） 分析与论证：观察到的像并没有变小，但像变暗了。

（6） 评估：用“贴纸片”遮住凸透镜的1/2后，像没有改变大小，实验现象清晰，能够得出结论。

（7） 交流与合作：学生分享实验结果，在班上与其他学生交流实验的心得体会，最后教师进行相应的实验总结。这样的科学探究过程，既能让学生体验和感受到实验的乐趣，又便于学生建构实验知识与技能，真正实现了从“做”中学。

3 基于乒乓球的家庭物理实验

基于乒乓球，笔者从特殊测量、声音、力、力和运动、压强等5个方面（图1）设计了12个家庭实验。

3.1 特殊测量方面

【特殊方法测长度】选取两块三角板，把乒乓球放置在两者中间，测量乒乓球的直径（图2，来源于网络）。随后，引导学生思考：测量时需要注意哪些事项？如何正确读数？根据这两个问题的提示，学生就能在测量时正确地把三角板夹紧在乒乓球的两端，还有读数时需要读到分度值的下一位。

3.2 声音方面

【探究声音的产生】将乒乓球静止放在玩具鼓的表面，敲打鼓面。待学生认真观察实验现象后，引导学生思考：能不能看到鼓面产生振动？乒乓球为什么会跳动？观察到的实验现象是：在听到鼓声的同时看到乒乓球在跳动，这就说明声音是由振动产生的。另外，鼓面的振动是微小形变，看不出来，而借助乒乓球的跳动，就能间接证明发声时鼓面在振动，进一步引入了物理研究方法中的“转换法”。

【探究响度与振幅的关系】将乒乓球静止放在玩具鼓的表面或者倒扣的铁盆上，分别用力敲打和轻敲鼓面（图3、图4）。随后，引导学生思考：用力敲时，声音是否变大？乒乓球被弹起的幅度有没有变化？实验后，学生对振幅的概念、响度与振幅的关系有了进一步的了解。

3.3 力的方面

【探究重力实验】分别将乒乓球以静止的方式释放，以竖直上抛、斜抛的形式运动，观察乒乓球的运动路径。随后，引导学生思考：为什么乒乓球最终都落回地面？根据问题分析的结果得出：在重力的作用下，可观察到乒乓球无论如何运动，最后都落回地面。另外，重力的方向是竖直向下的。

【探究浮力实验】先将乒乓球按压于水槽底部，再放手，最终乒乓球静止于水面（图5）。学生思考后得出：力可以改变物体的运动状态，球向上运动，说明其受到了一个方向向上的浮力，就使乒乓球由底部上升到水面。

【探究浮力的方向是否竖直向上的实验】①用线的一头绑住乒乓球，另一头绑住石头，将两者置于水中，遂发现乒乓球浮在水面；用重垂线检测浮力方向是否在竖直方向。由于重垂线的方向是竖直向下的，移动重垂线，如果重垂线与绑住乒乓球的线重合（图6）或者平行（图7），则说明浮力方向一定是竖直的，并进一步得出浮力方向竖直向上。②改变水槽倾角，重复上述实验；用重垂线判断浮力方向是否在竖直方向；最后得出结论：浮力的方向一定竖直向上。

【探究浮力产生的原因】将两枚乒乓球放在倒扣的空矿泉水瓶内，往瓶内加水，靠近瓶口处的乒乓球没有浮起来，另外一枚乒乓球却浮起来了（图8），说明靠近瓶口的乒乓球底部没有水，无法受到水对乒乓球底部方向向上的压力，因此浮不起来；给矿泉水瓶盖上盖子后，底部的乒乓球就浮起来了。

3.4 力与运动方面

【探究力与运动实验】①用力捏紧乒乓球，球变瘪了，说明力可以改变物体的形状，即力可以使物体发生形变；②乒乓球由静止的状态释放后，乒乓球由静止开始运动，即由静到动，说明力可以改变物体的运动状态；③把乒乓球扔向墙壁，乒乓球会反弹回来，也说明力可以改变物体的运动状态。

【探究惯性实验】取两枚相同的乒乓球，其中一枚为空心、另外一枚的内部装满水，分别用两根等长的细绳将两者挂起来，从表面上看没有什么区别；让学生用差不多相同的力去吹两枚乒乓球，一枚容易吹动，另外一枚的摆动幅度较小（图9）。引发学生思考：实验现象的原因是什么？随即，让这个学生摸一下这两枚乒乓球，找出问题的关键之处；再提出惯性的影响因素与什么有关？结合问题得出结论：惯性与质量有关。

【探究物体漂浮时浮力大小的实验】乒乓球由静止的状态释放于水中，静止时乒乓球处于平衡状态，根据二力平衡得出：浮力大小等于重力大小。

3.5 压强方面

【探究大气压强的实验】捏紧一下空矿泉水瓶的瓶身，放手后，瓶口可以吸住乒乓球。引导学生思考问题：为什么乒乓球被吸住了？教师分析实验现象，并引导学生总结得出：按压瓶身会将瓶中的空气排出，使瓶内的气压小于外界的大气压，此时在大气压的作用下，乒乓球被压于瓶口。

【探究流速与压强的关系】将一个空矿泉水瓶从中间剪开，取两端开口的部分作为漏斗；将乒乓球置于倒置的漏斗下，用手托住，再在漏斗的另一侧用一只电吹风吹风；放手后，乒乓球并不会掉下来。教师分析原因：由于乒乓球上方的气流流速大、压强小，而乒乓球下方的气流流速小、压强大，则乒乓球下方的压强大于上方的压强，会使乒乓球的上下方形成压强差，产生一个方向向上的压力，在这个压力的作用下乒乓球被顶住，就不会掉下来了。

4 结语

综上所述，生活中的一枚普通乒乓球就可以完成很多的物理实验，操作简单，现象明显，且学生自己动手完成实验后，可以直接得出结论。在激发学生学习物理的兴趣的同时，调动其学习积极性。

学生还可以利用家庭物理实验室对物理实验进行改进创新，甚至于自制实验器具。毫无疑问，教师引导学生体会物理源于生活，感受物理与科学、社会、生活的密切关系，能够培养其科学探究能力和实验创新能力，进而提高其物理学科核心素养。

从发展的角度看，物理教师应该做到：围绕不同主题，不断强化实验教学的创新力度；依托不同方法，积极设计、实施系统性的实验教学方案；帮助学生以更加自主、能动、有趣的方式，努力开展实验探究活动。最终，将“学以致用”的科学教育理念落到实处，真正做到从“做”中学。

参考文献

[1] 戴伟东.基于“新高考”下物理教师专业成长刍议：注重农村特色高中学生探究能力培养［J］.物理通报，2018（12）：109-111.

[2] 朱利林.初中物理创新实验教学的实践与思考［J］.学周刊，2023（10）：97-99.

[3] 程嘉慈.初中物理探究式实验教学的现状及优化策略分析［J］.试题与研究，2020（35）：197.

基金资助

2023年度漳州市基础教育课程教学研究课题“新课标背景下初中物理实验创新的实践研究”(ZJKTY23026)