中学物理教学中的创新实验设计方法探究

　摘要：初中物理是义务教育阶段的基础性学科，目的在于培养学生的理性思考模式，对身边的物理常识有一定了解，能够从生活中发现物理规律并学会应用其来解决实际问题。初中物理教学包括理论教学和实验教学两大部分，但在实际教学活动中一线教师往往会忽略实验教学的重要性，只看重理论教学，过于重视卷面成绩，导致初中学生的动手能力与创新意识十分薄弱。基于以上原因，在物理教学中引入创新实验，来增加实验教学的比重就显得尤为重要。

　　关键词：创新实验；力学；教学设计；初中物理

　1绪论

　　1.1研究背景及现状

　1.1.1研究背景

（1）初中物理的学科特点：

物理学是人类科学文化的重要组成部分，是一门研究物质、相互作用及运动规律的自然科学。初中物理学科具有以下几个特点：

1）实验是物理学的基础，物理学是一门以实验现象为依据的自然科学，生活学习实践中出现的物理现象所遵循的各种规律，几乎是学习物理学的伊始，所以尤其注重学生在科学实验能力方面的培养。开发初中物理课程要从激发高效率的动脑动手能力、探索新知的能力、实验创新精神这几个方面着手。

2）初中物理课程侧重理论联系实际，促进学生养成活学活用物理规律的习惯。故将许多简单的生活现象蕴含在课堂实验教学活动中，加以问答的形式引发学生思考与回答，尤其在近些年来，中考物理试卷中的实验题部分添设了根据生活实际经历自主安排实验进行验证的题目。

3）学好初中物理就要有较强的逻辑化思考的能力，数学功底稳扎稳打。借助公式表达物理规律，才能解决实际问题，同时涉及很多具体问题情境和繁琐的计算。

4）学会物理、考好试题的前提是能够有高效准确的物理思路，也要持之以恒的锻炼物理思考模式，理解、记忆物理“语言”。由于物理学主要研究的是各种物理现象及其规律，需要利用若干特殊的形式，以便将所学的物理规律简洁清晰地表达出来，这些特殊的形式就是课堂上所运用的物理学“语言”。

5）初中物理主要注重理论的学习，中学物理课要传授给学生很多概念性强、较为抽象化的物理规律。

6）初中物理教材往往主要编篡了较为基础的理科知识，偏好高强度记忆，但仍然要求活灵活用，习题多与文化生活及实时热词紧紧联接在一起，故习题较为多变，相对来说难把握。

从上述六个特点可以发现，实验教学在初中物理学科中所占比重很大，对物理实验的研究具有必要性。

（2）新课改下的初中物理实验教学

随着时代的发展，科技日新月异，我国对尖端技术领域的探索越来越频繁，对高技术人才的需求逐年增长，但由于我国应试教育存在诸多弊端，培养出的人才创新能力明显不足，不能够满足我国尖端领域的发展需要，而物理学科作为理科中的基础学科，从初中学生起通过开展物理实验教学，以此来培养其创新意识就具有及其重要的意义。

“新课改”中提到了这样一句话：“改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取新知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。”而现阶段初中物理实验教学工作发展中仍存在着：1）教学观念传统，极易忽视物理实验教学；2）教具匮乏；3）教学模式单一，阻碍了学生创新意识的养成；4）对学生实验评价的重视程度不足等问题，物理实验教学改革刻不容缓。

　　1.1.2国内研究现状

最近几年，我国开始逐渐重视物理实验教学，尤其是在新课改后，关于中学物理实验教学的研讨越来越多。部分一线物理教师也开始着眼于中学物理实验的创新与发展，对实验教具进行了初步的改进。但由于应试教育根深蒂固，不少教师仍然采取传统的教学方式，极大的压缩了学生参与物理实验的时间，致使初中物理沦为了一门纯理论学科，学生学会做题、在试卷中考取高分依旧是最终主导。

2016年四川省凉山州雷波县黄琅中学王军的《试论新课程改革下初中物理实验教学的发展和创新》中指出了，初中物理实验教学存在着传统教学模式根深蒂固、实验课程与理论课程脱节、实验课程的实践性不够突出等问题[8]。

2017年64期考试周刊中温超峰的《利用废弃物品创新初中物理力学实验的研究》一文中，通过对八所学校的学生就“物理实验教学”这一内容进行了问卷调查，分析数据得出：绝大多数学生对实验教学感兴趣，对具体的实验步骤烂熟于心，十分乐于开动脑筋进行实验。但现实却是，物理老师大多急于传授知识，要求学生死记硬背，极少或是不给与学生动手实验的平台。在访谈中了解到，有些学校物理实验器材配备不足，有些老师为了赶教学进度而用演示实验代替分组实验，也有些老师担心学生分组实验会损坏实验器材而取消分组实验，这些因素都导致了实验教学无法真正发挥其育人的功能[11]。

2020年西华师范大学曹驰的《人教版初中物理教材中力学实验的改进与创新研究》中发现，初中物理实验教学的现状现阶段正在实施的《义务教育初中物理课程标准（2011年版）》及使用的相关教材已经历了近十年。访查多所初中院校发现，教材中编写的力学实验可以为基础性教学提供支持，可是，经典实验中的瑕疵也不可忽视，有实验现象差、实验流程繁琐、试验器具老旧、实验题材脱离时代等问题。其次还发现了初中物理教材的部分实验中存在着直观性差、操作不便、成功率低等问题，这对初中物理课堂教学产生了较负面的影响[17]。

在知网、掌桥科研网等网站检索到的初中物理力学实验有关文献较少，数量不足恰恰说明了现阶段对力学实验的创新性研究具有举足轻重的价值。

　1.1.3国外研究现状

西方对物理的研究与发展要远远早于我国，科技的更新换代速度也比我国迅猛，而实验教学这一概念最初在西方提出，重视程度比我国高，我国作为赶追者，更应该加强对实验教学的力度，与此同时不断地学习西方实验教学的优点，逐渐补足自身的不足，才能成为后起之秀。

董涛的《中学物理创新实验的开发与研究》一文中说道老牌资本主义国家在物理课堂中引入现代化手段，在二十世纪之初就已经开始利用多媒体实验教学了，与此同时，由X德州TI公司开发出的TI图形计算器也在实验课上投入使用。利用此类工具，学生可以自主设计、开发实验，对实验进行数据采样、分析、研究。同时，日本CASIO公司也开发了相应的图形计算器和传感器等设备应用于教育领域中，这对教育手段的改革，特别是物理实验手段的革新具有深远的意义。另外，趣味物理实验在西方国家也是很重要的方向，他们的趣味物理实验的开发对我们具有启发意义[1]。

黄刚的《国外的物理实验教学综述》一文中指出X大学允许凡是对物理实验有兴趣的学生都可以选择修这门课。南加州大学对文科生开放物理实验选修课，甚至开设了“physics for Businese Applicatication”——商用物理课程。麻省理工学院物理实验室向本地区中学生开放，邀请他们进入实验室，从事一些研究性的实验，体验科学家进行探索发现的过程，以达到充分利用仪器设备、服务社区的目的。以此可以看出西方大学对物理实验教学的重视程度[2]。

张建华的《中学开展“低成本物理创新实验”设计的实践研究》的研究中说道欧美的中学物理教材，验证性实验极少，多为设计性实验和探究性实验，多与现代生活相联系。维吉利亚军院的两位物理教授设计了许多低成本实验。例如，在投影仪的台面上放一只装冰淇淋的透明塑料杯，里面装水，在屋顶上观察光的色散现象等[4]。

西华师范大学物理与空间科学学院的曹驰调查到日本初中物理仅75个课时，但需要学生自己进行的实验和演示实验加起来达到了120个之多[17]。由此可知日本对初中物理的实验教学是多么的重视。

通过前面几个学者调查搜集到的关于西方的实验教学现状，我们可以看出，国外非常注重物理实验教学，实验教学虽然花费的时间与经费较多，却没有打消大家对实验的热情，足以说明实验教学的巨大吸引力，所以学校增设更多的实验活动、物理创新实验竞赛，开设实验课程是非常有必要的，可以让学生亲自参与创新实验的设计与实施，得到对知识的更深刻和更经久不衰的理解，从实验的成功与失败中探寻到探究学习的趣味儿。

　1.2研究内容及意义

　　1.2.1研究内容

本文研究的主要内容包括：

1.调研初中学生对物理力学创新实验的实践情况；

2.结合人教版初中物理教材中学生必做的三大类力学实验，发散创新出既可作为课堂演示实验又适合学生与家长参与的家庭实验；

3.制作出以创新实验为基础的教学设计；

4.研究成果总结、展望。

　1.2.2研究意义

1.通过分析现阶段物理实验教学的现状和存在的弊端，为之后的实验教学研究提供理论价值；

2.制作出创新性实验，推动自制教具的发展，为初中物理教师在课堂演示实验中注入新的活力，提供创新灵感；

3.有利于学生养成动手动脑的能力，并激发学生的创新意识，让学生能够积极参与物理创新实验，増强核心素养，在学生间形成严谨实践的科学氛围；4.响应国家号召，致力于培养创新型人才，丰富国家尖端领域所需的人才储备。

　1.3研究方法

　　1.3.1文献研究法

通过在知网、掌桥科技网等网站上浏览、下载、研究大量的关于物理实验教学、物理创新性实践、家庭小制作等的论文与期刊，不但了解了与本研究相关的国内外的发展状况，从中借鉴了其创新性的思考方向，而且为本文中的创新实验的设计与实践奠定了基础。

　　1.3.2调查研究法

本文主要采取了问卷调查的方法，以初二学生为调查对象，总共投放给了250位学生，收集上来的有效问卷数为178份，以此调研出初中学生对力学创新实验的看法、对学生实验的态度等。

　　1.3.3实验研究法

本文通过实验研究的方法，设计出了自动浮沉子创新实验。在实验过程中，分别进行了三组对照实验，通过分析其中的优缺点，不断改良自动浮沉子，最终创造出了适合作为演示实验或是满足学生与家长参与的蓝色自动浮沉子。

　2核心概念界定及理论依据

　　2.1核心概念界定

①创新:近义词有“革新”、“更始”，有创造新的事物，开始新的发展之意。创新是指以已存储的知识为根基，努力发现新知，不断储蓄新知，形成新思想的动作。蕴藏着两层意思：一是从零迈向一的创造；二是在已有基础上，发现新的自我而进行的奋进革新。创新的基本过程与科学探究的要素有异曲同工之妙，可以表述为：发现和提出问题——提出猜想和假设实验——验证假设得出结论[12]。本文中，创新一词是指在物理教学中能够融会贯通，合理的利用身边的物品对物理实验进行科学性的改革与变动。

②物理实验：物理学是一门以实验现象为事实依据、以科学推演为理论基础的自然科学。物理实验是人们根据一定的实验目的，使用先进的设备，采用科学的实验方法，人为地控制条件，从而创造或纯化某种自然的物理过程。在尽量不干扰物体客观状态的前条件下，对客观物体的运动形式，之间的相互作用、转化规律以及物质结构分析所进行的观测活动[9]。

物理实验根据操作人员的差异可以分为：演示实验与学生分组实验；根据实验场地的变化可以分为：课堂实验和课外实验；

其中，本文主要采取的实验类型是演示实验与课外实验。

演示实验：教师在课堂上为学生演示物理实验，在实践的同时通过教师提问、学生回答的方式引导学生不断观察实验现象，不断思考产生的原因，给学生留下深刻的印象的一种实验。

课外实验：让学生在课余时间以独自参与或加入社团或家长陪同的形式完成的观察实验，是中学物理实验教学不可或缺的一种实验类型。

③教学设计：教学设计是根据课程标准的要求和教学对象的特点，将教学诸要素有序安排，确定合适的教学方案的设想和计划。一般包括教学目标、教学重难点、教学方法、教学步骤与时间分配等环节[16]。

　2.2理论依据

　　2.2.1皮亚杰认知发展理论

认知发展理论是闻名遐迩的心理学家让·皮亚杰提出的，是20世纪心理学史上足具威信的学说。皮亚杰认知发展理论中指出儿童的认知发展需要经历四个阶段：感知运动阶段、前运算阶段、具体运算阶段和形式运算阶段，而初中生的年岁大致在在11岁至15岁这个区间内，主要处于具体运算阶段，该阶段由前运算阶段的表象图式逐渐演变为运算图式，其思维具有守恒性、脱自我中心性与可逆性，该阶段能够逐步理解抽象化的知识，属于逻辑性的，但仍然需要具象化的事实为依据。初中生尤其是初二学生开始能够学习物理学中的一些抽象概念，可以掌握三维的空间关系，观察力与关注度也显著提升，但依旧要可视化的方式加以辅助，所以在物理教学中注重实验教学是符合学生认知发展规律的，而且有利于在实验中提升学生的观察力，激发创新意识。

　2.2.2建构主义学习理论

建构主义学习理论提到教师是知识建构过程中的组织者、指导者，要注重激发学习者的学习动机和兴趣，促进学生积极建构[18]。

学生是学习主体，地位不可撼动，除了要学习知识外还将知识有意义地建构在原有的认知图式中。教师不是学习的主体，是引领人，学生可以向教师提出疑问，寻求答疑。故要“发现学习”、“合作学习”。创新实验在建构主义学习理论的指导下，将学生暴露在实验室的学习环境下，由教师引导和同伴协作的方式解决学习者自己提出的（他们认为有意义的）问题[14]。

建构主义还强调了有意义的学习，以自己原有的知识和经验为底色，通过构建积极、主动、有意义的处理过程中获得知识。教师首先要先尊重学生的现有知识和经验，不能给学生强迫灌输知识，而是应该让学生根据自己的内在需求和原有的经验，对信息进行筛选、处理、识别和再加工，从获取到对自己重要的和有价值的部分，从而完成对新知识的认识和掌握[7]。

　2.2.3杜威教育理论

约翰·杜威（JohnDewey）是X闻名的教育家与心理学家，为实用主义、机能主义心理学及现代教育学的发展做出了巨大的贡献，他提出的教育理论对二十世纪乃至二十一世纪的中国教育界、思想界都产生了重大影响。杜威认为，“教育是儿童生活的过程，而不是将来生活的预备”，提倡儿童要在日常生活中积累经验，要在生活实践中体悟学习与教育，由此我们可以得出实验教学对于学生学习物理知识是有利的，利用学生们在学习生活中处处可见的用品作为实验器具的来源进行创新实验的制作可以满足“在生活中学习，在生活中成长，在生活中进行教育”的要求。

杜威还提出了“从做中学”这个基本原则，在他看来，若儿童没有“做”这一经历，那势必会遏制其自身的发展。儿童素来就有一种要参与事态发展的期望，在举办的活动上非常活跃，因此要多让儿童体验实践活动。同理，在物理学习中加入实验教学，可以为学生提供动手动脑的平台，刺激学生主动思考与交流，对物理原理、物理现象有非常深刻的理解与记忆。

　3对初中物理力学创新实验的分析

人教版初中物理教材中，实验部分所占比重较大，同时理化生实验对学生的动手操作能力也有明确的要求。其中学生必做的力学实验有9个，分为三大类:基本操作类实验（3个）、测量类实验（3个）、探究类实验（3个），探究类实验中的“探究浮力大小与哪些因素有关”以及“探究液体压强的规律”这两个实验为第五章的创新研究提供了灵感来源。

　3.1设计力学创新实验需要遵循的原则

①科学性原则

物理学是一门科学，力学创新实验需要符合物理学中与力学相关的理论实际，不能无中生有、不尊重实验现象胡乱编造实验结果，即要满足实验原理具有科学性，具体是指实验所依据的原理必须遵循物理规律，切合前人已经证实的理论观点，允许存在误差，但不能出现谬误。误差是指测量时，受所用仪器和测量方法的限制，测量值和真实值之间的差别，误差的来源有测量仪器、测量方法、测量环境以及可能存在的人为因素。在中学物理中误差是准许存在的，是不可避免但可以尽量减小的，而谬误是不能存在的，原理中出现谬误可能会导致实验进度缓慢、实验现象观测不到等结果，最终导致实验的失败。

②直观性原则

所谓直观性，指实验要现象明显易懂、实验过程的各种物理变化要能够被学生轻松感知。有些物理知识、原理和规律对于学生来说有一定的深度，教师在教学时必须要将这些抽象的内容转化为形象的、具体的、便于学生理解的现象。这时，一个直观性的实验就变的非常重要了[6]。

③简易性原则

简易性原则是指实验设计便于操作，实验器材易于在学习生活中获取，实验流程简单安全，实验过程中读数、数据处理简洁方便，实验现象能够可视化。通过采用现代教学设备和利用日常用品这2种形式来实现这一原则。其中，现代教学设备可以为实验的过程提供很多方便，如我们可以利用计算机模拟实验过程、搜集实验素材、设计实验方法等；日常用品的好处是容易获得，学生比较熟悉，有利于实验的开展[3]。

④可行性原则

力学创新实验不能脱离教材内容，成为无根之水，需要符合初中学生的身心发展水平、知识基础、家庭承受能力及学校现有的客观条件，使教学实施时能满足课堂要求，真正有效的促进学生的学习。

⑤安全性原则

安全性原则是指在实验操作过程中，应确保操作人员、实验设备的安全，不可损毁实验仪器，不能损害学生安全健康。教师要明确实验适用的学生群体，有些实验适合高中学生参与，而于初中学生而言，其安全意识不强、自我保护能力较差，就不适合参与，比如说需要特殊化学药剂的，学生不了解其特性就容易造成危险；而有些演示实验，教师作为成年人可以进行实验，但却不适合学生模仿，应尽量避免此类安全隐患，所以在设计力学实验之初就必须考思虑到学生的年龄阶段、心理特征和自我保护能力等诸多因素以确保学生的生命健康。

⑥趣味性原则

物理实验的目的是让学生充分理解、体验到物理学习的乐趣，在实验的过程中学会物理力学规律，对物理力学原理有深刻地体会与认知，这就要求力学实验要具有趣味性。满足趣味性的途径有：实验设计要生动有趣，能够激发学生的思考，实验环节要有有悬疑点，实验现象要显著鲜明，这样才能充满趣味性。

　3.2力学创新实验的特点

①有创新:物理力学实验的创新可以是多个方面的，实验思想的创新、实验内容的创新乃至实验教具的创新。我们应从常规实验教具上取其精华，弃其糟粕，在改进上我们也要有自己独立的思想存在，我们要对常规实验教具有足够的认识，能够找到传统实验教具的优势与劣势[13]。实验内容上的创新重点在于去繁就简，突出闪光点，与时俱进，能够运用先进的多媒体等手段推陈出新。实验思想上要打破旧思路，开发新思考模式，勇于探究，勤于动手，不再循规蹈矩，对自己的创造点有自信。

②有熟悉感:力学创新实验主要取材于学习生活中，也可称为旧物改造，把生活中的旧器材赋予其新的含义，使之成为学生的力学实验器具，对学生来说拥有强烈的亲切感，减少学生对物理实验的抵触，有利于其积极投身于力学创新实验中，体悟实验的魅力。物理实验所演示的现象就是我们日常经常见到的一些现象，使学生有一种“处处皆物理，事事是学问”的感觉，从而树立起学习物理的信心[4]。触，可以增加彼此间的亲密度，有助于实验更加顺利的进行。

　3.3力学创新实验的功能

①力学创新实验有利于学生产生浓厚的学习兴趣

同时，实验过程中，学生和老师可以近距离接创新实验是在初中教材的基础上进行实验思维、实验内容、实验过程、实验器材等多方面的创新，对学生来说实验过程中充满了未知性，这些都能更好的激发学生的好奇心、观察力、讨论度。除此之外，鉴于初中学生的年龄特征，其逻辑性不强，但充满了好奇心与求知欲，渴望表达自己的观点、展现自己的魅力，创新实验正好给予了学生这样一个平台，填补了学生的强烈需求，创造了亲自动手实验的机会。在实现学生展现自我的愿望基础上，又让学生体悟到了独立思考、各抒己见的快乐。自然而然的，就培养出了学生对科学文化的热爱。

②力学创新实验利于学生养成独立思考的能力，激发学生创造力，培养个性发展

力学创新实验旨在对力学部分进行创新性研究发展，以此来训练学生的物理思考模式，要求其进行头脑风暴并采用物理语言流畅的表达出来。往往不需要安排大量的练习来培养他们的创新能力，由于大量的练习极其容易固化实验思维，会导致学生在极短的时间内丧失掉那份与生俱来的好奇心，严重阻碍创新能力的激发，因此保护好学生的好奇心尤为重要。创新实验需要灵感，为学生提供多种亲近自然的渠道才能创造出那份宝贵的灵感，在此基础上投大量的精力才能做出创新实验。在参与实验创新过程中学生个性得以充分发展，知识水平有大幅提升。

③力学创新实验将学生的文化生活与物理知识连接在一起

好奇心与求知欲激发创新的灵感，而灵感的养成体现在生活实践中。采用的实验器材学生越熟悉，实验越容易创新，越贴近生活，实验越有意思。笔者更是鼓励学生仔细观察生活、善于发现问题，课后自己设计制作小实验、小制作，让学生充分体会到物理来源于生活，又服务生活的真正意义[6]。

④力学创新实验便于学生更好的理解物理规律，对物理原理有更深的感悟

将物理知识蕴含在一个个小小的力学创新实验中，促进学生在思考中感悟万事万物所遵循的物理规律，对其有着更深的记忆，为将来高中乃至大学的物理学习奠定基础。

　4初中物理力学创新实验实践情况调查与分析

　　4.1学生问卷的编写与实施

　　4.1.1调查目的

了解初中学生对物理力学实验所持的态度、是否对创新能力有过培养和初中力学实验的创新情况等。

　4.1.2调查问卷对象的选取

以重庆市第十六中学、重庆市第二中学、重庆市第一实验中学的初二学生为调查对象，共投放给了250位学生，回收到的有效问卷为178份，回收率达到了71.2%，这样选取的依据是：

①选取3所学校，不只局限于某一所中学，以使数据更加公正、客观；

②本论文课题是关于初中力学部分的研究，而初二学生本学期主要学习的课程内容就是力学部分，对其进行调查取样更加方便；

4.1.3调查问卷的方法

本次调查方法采用问卷网生成二维码，并发放问卷二维码且不记名线上调查。

　4.1.4调查问卷的内容

根据初中学生的心理特点和学习情况，参考大量的文献资料，在指导老师的帮助下，制定出了《关于初中学生对物理创新实验的态度的调查问卷》，此次问卷共有11个问题，其中1至4题是了解当前初中学生物理学习的具体状况，5至6题是了解学生对课堂演示实验以及学生实验的兴趣与否，7至8题是了解学生的创新能力情况，9至11题是了解对力学创新性实验的兴趣与否。

4.2调查问卷的结果及数据分析

　　4.2.1调查问卷的结果

本次问卷总共投放了250份，共收集回178份，无效问卷为0份，故有效率是71.2%。

　4.2.2调查问卷的数据分析

①当前初中学生物理学习的具体状况

根据上面的表格统计分析，第1题是探寻学生对物理这门学科的喜爱程度，剖析数据得出，绝大多数的学生是喜爱物理这门学科的，但仍存在3.37%的学生对物理学科产生了抵触情绪。第2题是了解学生实际学习物理时体验到的趣味度，数据说明大部分学生体会到了学习物理的乐趣，可是笔者发现还含有5.06%的学生未感受到有趣。第3题是统计学生的物理成绩分布，发现学生成绩主要分布在60分以下和70~90分这两个区间，其中尤以60分以下占比较多，可以知道学生对物理这门学科的掌握情况不容乐观，而90~100分占比最少，两极分化较为严重。第4题是通晓学生想学好物理的决心，分析数据得出绝大多数学生渴望学好物理这门学科。

②学生对课堂演示实验以及学生实验的兴趣与否的具有情况

根据上面的表格统计分析，第5题是调查学生对课堂演示实验的兴趣度，解析数据了解到大部分学生对演示实验很感兴趣，但依旧存在3.37%的学生对演示实验教学不感兴趣。第6题是探究学生对学生实验的喜爱度，观察数据得到绝大部分学生是喜爱学生实验的，不喜欢的学生占比较少。

③学生的创新能力情况

根据上面的表格统计分析，第7题是了解学生家长对子女创新意识养成的重视程度，得出部分家长非常支持培养学生的创新意识及能力，但有将近四成家长没有专门重视培养过学生的创新能力。第8题是调查学生有无参加过创新类社团，在团体中投身创新制作的经历，剖析数据知道有将近五成学生有过创新制作的经历，可仍存在四成多学生没有此经历，不过这部分学生非常希望参与创新过程。

④学生对力学创新性实验的兴趣与否的具体情况

根据上面的表格统计分析，第9题是明了学生对物理教材中力学部分的喜爱度，可以看到绝大部分学生是喜欢教材中涉及到的力学部分的。第10题是调研学生在力学实验中进行创造思考的经历，解析数据发现部分学生有过创新性的思考，却还存有35.39%的学生没有经历过创造思考。第11题是探寻学生在有条件的情况能否在未来积极参与课外力学创新实验，调查数据得出有九成多学生是非常乐意开展课外力学创新实验的。

通过问卷调查，总的来说在学生中开展课外力学实验或是创新演示实验都是可行的，是受到学生支持的。

　5初中物理力学创新实验与教学实践相结合

　　5.1自动浮沉子实验原理

浮沉子是一种用来演示液体浮力、气体具有可压缩性以及液体对压强的传递的仪器[20]，是法国科学家笛卡尔创造的。

找一只彩色气球,在气球里注入75%的酒精溶液/95%的酒精溶液/30%的醋酸溶液以及少量空气,用细线扎紧口子并在气球下挂一重物,就制做出了一个自动浮沉子。当把它放到50度左右的水中时,酒精/醋酸不大量挥发,气球不膨胀,自动浮沉子受到的重力大于浮力就下沉至容器底部。若水温升高至60度以上时,这三种溶液均大量挥发，气球不断胀气,体积变大,受到的浮力也增加,浮力大于重力时,气球上浮直至漂浮或悬浮,重物被逐渐拉离容器底。再降低水温至20度左右,则酒精/醋酸又液化,气球体积变小,受到的浮力逐渐减小,重力大于浮力时,自动浮沉子又沉底。

　5.2自动浮沉子具体实验步骤

第一步：准备实验用具，具体如下：

①饮料瓶（1500ml,透明，有刻度）、②多个彩色气球、③橡皮泥、④铅皮、⑤75%的酒精溶液、⑥95%的酒精溶液、⑦30%的醋酸溶液、⑧细线、⑨小储物盒、⑩三支20ml注射器、普通温度计（量程为100摄氏度）、秒表。

　　准备3种溶液，分别进行实验，最终选取实验效果佳、安全性高的一组；

选取三种颜色的气球，用以区分内部注入的溶液：粉色代表注入的是75%的酒精溶液，橘色代表注入的是95%的酒精溶液，黄色代表注入的是30%的醋酸溶液；

准备三支注射器，标号1、2、3;

由于橡皮泥的重量可以及时控制和调整，故排出砝码，选取橡皮泥做小重物；第二步：制作浮沉子

1.粉色自动浮沉子

取一粉色气球，用1号注射器注入75%的酒精溶液以及少量空气，取细线扎紧口子并在气球下挂上橡皮泥。

2.橘色自动浮沉子（95%的酒精溶液）：

取一橘色气球，用2号注射器注入95%的酒精溶液以及少量空气，取细线扎紧口子并在气球下挂上橡皮泥。

3.黄色自动浮沉子（30%的醋酸溶液）：

取一黄色气球，用3号注射器注入30%的醋酸溶液以及少量空气，取细线扎紧口子并在气球下挂上橡皮泥。注：悬挂的橡皮泥的重量需要不断调试，以达到在温水中沉入容器底部的要求。

第三步：分别进行实验

1.粉色自动浮沉子（75%的酒精溶液）：

A.在饮料瓶中盛入900ml、50度左右的温水，放入浮沉子，沉入容器底部，如下图所示：

　　B.注入400ml的热水后，静待7、8秒后，浮沉子上浮,最终静止后处于漂浮或悬浮状态（由于水温及挥发程度不稳定，最终的静止状态有这两种情况，故具体情况具体分析），如下图所示：

C.在小储物盒中盛入冰水（加入冰块，达到迅速降温的目的），将B状态下的饮料瓶放入冰水中，静待6、7分钟后，浮沉子下沉至容器底部，如下图所示：

　　D.整理实验器材，擦拭桌面。

2.橘色自动浮沉子（95%的酒精溶液）：

A.在饮料瓶中盛入900ml、50度左右的温水，放入浮沉子，沉入容器底部，如下图所示：

　　B.注入400ml的热水后，静待3、4秒后，浮沉子上浮，最终静止后处于漂浮或悬浮状态（由于水温及挥发程度不稳定，最终的静止状态有这两种情况，故具体情况具体分析），如下图所示：

C.在小储物盒中盛入冰水，将B状态下的饮料瓶放入冰水中，静待5、6分钟后，浮沉子下沉至容器底部，如下图所示：

　　D.整理实验器材，擦拭桌面。

3.黄色自动浮沉子（30%的醋酸溶液）：

A.在饮料瓶中盛入800ml、60度左右的温热水，放入浮沉子，沉入容器底部，如下图所示：

　　B.注入500ml的沸水后，静待10秒多后，浮沉子上浮，最终静止后处于漂浮或悬浮状态（由于水温及挥发程度不稳定，最终的静止状态有这两种情况，故具体情况具体分析），如下图所示：

　　C.在小储物盒中盛入冰水，将B状态下的饮料瓶放入冰水中，静待5、6分钟后，浮沉子下沉至容器底部，如下图所示：

　　D.整理实验器材，擦拭桌面。

　5.3用于教学的自动浮沉子的选取过程

第一步：制作图表，比较分析

从以上表可以看出，从上浮所需时间及温度来看，95%的酒精溶液实验效果更好，但对初中学生来说，实验还需要考虑其安全性和气味是否刺鼻的条件，故综合来看，75%的酒精溶液更加合适。

第二步：发现缺点，更新浮沉子

从上述几种自动浮沉子的实验中发现，采用橡皮泥作为小重物时都出现了少量的溶解现象，导致视线模糊，实验现象达不到特别清晰的要求，综上，小重物需要满足：重量可在较小范围内调节、在水中不会溶解、不会干扰实验效果的条件，最后选取渔具铅皮。

第三步：选取蓝色自动浮沉子（注入75%的酒精溶液、铅皮作为重物的自动浮沉子）为教学器材，具体实验过程如下：

A.在饮料瓶中盛入900ml、50度左右的温水，放入浮沉子，沉入容器底部，如下图所示：

　　B.注入400ml的热水后，静待7、8秒后，浮沉子上浮，最终静止后处于漂浮或悬浮状态（由于水温及挥发程度不稳定，最终的静止状态有这两种情况，故具体情况具体分析），如下图所示：

　　C.在小储物盒中盛入冰水，将B状态下的饮料瓶放入冰水中，静待5、6分钟后，浮沉子下沉至容器底部，如下图所示：

D.整理实验器材，擦拭桌面。

蓝色自动浮沉子既可以用于实验教学，又可以开展家庭实验，开展家庭实验时，父母需要注意孩子的安全，切勿将酒精溅进眼睛里。

　5.4基于蓝色自动浮沉子实验的物体的浮沉条件及应用的教学设计

教学设计

第十章第三节物体的浮沉条件及应用

一、知识与技能:

1、学会并记住物体的浮沉条件；

2、知道浮力的具体应用。

二、过程和方法:

1、通过比较铁块和蜡块的浮沉情况，分析出浮力与重力的关系；

2、通过观察空矿泉水瓶和灌沙后的矿泉水瓶的浮沉情况，分析出浮力大小与物体自身密度、液体密度的关系；

3、通过浏览关于浮力应用的资料，体会浮力应用的社会价值。

三、情感、态度和价值观:

1、认识科学技术的发展对社会生活的影响。

2、养成良好的科学意识。

四、重点、难点

1、重点:理解汽艇的工作原理。

2、难点:学会物体所受的重力与浮力的关系以及浮力与密度的关系。

教学方法：实验、讨论、归纳<教学

用具：烧杯、水、体积相同的蜡块和铁块、蓝色自动浮沉子

课题演示实验:

1.拿出相同体积的铁块和蜡块，引导学生主动观察。

2.将步骤一中的铁块和蜡块同时浸没在水中，提出问题：同学们猜一猜谁会上浮谁会下沉呢？

3.松手后，学生观察思考。

[现象]:铁块逐渐下沉直至沉底；蜡块逐渐上浮直至漂浮。

提出问题:

1.松手后，浸没在水中的铁块和蜡块各受到几个力?分别是什么呢？

2.它们受到的浮力大小是相等的吗?

3.既然两者受到的F浮相等，那为什么会出现铁块沉底而蜡块漂浮的现象呢?

4.同学们想一想，大胆猜测一下，物体的浮沉取决于什么呢?学生思考：铁块和蜡块体积相同，放入水中后放手，为什么一个下沉一个上浮呢？

举手回答问题：

学生1：铁块和蜡块均受到2个力；受到自身的重力和水对自身的浮力；

学生2：根据阿基米德原理

F浮=ρ液gv排可知，浸没在水中的铁块排开水的体积=浸没在水中的蜡块排开水的体积，故浮力相等；

学生3：因为铁块和蜡块密度不同、体积相同，根据m=ρv可知：铁块比蜡块质量大，所受的重力大；

学生4：可能跟密度有关；

学生5：跟自身的重力有关；

由实验激发学生兴趣，引发学生思考

提出个相关问题，

引起学生利用阿基米德原理对物体沉浮条件进行猜测。

新课推进

一、引入新课详细讲解物体的浮沉条件：

分析蜡块:松手后，浸没在水中的蜡块所受到的F浮>G蜡，所以蜡块上浮。当蜡块逐渐露出水面时，V排减小，浮力减小，当F浮=G物时，蜡块最终漂浮在水面。即:F浮>G物上浮，最终漂浮，漂浮时F浮=G物。

分析铁块:松手后，浸没在水中的铁块所受到的F浮<G铁，铁块下沉。到达容器底部后，受到F浮、G铁和F支，三力平衡，铁块沉底。即:F浮<G物下沉，最终沉底。

若一个物体浸没在水中，松手后F浮=G物，只受到浮力和重力，二力平衡，我们说物体悬浮在液体中。

即:F浮=G物，最终悬浮。

[总结]:通过上述分析，我们知道浸在液体中物体的浮沉取决于自身所受F浮与G物的关系。故，学生5的回答是正确的，那同学们思考，学生4说可能跟密度有关，对不对呢？

二、推进新课

讨论：

1.将空矿泉水瓶按入水中，水瓶上浮，最终能漂浮在水面上，其原因是什么？

2.把空矿泉水瓶灌满沙子，为什么又沉下去了？

两位同学回答的非常好，那继续思考，空气的密度、沙子的密度与水的密度一样吗？说明了什么？故，物体所受的浮力大小取决于物体自身密度与液体密度的关系，学生4的回答是正确的。

总结归纳：

物体的浮沉条件1.浮力与重力的关系：

物体浸没在液体中，只受重力和浮力F浮>G物上浮过程

F浮=G物悬浮静止F浮<G物下沉过程

2.物体密度与液体密度间的关系：

ρ液>ρ物上浮过程

ρ液<ρ物下沉过程

ρ液=ρ物悬浮静止

学生观察整个实验过程后，通过实验现象思考，判断实验过程中物体所受浮力大小的变化并对物体在各种状态下进行受力分析，最终得出结论。

学生思考讨论学生回答：

学生1：空矿泉水瓶中是空气，重力小，浮力大于自身的重力，F浮>G物，故上浮，最终漂浮，漂浮时F浮=G物。

学生2：把空矿泉水瓶灌满沙子，沙子的重力大于浮力，F浮<G物下沉，最终沉底。

学生记录笔记

让学生自己受力分析，培养归纳总结能力。

反思总结

培养学生活学活用的能力

引发学生思考

知识巩固：

演示实验（由于所需时间较长，如果时间不允许，可采用播放实验视频的方式进行教学）蓝色自动浮沉子实验：

告知学生：酒精具有挥发性，温度越高挥发越快，温度降低后酒精液化。

　6总结与展望

　　6.1研究总结

基于对本课题“基于创新实验的初中物理教学设计”的研究背景及国内外现状、研究方法的分析，叙述了核心概念和相关的理论基础，针对初中学生对物理创新实验的态度这一课题，对三所中学——重庆市第十六中学、重庆市第二中学和重庆市第一实验中学的250名初二学生进行了相关调研，并结合初中物理《物体的浮沉条件及应用》一节的相关实验及涉及到的飞艇这一应用的原理，重点探讨了自动浮沉子的设计原理、创新点、设计步骤、实验现象等，最终发现自动浮沉子能够明显展现出物体的浮沉过程，尤其是上浮和下沉这一中间状态，而且是可以根据温度进行自由调控的，这一实验教具的创新点也在于此。但是此实验仍然存在几点弊端：⑴调整温度的时间花费较长，尤其是在降温这一环节；⑵小气球的膨胀变化肉眼观察不明显；⑶75%的酒精溶液存在一定的安全隐患，这些弊端的存在说明自动浮沉子实验任然有很大的进步空间，在未来对其进行更加细致的改进工作势在必行，这一实验的创新与改进具有不错的价值，对学生实验、教师演示实验进行了创新性发展。

　6.2展望

本文总结了创新实验所遵循的原则、特点和功能，利用生活中的物品创新设计出了自动浮沉子，并将创新实验——蓝色自动浮沉子实验应用于中学物理八年级下册第十章第三节物体的浮沉条件及应用这一节的教学中，制作出了本节课第一课时的教学设计。希望能为一些对实验创新制作有兴趣的一线教师开拓新的思路和方法，能够吸引更多物理教师参与开发创新实验的队伍中来，逐渐壮大发展使物理创新实验的数量犹如雨后春笋般越来越多。

笔者希望在毕业之后进一步自主学习相关理论知识，虚心向一线教师学习，勤于思考，勇于实践，力争在初中物理教学上取得更优异的成绩，同时尽可能的在课堂上与学生们一起发散思维，不断迸发出新的思考点，创设出更多足具趣味性、鲜活性的物理实验，丰富实验内容，开发出足具情感体验和娱乐特征的物理实验活动，不断改进和创新物理实验教学，扭转学生对物理知识难学、实验难做的固有印象，让学生从此喜欢上创新实验，喜欢上物理课程。在努力提升自身的职业素养和能力的同时，鼓励学生发展独特的个性，满足自身的求知欲，保护好学生对世界的那份渴求与好奇、激励学生在学习中多多实际行动，提升学生的理科素养，促进学生身心和谐发展，为社会培养出更多创新型人才，丰富高新技术多需的人才库。

　参考文献

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[20]陈济豪.初中“非常规”物理实验的设计与案例研究[D].上海师范大学,2020.

　　致谢

经过两个多月的努力，我终于完成了论文的写作。从开始选题到论文文章的完成，每走一步都是全新的挑战，这是在大学期间最为值得纪念的一件事。

其中我要感谢一下在论文写作中帮助过老师——我的论文指导老师XXX导师。在整个过程中老师给予我了很大的鼓励与帮助，尤其是在论文选题的时候，指引我选择了题目的大方向，在写作的过程中，又提醒我多看论文，了解大概论文结构。这使我受益匪浅，很快的就完成了论文的写作。

最后也要感谢论文组里的同学，也给予我帮助。期望在接下来的教学工作中能够充分发光发热，不断创新。