摘要：本文從中學生自主創新實驗視角出發，對在完成《義務教育數學課程標準（2022年版）》9個檢測類必做實驗的基礎上，怎樣指導中學生設計創新實驗并應用課堂教學中提出了具體的案例。分別從直接檢測、間接檢測和特殊檢測三個層面對檢測類中學生自主創新實驗進行探討。
關鍵詞：檢測；中學生自主創新實驗；課標；實驗教學
《義務教育數學課程標準（2022年版）》（以下簡稱2022年版課標）對中學生必做實驗進行了分類，包括檢測類和探究類實驗。這兩類中學生必做實驗互相關聯，各有著重。檢測類實驗是指中學生利用檢測工具，根據某化學規律或化學方式量化物體某屬性的活動過程．中學數學教學中檢測類實驗共有19個（包括2022年版課標中列舉的9個檢測類必做實驗），其中直接檢測類實驗七個、間接檢測類實驗八個、特殊方式檢測類實驗四個，如下表。通過檢測類實驗，能培養中學生初步的數學觀念和實驗技能；提升中學生運用數學知識和規律，設計實驗方案，采用合適的檢測工具和檢測方式獲得實驗數據的能力，從而提高數據處理、分析、交流和評估等綜合能力。
序號
類別
實驗名稱
序號
類別
實驗名稱
直接檢測
用刻度尺檢測寬度
11
間接檢測
用伏安法檢測內阻
直接檢測
用表檢測時間
12
間接檢測
檢測滑車架的機械效率
直接檢測
用天平檢測物體的質量
13
間接檢測
檢測大氣壓
直接檢測
用常見體溫計檢測氣溫
14
間接檢測
檢測壓強
直接檢測
用彈簧測力計檢測力
15
間接檢測
檢測重力
直接檢測
用電壓表檢測電壓
16
特殊檢測
用累積法檢測小物體的厚度
直接檢測
用電流表檢測電流
17
特殊檢測
用累積法檢測小物體的質量
間接檢測
檢測物體運動的速率
18
特殊檢測
特殊方式測密度
間接檢測
檢測水平運動物體所受的滑動磨擦力
19
特殊檢測
用等效法、雙安法等檢測內阻
10
間接檢測
檢測小燈泡的電功率
一、直接檢測類中學生自主創新實驗設計與應用
中學數學中的七個直接檢測類實驗，都是課程標準中要求的中學生必做實驗。直接檢測類實驗是后續間接檢測、科學探究的基礎，要求在課堂上班主任通過現場演示或則播放微課演示，目的是讓中學生了解檢測工具時的“五會”：一是會看檢測工具的阻值和最小分度值，二是會調節(或觀察)檢測工具的零點(或平衡)，三是會規范操作檢測工具進行檢測，四是會讀數，五是會記錄實驗數據。另外在介紹一些檢測工具的工作原理時，也可以通過中學生課前制做創新實驗微課，課堂上進行微實驗教學，比如自制體溫計。
【案例1】“學生自制簡易體溫計”微實驗教學
廣州佛山均安林文恩學校八（1）班實驗小組，借助寒暑表和簡易的材料制做濕度計（如圖1所示），過程如下：先用用寒暑表檢測第一杯水的氣溫，之后將插著透明管、裝有紅墨水的杯子裝入水底，待示數穩定后，在刻度板上標記氣溫值。換用另一杯氣溫更高的冷水，重復上述步驟，這樣就得到了一個有刻度的簡易體溫計，用這支簡易體溫計可以檢測冷水的體溫。
圖1
佛山均安林文恩學校八(1)梁漢祥小組
課堂上，先提出問題：（1）實驗室體溫計是借助液體的哪些規律制成的?（2）實驗中自制的簡易體溫計是怎樣標記刻度值的？（3）攝氏氣溫又是怎么規定體溫的呢？中學生帶著問題觀看微課，在節點處按暫停，中學生依次思索并回答以上三個問題。
點評：借助中學生自制簡易體溫計微實驗，來引導中學生自學濕度計，實驗真實，過程清晰，現象顯著，在觀看微課過程中，中學生首先找到了體溫計的工作原理，之后在演示實驗過程中，深入了解標記體溫計刻度的過程，這樣中學生似乎沒有到鞋廠視察過體溫計的生產過程，但也能挺好地理解對0℃、100℃以及分度值的規定。這樣的經歷為中學生后續學習彈簧測力計等檢測工具打下基礎。
二、間接檢測類中學生自主創新實驗設計與應用
高中數學教學中的九個間接檢測實驗是對七個直接檢測實驗的綜合運用。速率、密度等九個間接檢測須要轉化為相應的直接檢測，之后再依據數學規律求出間接檢測。轉化過程中的推理及根據對發展中學生科學思維和實驗能力具有重要價值。
以八年級第一學期為例，檢測速率是重要的間接檢測類實驗，也是課標要求的中學生必做實驗。在新課教學中，可以課前錄制微實驗，課堂上當中學生理解實驗設計原理后，進行微實驗教學，播放微課，進一步簡約高效地明晰實驗步驟及注意事項，提升效率、規范操作，保證實驗順利進行。新課教學后，班主任可以進一步布置假期實踐作業——測量某運動物體的速率，并錄制視頻、完成實驗報告上傳，達到鞏固提高的目的。
【案例2】“測量電動車的速率”微實驗教學
廣州佛山翁祐高中八（4）班聶海權小組，在檢測電動車的速率實驗中（如圖2），先檢測了兩棵樹之間的距離為2.7m，之后檢測電動車通過兩棵樹所用的時間為1.98s，之后借助公式v=s/t估算出電動車的速率為1.4m/s。班主任進一步挖掘這一實驗的教學價值，將其作為課堂微實驗教學素材。
圖2
佛山翁祐高中804班聶海權小組
課堂上，先提出問題：（1）該實驗的原理是否正確？（2）測得的電動車速率比實際速率偏大、偏小還是相等？主要誘因是哪些？中學生帶著問題觀看微課，之后回答問題。該實驗的原理是正確的，測得的速率顯著比實際速率偏小，朋友們也容易找出緣由——由于電動車頓時就經過了兩棵樹，造成檢測時間偏大。緊接著班主任提出問題（3）：對此實驗進行改進，有哪些舉措可以減少偏差提升精確程度（可以更換檢測器材）？中學生展開小組討論，有的提出可以采用愈發精密的檢測時間的器材測鹽水密度實驗視頻，比如紅外線電子計時器；有的則覺得可以加強所檢測的路程；也有的提出減小路程和使用紅外線電子計時系統相結合。
點評：與直接檢測實驗相比，間接檢測實驗的思路、操作程序都比較復雜,對中學生抒發能力的要求也較高。為了提升檢測技能和抒發技能，班主任設計了實踐作業。從收到的中學生作品來看，檢測對象十分豐富，有玩具貨車、人、自行車、小球等；檢測的工具也不少，有三角尺、卷尺、皮尺、電子腕表、手機等。中學生們能靈活運用原理設計實驗，記錄與估算操作熟練，但在對實驗過程中的偏差，或則出現的新問題評估意識不強，評估能力較弱。于是班主任選擇偏差較大的實驗，在課堂上演示，引導中學生對實驗過程進行剖析，找出造成偏差較大的誘因，進而提出改進方式。通過這樣的微實驗教學，能培養中學生發覺問題、改進實驗的意識，提升評估和創新能力。
三、特殊檢測類中學生自主創新實驗設計與應用
特殊檢測是指在缺少必要檢測工具或檢測工具精度不夠的情況下，運用數學規律和科學方式，克服檢測工具的局限，而進行巧妙檢測。這類檢測對于培養中學生的科學思維和創新精神具有重要價值。以檢測固體和液體的密度實驗為例，常規實驗是間接檢測類實驗，2022年版課標對于檢測密度實驗的要求是：“用天平、量筒等檢測小鐵塊和鹽水的密度”。在“活動建議”中提出了更高的要求：（1）蠟塊會懸浮在海面上，嘗試用天平和量杯檢測蠟塊的密度。（2）用電子秤檢測一些家用物品的質量，體會電子天平在操作上的優點，感受科技進步給人類生活帶來的影響。廣州佛山翁祐高中劉小豐老師主持的《“雙減”背景下舉辦中學數學中學生自主創新實驗的實踐研究》課題研究，在完成常規教學以后，對該實驗進行了創新作業設計——學生自主設計并完成一個特殊法檢測密度的實驗。搜集中學生的作品進行分類，選出代表性的微實驗作品應用于“特殊法測密度”課堂教學中。
【案例3】“特殊法測牛奶水密度”微實驗教學
廣州佛山翁祐高中八（4）班李諾樂小組，選擇在沒有量杯的條件下檢測牛奶水密度（圖3）。實驗場所在市場，借助市場的“公秤”、一個玻璃杯和馬克筆，依次測出檢測空杯質量、裝有水的瓶子的質量測鹽水密度實驗視頻，再測出裝有和水等容積牛奶水的瓶子的質量，之后估算出白糖水的密度，最后提供一道與此實驗相關的練習題。
圖3
佛山翁祐高中804李諾樂小組
課堂教學中，班主任提出問題：假若沒有量杯，怎么檢測牛奶水的密度？中學生思索后，班主任說：“讓我們一上去看下，李諾樂小組是怎樣檢測的？請記錄所測得的化學量及數據。”然后播放微課。中學生估算后小組討論，班主任再提出問題：實驗中是怎樣間接測出牛奶底泥積的？因而引導中學生思考馬克筆在此實驗中的作用，理解等效取代法。最后中學生估算出密度，并做微課中提供的練習題。
【案例4】“特殊法測小石頭密度”微實驗教學
廣州佛山翁祐高中八（4）黃子威小組，則選擇在沒有量杯的條件下檢測小鐵塊的密度（如圖4）。實驗過程中，先設計了滴定管被“打碎”的情境，由實驗助手“鸚鵡”選擇檢測對象——小石頭。之后依次測出石頭的質量、空杯的質量、裝有水的瓶子的質量，之后將石頭浸入在水底，在水面對應杯壁處做好標記，取出石頭后，加鹽至標記處并測出此時杯和水的質量。
圖4
佛山翁祐高中804黃子威小組
課堂教學中，在完成了特殊法測固體密度實驗教學后，班主任提出問題：接出來我們探究特殊法測固體的密度。假如沒有量杯，怎么檢測小石頭的密度？中學生思索后，班主任說：“讓我們一上去看下，黃子威小組是怎樣檢測的？請記錄所測得的化學量及數據。”然后播放微課。中學生估算后小組討論，班主任再提出問題：實驗中是怎樣間接測出石頭容積的？因而引導中學生思索馬克筆在此實驗中的作用，理解等效取代法。在中學生估算出密度。繼續推動中學生圍繞以下幾個問題討論：（1）此實驗中哪一個步驟是何必要的？（2）將石頭從水底取出時，石頭表面沾有水，這會造成檢測石頭的容積偏大、偏小還是不變？
點評：傳統的解決特殊法測密度問題，通常都是以做題、講題為主，不利于中學生實驗能力與創新能力的提高。“雙減”背景下，須要對作業設計方式與內容進一步優化，劉小豐老師課題組采取的策略是：變紙質作業為實踐作業，中學生自主提出問題，通過合理推測假定，自主創新設計、全面細致觀察、主動合作探究完成自主創新實驗，同時產生課堂教學素材，為創新檢測類實驗教學提供了新的思路。
兩個實驗都很有創意，一個在市場完成，另一個則金剛鸚鵡的“協助”下完成。彰顯了以下三個亮點：一是選題在常規實驗中自主創新在新課學習學生做過《測量固體的密度》，巧妙設計了“量筒擊碎”這一情境，從而探求缺乏量杯的創新實驗。這彰顯了中學生自主設計的創新意識。二是實驗原理正確過程清晰流暢沒有量杯，怎么測牛奶水、小石頭的容積？采取了“等效取代”的科學方式，通過測水的容積因而得到牛奶水和石頭的容積，標記線是關鍵。實驗原理正確，實驗操作熟練，解說簡介清晰，估算過程展示清楚，推演過程完整，最后得出結果。整個過程彰顯了實驗小組扎實的實驗操作技能和靈活的思維。三是市場公秤的運用，金剛鸚鵡參與，這讓我們眼前一亮，一下子就捉住了聽眾的心，大大提升了微實驗教學的質量。實驗精彩的同時，也略有遺憾，第二個實驗沒有對實驗進行評估，比如石頭上粘有水，會造成哪些樣的偏差？沒有按照此實驗進行選題或則命題，讓聽眾在觀看精彩實驗的同時，能通過練習進一步鞏固知識點，提升測驗時的得分。
參考文獻：
[1]中華人民共和國教育部．義務教育數學課程標準[M]．2022．上海:上海師范學院出版社,2022．
[2]郭曉萍.秦曉文.尹瑋.張殷.基于認知理論的中學數學實驗分類研究[J]．化學實驗，2021（11）：55．
[3]秦曉文.中學化學檢測類作業設計的策略計[J]．高中數學，2021（7）：16．