初中物理“内能变化”实验创新

摘要

以“内能变化”实验为例，针对传统实验安全性不足、现象不直观、操作复杂等问题，提出3类创新实验策略：利用生活材料（如矿泉水瓶、气球）增强趣味性，以解决操作复杂问题；结合温度传感器实现量化呈现，以解决现象不直观问题；借助AI工具建构微观模型，以破解抽象概念难点。从教学效果看，这些策略为初中物理实验教学创新探索了实践路径。

Graphical abstract

关键词

初中物理 / 内能变化 / 实验创新 / 教具改良 / 温度传感器 / 虚拟实验 / AI工具

随着《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）的颁布与新教材的全面实施，初中物理教学正从传统的知识传授型向核心素养导向的探究式教学转型。《课标》明确将培养学生物理学科核心素养作为目标，强调“注重科学探究，倡导教学方式多样化”^［1］。作为以实验为基础的学科，实验探究是物理课程实施的核心环节，而这一转型对教师提出了双重挑战：既要突破传统教学范式，以启发式教学激活学生思维；又要立足生活开发教学资源，将真实情景转化为教学情境^［2］。在此背景下，实验教学的创新优化成为落实《课标》要求的关键，故探索其有效策略已成为物理教育领域的重要课题。

1 教材实验设计方案分析

以人教版物理九年级第十三章第三节“内能”为例，《课标》对该节“做功改变物体内能”的要求是，聚焦学生对能量转化过程的直观感知与探究能力培养。教材中“做功改变空气的内能”实验包含两类装置（图1）：空气压缩点火仪、气体做功内能减少演示器。其实验现象均较为直观、紧扣教学内容、学生容易理解，但教师在教学中普遍发现，这两个实验对操作要求较高，具有一定难度。

其中，空气压缩点火仪（图1-a）的操作存在一定难度，表现为需要较大力气，对教师（尤其是女教师）存在挑战，棉花燃烧时间短暂，学生观察时间窗口有限，且无法亲自动手，一定程度上影响了学生探究能力的培养^［3］。气体对外做功内能减少演示器（图1-b）的难度在于，橡皮塞的松紧较难把控：塞得太松，则效果不明显；塞得太紧，则有安全隐患^［4］。因此，如何设计一种低成本、操作安全、现象明显的实验方案，是该实验创新的出发点和归宿点。

2 实验创新的有效策略

针对教师在实验教学中的反馈，笔者从利用生活材料为实验创新增趣、利用传感技术为实验创新赋能、利用虚拟手段为实验创新增效等3个维度探索实验创新路径，旨在提升实验的直观性、可操作性与趣味性，最终助力《课标》目标落地。

2.1 利用生活材料为实验创新增趣

传统实验器材的专业性与高要求往往会降低学生的参与度，而生活材料具有易获取、低成本的特点，可有效破解这一难题。将矿泉水瓶、气球等日常物品转化为实验器材，既能简化操作，又能拉近物理与生活的距离，从而激发学生的探究热情。

实例1：用矿泉水瓶演示“空气推动塞子做功时，内能减少”。

在空矿泉水瓶中装少许水，旋紧瓶盖摇晃，让瓶中水蒸气尽量饱和；将矿泉水瓶从中间扭转，压缩空气；保持瓶内空气压缩状态，迅速旋开瓶盖。随着“砰”的一声，瓶盖被压缩空气推出，瓶内空气对外做功，内能减少，温度降低，导致瓶内产生大量白雾（图2）。

实例2：用气球探究“外界对物体做功时内能增加，物体对外做功时内能减少”。

给每位学生分发一个气球，将气球自然展开，轻贴嘴唇，感受气球橡皮的初温；双手尽量拉伸气球两端，迅速将气球轻贴嘴唇，嘴唇能明显感受到气球橡皮温度升高；保持拉伸一段时间后，迅速松手，将气球轻贴嘴唇，嘴唇能明显感受到气球橡皮温度降低。

以上两个实验的设计均使用生活中随手可得的器材，成功率高、可复制性强。在实验前，要做好安全防护措施。例如，为避免弹出的瓶盖击伤学生，可用结实的细线把瓶盖拴到瓶子上，以防瓶盖乱飞。第二个实验采取“人人参与”的形式，这有助于培养学生的探究习惯。

2.2 利用传感技术为实验创新赋能

生活材料虽增强了实验的趣味性，但难以实现物理量的精准量化，而传感技术可弥补这一不足。将温度传感器等数字化工具与生活器材结合，可将抽象的“内能变化”转化为直观的“温度数值变化”，从而突破传统实验的观察局限。

实例3：注射器与温度传感器组合，探究“对气体做功和气体对外做功时的温度变化”。

将温度传感器安装在注射器内，温度传感器显示当前温度为21.8 ℃（图3）；推动注射器活塞，压缩空气，观察到注射器内气体温度逐渐升高至23.1 ℃；松开活塞，让注射器内的气体膨胀，观察到注射器内气体温度逐渐降低。此实验装置容易制作，效果明显，最大的好处是实验几乎不会失败，且能直观看到设备中的温度变化。同时，可以让学生亲自操作来增强其体验感，自然能提高其学习兴趣和学习效率。

2.3 利用虚拟手段为实验创新增效

对于分子运动、能量转化等微观抽象概念，传统实验与传感技术均难以直观呈现，而虚拟实验却可以通过动画模拟实现“微观过程可视化”。例如，借助AI工具制作交互动画，就能够帮助学生建立感性认知与理性知识的联系，从而破解抽象概念教学难点。

实例4：用AI工具制作气体分子运动微观模型交互动画。

动画制作和优化：为便于在不同计算机环境中运行，选择网页动画形式。在DeepSeek交互界面输入具体需求后，系统生成相关代码，运行代码即可获得初始动画。初始动画可能与设想有出入，但可以反复修改优化。

该动画旨在构建气体压强微观模型的交互动画，优化后最终界面如图4所示。其核心内容为：封闭容器中，大量红色小球（模拟气体分子）做无规则运动，通过撞击容器壁产生压强；充气操作使小球数量增多，导致压强随之增大；抽气操作使小球数量减少，导致压强随之减小。

该动画被命名为“气体压强微观模型”，在教学实践中可应用于分子无规则运动的认知、分子热运动与温度的关系、气体压强产生原理及气体压强影响因素等知识点的教学。以“分子热运动与温度的关系”为例，借助该模型，学生能够直观观察到气体温度升高时，分子运动平均速度增大的过程，进而理解温度与热运动的内在关联。此动画将不可见的分子运动“可视化”，实现了学生感性认知与理论学习的结合，有助于深化对知识的理解，并增强知识运用能力。

3 教学反馈

为验证上述创新策略的实践效果，笔者对3个班级共142名学生进行教学跟踪与问卷调查（表1），结果显示实验创新显著提升了教学质量。从学生偏好来看，学期前仅25.4%的学生喜欢生活材料实验，而学期后这一比例升至77.5%；同时，传统实验器材的偏好率则从71.8%降至19.7%。这表明，生活化实验的认可度显著提升。从自主探究行为来看，学期前134名学生（94.4%）从未在家尝试实验，学期后62名学生（43.7%）“经常做”、58名学生（40.8%）“有时候做”，其自主探究意识明显增强。从学习方式有效性感知来看，认为“自己设计实验学习更高效”的学生从17.6%升至59.2%，远超“反复做题”“听课记笔记”等传统方式，印证了实验创新对学习效率的提升作用。此外，100%的学生反馈生活材料实验能提升学习兴趣、探究能力，并助力养成“知识联系生活”的习惯。

4 结语

以“内能变化”实验为载体，针对实验教学难点，构建了“生活材料本土化改造—传感技术量化赋能—虚拟手段可视化呈现”的多层次实验创新体系。实践表明：生活材料的运用降低了实验门槛，激发了学生参与热情；传感技术的引入实现了物理量的精准测量，突破了传统实验的观察局限；虚拟动画的开发则将微观过程显性化，深化了对抽象概念的理解。

教学反馈证实，这些策略不仅显著提升了学生的学习兴趣与课堂效率，更在科学探究能力培养、知识与生活联结方面发挥了积极作用，有效呼应了《课标》物理学科核心素养要求。目前，仅聚焦“内能变化”单一内容；未来，还要拓展至力学、电学等更多知识点，以期探索不同类型实验的创新模式。同时，需要进一步研究传统实验与创新手段的融合机制，优化虚拟实验的交互设计，以便为探究型课堂构建与育人目标落实持续提供支撑。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 罗莹，蔡天娇.从科学探究到跨学科实践：初中物理教学的新变革：基于新旧课标的比较分析［J］.物理教师，2023，44（02）：38-43.

[3] 陈锦华.两用气体做功内能变化实验仪的创新改进［J］.实验教学与仪器，2022，39（06）：27-28.

[4] 刘沁心.基于实验创新的“内能热传递”教学设计［J］.物理教师，2019，40（08）：46-49.

基金资助

2024年中国教育装备行业协会教育装备研究院课题“基于教育装备的实验教学空间的建设”(CEFR2401R02)

2025年湖南省教育学会“十四五”教育科研课题“人工智能条件下的中小学精准教学策略研究”(P-12)