基于“玩·研·创”理念的初中物理热机原理实验迭代改进探索

　　一、教材热机原理实验存在的主要问题

　　人教版九年级物理第十四章第1节中热机原理演示实验（图1）帮助学生直观地理解热机能量转化过程，同时培养学生的科学思维和科学探究能力。经过多年教学实践，发现该实验存在诸多不足[1]。

　　

　　（一）安全性问题

　　实验时，由于胶塞被过度压紧，加热过程中试管内部压力急剧上升，致使胶塞携带着高温水花迅猛弹出，构成了潜在的安全风险。此外，玻璃试管在面临压力突变或受热不均匀时，也极易发生破裂。

　　（二）可视化效果不足

　　水蒸气形成过程不直观，学生难以观察水蒸气对塞子的推动作用。塞子弹出瞬间过程过快，无法清晰展示能量转化过程。

　　（三）加热时间较长，可重复性差

　　尽管控制加热试管的直径和加水量。但一次热机原理实验成功演示仍然要3～5分钟，占用课堂时间较多。即使教师需要重现实验过程，通常也不会选择重做，导致该实验的教学价值未能充分发挥。

　　（四）体验感较差

　　由于该实验只是演示实验且有安全隐患，学生只能被动观察，缺乏动手操作和探究环节，体验感较差，不利于学生理解热机的能量转化过程。

　　二、“玩·研·创”理念下热机原理实验迭代改进

　　“玩·研·创”理念是在新课标“做中学”与“用中学”基础上发展而来的，即“玩中学·研中学·创中学”。其核心思想是将“玩”（兴趣驱动、自由探索、游戏化）、“研”（探究学习、问题解决、深度思考）和“创”（动手实践、创造创新、成果输出）有机结合起来，强调以学生为中心，通过“玩”点燃兴趣，以“研”内化认知，用“创”升华价值，旨在培养学生的综合素养、创新能力和终身学习习惯[2]。

　　基于“玩·研·创”理念对热机原理实验进行三次递进式迭代改进，每一次迭代均设计为简易可操作的跨学科实践活动，有效激发学生兴趣，使其在“玩”中学习。学生在实践活动中发现问题→探究问题→解决问题，驱动实验的持续优化，实现“研”中学习，深化对热机原理的理解。最终，将学生的优秀实践作品转化为课堂教具，或应用于学校科技节、社区科普活动等体验项目，既提升了学生的自信心，更“创”造了新的教学与社会价值。

　　“玩·研·创”理念是每一次迭代改进的核心驱动力，跨学科实践是每一次迭代改进的载体，最终目标是实现培养学生的实践能力和综合素养[3]（下页图2）。

　　

　　（一）第一次迭代改进：八宝粥罐体热机原理实验

　　第一次迭代改进实验用简易低成本生活材料代替教材专业实验器材，并巧妙地解决了原有实验“安全性”“可视化”不足的问题。同时把演示实验设计为跨学科实践体验活动，让学生在“玩中学”“研中学”“创中学”。

　　1.制作和使用方法

　　（1）准备一个喷雾器，并装上少量酒精；

　　（2）取一个空八宝粥罐，罐底部开10 mm圆孔作为点火孔；

　　（3）用点火器给八宝粥罐内预热3～5 s；

　　（4）预热后，用酒精喷雾器往八宝粥罐内喷2～3次酒精，并用一次性纸杯套紧罐口；

　　（5）八宝粥罐口（纸杯）朝上，用点火器从罐底中央小孔点火（图3），罐口纸杯像炮弹一样飞出去。

　　

　　2.创新点

　　（1）材料易得且环保

　　八宝粥罐体代替试管，纸杯代替胶塞，点火器代替酒精灯，八宝粥罐体、纸杯和点火器都是极为容易得到的材料，成本很低，也符合环保理念。教材中热机原理实验需要购置专用器材，如酒精灯、试管、铁架台、胶塞等，成本较高。

　　（2）安全性提升

　　用电子点火器替换酒精灯的点燃方式，更安全可控。八宝粥罐体耐用性强，可以人手拿着罐体直接操作实验，也非常安全可靠。八宝粥罐底部开孔设计可控制燃烧气体释放方向，配合一次性纸杯作为“炮弹”，减少罐体爆炸风险。同时，纸杯“炮弹”的平底设计，发射时看似威力巨大，实则没有任何伤害。而传统教材实验中使用密闭试管，可能因压力过大导致破裂，存在安全隐患。

　　（3）现象直观且富有趣味性

　　伴随着一声响亮的“爆破”，纸杯“炮弹”在酒精燃气的推动下疾速射出，动态展示效果显著，能够直观呈现点火发射瞬间内能向机械能的转化过程，整个实验场景令人震撼，极大地激发了学生的学习兴趣。

　　（4）可重复性强

　　完成整个实验只要10 s左右，因此根据教学需要可以多次重复实验展示能量转化过程，深化热机“化学能→内能→机械能”的能量转化过程。

　　（5）从演示实验到跨学科实践

　　改进后热机原理实验设计为学生跨学科实践活动，教师课堂教学示范后布置学生自己制作体验，内化对热机原理的理解，让学生在“玩·研·创”中学习进步。