哈佛大学实验教学及其对我国物理实验教学的启示

摘要：哈佛大学实验教学非常注重低成本物理实验，充分利用生活用品和废旧物品开展实验；非常注重社会实践，引导学生通过社会实践发现问题；积极开展科学探究，引导学生通过实验探究解决问题。相反，我国实验资源较为缺乏、学生缺少社会实践、科学探究开展较少。因此，我们可以从实验资源、社会实践和科学探究等方面大力改进我国的理科实验教学。

关键词：哈佛大学实验教学；物理实验教学；低成本物理实验；科学探究

2013年1月13日至26日，我校物理、化学、生物等理科教师雷庆、李才猛、吴姝走进了美国哈佛大学工程与应用科学学院，参加了为期两个星期的培训，哈佛大学美丽的校园、全新的理念、先进的设备以及全面的实践给我们留下了深刻的印象，同时也引发了我们对中国理科实验教学现状的深刻反思。

1 哈佛大学实验教学概况

哈佛大学实验资源丰富，但是他们非常注重生活化实验资源的开发和利用；非常注重社会实践，积极组织学生开展社会调查，让学生从社会调查中去发现问题；非常重视科学探究，让学生通过实验探究去分析问题和解决问题。

1.1 充分利用实验资源

实验资源是开展实验的物质基础。生活用品和废旧物品是非常重要的实验资源。充分利用这些实验资源，不仅可以培养学生的实践能力，而且可以促进学生创新能力的发展。

在哈佛课堂上，开展了一些针对中学生的设计性实验。这些实验旨在培养学生实验设计能力和创新能力。其中一个就是纸塔实验，老师要求学生用纸张、胶水和细木条等材料设计一个纸塔。看谁设计的纸塔又高又稳。同学们将纸张缠绕在木条上设计了一个纸塔，在纸塔旁边加了三根柱子以增强其稳定性，如图1所示，纸塔高度大概一米七，不能独立稳定在地面上，需要大家用手支撑才能稳定。老师的设计非常新颖，他只用了一卷卷筒纸，从中心抽出纸，然后一直向外拉，最好形成一个两米多高的纸塔，纸塔又高又稳定，如图2所示。老师的设计充分利用了卷筒纸纸张之间的摩擦力和稳定的圆柱体结构。因而实验非常成功。

1.2 大力开展社会调查

社会调查能够从生活走向物理，从物理走向社会，贴近学生生活，符合学生认知特点，能够激发学生的学习兴趣，学生通过社会实践，能够将物理知识应用到日常生活中去。

在哈佛课堂上，老师安排了一些社会调查活动JDESIGN，让学生通过社会调查去发现问题，然后小组合作交流，设计改进方案，最终解决问题。其中的一个社会调查活动就是到附近的快餐店CLOVER参观调查，发现快餐店存在的不足，并且提出改进意见。同学们通过实地调查，发现快餐店存在以下不足：顾客们在等餐的时候很无聊，顾客们觉得餐品不新鲜，餐盘不便于匆忙的顾客边走边吃，以及咖啡机设计不合理等。通过小组合作交流。同学们提出了改进意见：针对顾客们等餐时很无聊，有的小组提出可以在快餐店准备一些水果盘，让顾客们边等边品尝（如图3所示）；针对菜品不新鲜，有的小组提出可以在快餐店的旁边开垦一片菜园，每天早上从菜园中摘取蔬菜：针对餐盘不便于携带，有的小组提出了改进方案，并设计便于携带的新餐盘（如图4所示）……

1.3 积极开展科学探究

科学探究指的是科学家们用来研究自然界并根据研究所获事实证据作出解释的各种方式。科学探究也指学生建构知识、形成科学概念，领悟科学研究方法的各种活动。因此，科学探究在实验教学中发挥着重要的作用。在美国的科学课堂上，合作——探究学习已经成为普遍的教学方式。

在哈佛课堂上，开展了一些针对中学生的科学探究，这些探究活动旨在培养学生问题意识、搜集信息、分析问题和解决问题的能力。其中的一个探究活动就是摔蛋实验。学生一共被分成5个小组，每个小组有3位同学。教师要求学生用纸张、细线和鸡蛋等材料设计一个装置，鸡蛋从3米高空落下，当这个装置落地后，鸡蛋不被摔坏。小组内的组员先集体讨论设计方案，如图5所示。实验成败的重要因素就是空气阻力大小和整个装置的稳定性，要保证鸡蛋能够平稳而慢速着地。4个小组的设计都失败了。只有一个小组成功了，实验装置如图6所示，这个小组用纸做了一把雨伞以增强装置下降过程的空气阻力，同时，他们用纸做了一个圆柱形支架以增加鸡蛋着地过程的缓冲时间。鸡蛋用一个透明的塑料袋密封起来，并固定在支架上。雨伞和支架用许多细线连接起来，以增强装置的稳定性。通过这个探究活动，学生设计实验的能力和分析问题和解决问题的能力都得到提高。

2 我国理科实验教学反思

我国的物理实验教学存在许多不足：学生实验开出率较低、探究性实验的教学效果欠佳、实验仪器较为欠缺，自制仪器很少。哈佛大学的实验教学给我国的中学物理实验教学提供了借鉴，我们可以从实验资源、社会实践和科学探究等方面大力改进我国的理科实验教学。

2.1 大力开展低成本物理实验

物理学是一门实验科学，在物理教学过程中，教师要引导学生善于从生活用品、废旧物品、人体体验、儿童玩具等各个方面中开发设计低成本物理实验。比如，利用鸡蛋可以做许多物理实验。（1）瓶吞鸡蛋演示大气压的存在，取一个空的牛奶瓶，先在瓶内放人一团点燃的棉花，瓶内空气因受热膨胀被赶出一部分。然后将一个剥了壳的熟鸡蛋放在瓶口上，鸡蛋会慢慢“挤”进瓶子，如图7所示；（2）鸡蛋在水中的浮沉演示浮力的大小，将鸡蛋放入水中，鸡蛋沉到水底。然后，逐渐向水中加入食盐，边加边搅拌，鸡蛋会悬浮在水中，随着加入食盐的增多，鸡蛋会慢慢浮出水面：（3）旋转的鸡蛋演示惯性现象，用生、熟鸡蛋各一个，粉笔放在桌面上，同时以相同的速度旋转。生鸡蛋先停下来，因为熟鸡蛋的蛋清和蛋黄固定，所以旋转平稳；（4）用鸡蛋演示压强，把鸡蛋放在细沙上面，再依次压上铁块、砖块，然后用锤子猛力将砖砸碎，鸡蛋依然完整，如图8所示；（5）用瓶吐鸡蛋演示查理定律，（瓶已吞进了鸡蛋）将烧瓶瓶口朝下，使鸡蛋从瓶内封住瓶口（可视情况加些油），再用酒精灯给密闭气体加热，鸡蛋又被“吐”出瓶子。

2.2 引导学生进行社会调查

物理学与社会生活息息相关，利用社会调查一方面可以加深对物理规律的理解，另一方面可以培养学生创新意识和实践能力。比如让学生观察厨房的物理现象，厨房里蕴含着力学、热学、电学等丰富的物理知识。电饭堡煮饭、电炒锅煮菜、电水壶烧开水是利用电能转化为内能，都是利用热传递煮饭、煮菜、烧开水的；抽油烟机利用电能转化为机械能，利用空气对流进行空气变换：电饭煲、电炒锅、电水壶的三脚插头，插入三孔插座，防止用电器漏电和触电事故的发生：微波炉加热均匀，热效率高，卫生无污染是利用电能转化为电磁能，再将电磁能转化为内能；厨房的炉灶（蜂窝煤灶，液化气灶，煤灶，柴灶）是将化学能转化为内能，即燃料燃烧放出热量；菜刀的刀刃薄是为了减小受力面积，增大压强；菜刀的刀刃有油，为的是在切菜时，使接触面光滑，减小摩擦；菜刀柄、锅铲柄、电水壶把手有凸凹花纹，使接触面粗糙，增大摩擦；火铲送煤时，是利用煤的惯性将煤送人火炉：往保温瓶里倒开水，根据声音知水量高低。由于水量增多，空气柱的长度减小，振动频率增大，音调升高；磨菜刀时要不断浇水，是因为菜刀与石头摩擦做功产生热使刀的内能增加，温度升高，刀口硬度变小，刀口不利；浇水是利用热传递使菜刀内能减小，温度降低，不会升至过高。

2.3 积极开展科学探究活动

在探究教学中，教师可以选用新奇有趣、内涵丰富的低成本物理实验创设问题情境。激发学生的好奇心和求知欲。同时，通过开展低成本物理实验，让学生经历科学探究过程，具有初步的科学探究能力。

在大气压强的教学中，教师先用针在饮料瓶（不透明的）的底部刺上一些小孔，然后盛半瓶。上课时，教师先打开瓶盖，瓶底直往下流水，接着把盖子迅速盖上，水停止流动。通过饮料瓶设计的这个简易物理实验，课堂气氛迅速活跃起来，激发了学生的好奇心和求知欲。

接着，教师启发学生怎样用实验来测量大气压的大小，能否利用身边的物品来测量大气压的具体值。同学们通过合作探究提出了许多方案：（1）如图9所示，有的同学在密封的注射器下面挂上钩码来测量大气压的具体值；（2）如图10所示，有的同学用一个弹簧秤横着拿注射器，从而测出大气压的数值；（3）如图11所示，有的同学将吸盘紧贴在平整的木板下面，然后皮碗的下面挂上小桶，在小桶里面装沙，通过测量桶和沙的重力测出拉力，然后根据压强公式计算出大气压的数值；（4）如图12所示，有的同学将吸盘内的空气挤出以后，用弹簧秤向上拉皮碗的方法测量大气压的数值。