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在拓展型课程中开发高中物理创新实验的实践研究大同中学 赵蓓蕾论文关键词：新课程标准 拓展型课程 创新实验论文摘要：物理是一门以实验和观察为基础的学科，物理实验教学是整个物理教学中的重要的不可分割的组成部分，而且理解和做好物理实验是物理课教学的前提和基础。在教学中物理教师应对物理实验（包括演示实验、学生实验、课外小实验）进行研究，根据教学的实际进行实验的改进和创新以求达到物理实验教学的最佳效果。所以物理实验改进在中学物理教学中是异常重要的。本文的研究是在二期课改理念和新课标指导下，基于DIS数字化信息系统平台，通过在拓展型课程教学中的实践研究，由课题组老师共同研究开发的适应教学需要的物理创新实验。经过实际的教学过程进行改进和修订，形成一系列可操作性实验，并建立相关的实验目录。引言 选题目的及意义著名物理学专家朱正元教授，在论述物理实验在物理教学中的作用和功能时，有一句广为传诵的名言：“千言万语说不清，一做实验就分明”，真是言简意赅，入木三分。他毕生热心中学物理实验教学研究，身体力行，造诣精深，总结了一套“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”富有特色的丰富实验，是值得我们继承和发扬的宝贵财富。面对二期课改精神和新课程标准的要求，我们在思想上要高度重视实验教学，从方式方法上改革实验教学，通过实验教学，使学生掌握基本的实验知识和技能，体验科学探究的过程，了解科学研究的方法，增强创新的意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情，形成交流与合作的良好习惯，养成科学求是的态度，进一步提高学生的科学素养。现代教育技术的发展为物理实验的改进提供了有力的技术支持。我校于2008年建成了两个由上海市中小学数字化实验系统研发中心提供的数字化信息系统实验室，简称DIS实验室。数字化信息系统实验室克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，能实时记录实验数据并及时处理，动态呈现物理变化过程，是传统实验无法比拟的。在真实实验的基础上实现了新课标要求的“信息技术与物理学科教学的全面整合”，大幅度提高了实验精度和实验效率，性价比优良，在培养学生使用信息技术工具进行探索研究和自主学习方面做出了突出贡献。不仅是技术层面的提高，更是教育思想观念的进步。对物理课程的教学模式和内容都将产生深远的影响，同时也促进学生学习方式的转变。通过对教材的学习，发现可以做的实验很多，实验教学可以应用于物理概念的建立、物理规律的总结，物理问题的提出和解决，物理知识的复习与考试，等等。哪怕是物理习题课的教学，有时候为了方便的解决问题，实验也是一种手段。但是，有些实验耗时较多，不适合于在基础型课程中实施；有些受实验器材的限制，需要自制一部分实验装置，有些研究的问题不在基础型课程范围内，但是对锻炼物理研究的思维能力有帮助。于是，笔者就想到了，以学校开设的拓展型课程为载体，进行开发高中物理创新实验的实践研究。通过拓展型课程的教学，进行实验的选择、开展、改进、完善工作。同时，为基础型课程中的实验教学也提供一定的指导和帮助。研究的目的：1了解数字化信息系统实验室的优势。 数字化信息系统实验室实验具有精度高和实验效率高的特点，可以完成传统实验仪器原本难以完成的高中阶段一些定性研究和定量测量的物理实验。对于传统实验仪器可以完成的实验进行两种系统的操作和数据处理过程的比较，取长补短，作有效整合。2利用好数字化信息系统实验室。利用DIS实验的高效性快速验证一些物理规律。利用DIS实验附带软件的一些功能如组合曲线等，解决一些抽象难以理解的物理问题。3建立适合我校学生能力发展的拓展型物理实验校本课程。 寻找在高中阶段可以指导学生完成的拓展型物理实验，通过拓展型课程的实践，开发出可行性强的物理实验操作手册和拓展型物理实验课程序列。研究的意义：从课题组成员收集到的资料来看：1课题本身的关注面较大。数字化信息系统实验室在全市乃至全国部分城市有一定的普及率。据不完全统计，从2002年开始上海19个区县的一百多所学校已经累计装备了1300多台DIS产品。北京、江浙、福建也有不少学校装备了数字化信息系统实验室。但目前为止还没有来自教学实践方面的较全面和系统的使用反馈。解决在教学实践中如何用好这套系统的问题是众所瞩目的。2高中物理创新实验开发是一项改变实验模式、思维方式、学习方式，提高实验效率的实践研究。采用数字化信息系统，使用者在实验准备上花费时间占实验时间的比率从49%降到了40%，用于数据处理的时间则从45%降到了3%，而用于探索研究的时间则从6%增长到了57%。研究的成功将使学生的自主学习、自主探究有时间上的保障，学生能按自己的设想，利用数字化信息系统进行实验探究，促进学生思维方式、学习方式的改变。3创新实验的研究空间还很大。综合上海目前的实践情况分析，数字化信息系统用于课堂的实验教学亮点已经十分突出，但起到的是画龙点睛作用。在科学创新实验中还有更大的施展空间。和传统实验相比较，其效果更好，原本不能进行的实验用数字化信息系统都可以大展拳脚。第一部分 学习二期课改对物理创新实验开发的要求和指导思想本课题的研究是在二期课改理念和新课标要求的指导下进行的。我们对二期课改理念和新课标作了细致的研究。上海中小学二期课改是着眼于社会发展需要、学科体系和学生发展的实际开展的，是对一期课改“素质中心”的继承和发展。体现了以育人为核心，以培养学生的创新精神与实践能力为重点，为学生终身学习奠基的全新科学课程观和整体学力观，以回应上海一流城市一流教育的发展目标。二期课改进一步提出了“以学生发展为本”的素质教育课程理念与目标，强调学生的素质处于不断发展的状态，包括在德、智、体、美的综合素质的基础上，揭示了提高素质的根本落脚点，并强调素质的动态性和发展性，把学生素质的发展作为适应新世纪需要的培养目标和根本所在。物理创新实验的开发和实践正是在这种思想的指引下，致力于培养学生的动手操作、手脑协作、合作交流等能力，促进学生综合素质的发展。二期课改的目标：（一） 一个基本理念：以学生发展为本。（二） 二个改革目标 1. 转变学习方式；2.培养综合学力（强调创新精神的培养和实践能力的提高）。 （三） 三个改革重点1. 功能性课程结构指向综合学力的培养；2. 信息技术与课程体系的全面整合；3. 研究（探究）性学习方式和双语教学形式有机融入各门学科。（四） 提供五种学习经历学习经历是学习目标、过程、内容和情境的综合体，是学生形成态度与价值观、过程能力与方法、知识与技能的关键。学习经历以学习内容为载体，强调学生对学习活动主动参与和亲身体验，关注学生学习经验的形成、积累和建构。 各种学习经历有其相对侧重的目标。二期课改提供以下五种学习经历：品德形成和人格发展的经历；潜能开发和认知发展的经历；体育与健身的经历；艺术修养和发展的经历；社会实践的经历。物理创新实验主要注重的就是学生潜能开发和认识发展的学习经历。（五） 建立三类主干课程结构建立以基础型课程、拓展型课程和研究（探究）型课程为主干的课程结构。基础型课程的内容体现国家对公民素质的发展。拓展型课程着眼于满足学生向不同方向与不同层次发展的需要以及适应社会多样化的需求，体现不同的基础。研究（探究）型课程着眼于学生学会学习，激励学生自主学习、主动探究和实践体验。在九年义务教育阶段称为探究型课程，高中阶段称为研究型课程。本课题的实践过程是在拓展型课程的教学中实施的。（六） 形成八大学习领域及相关学科语言文学学习领域：包括语文、外语学科数学学习领域：数学学科自然科学学习领域：包括小学自然、中学科学、物理、化学、生命科学、地理等学科。社会科学学习领域：包括小学品德与社会、地理、历史、思想政治（思想品德）、中学社会等学科。技术学习领域：包括信息科技和劳动技术学科。 艺术学习领域：包括音乐（唱游）、美术和艺术学科体育与健身学习领域：体育与健身学科。综合实践学习领域：包括社会实践、社区服务等实践活动。综上，在拓展型课程中开发物理创新实验的实践注重学生潜能开发和认识发展的学习经历，致力于提高学生的综合素质。第二部分 进行创新实验开发的基本原则我们进行实验开发的目的是剔除原有实验的缺陷，让实验尽可能的发挥它的作用。而基于DIS数字化信息系统的实验平台具有操作统一、现象显示直观、实验效率高等特点，是很好的替代手段。1提高实验现象的可见度和实验的成功率（稳定性）明显的实验现象和较高的稳定性的实验都有利于教学内容的讲解和学生的理解。稳定性差、实验现象不明显容易引起学生对所讲内容的不信任，不利于学生的知识掌握。2摒弃平淡创造惊险刺激在学习过程中，学生对所学知识感兴趣是极为重要的，兴趣是学习的直接动力，物理实验的现象和结果往往能激发学生的兴趣，使学习处于一种积极主动的状态中，所以创造激情很重要。3简化操作步骤，避免分散学生的注意力实验装置力求简单，是为了排除复杂的实验装置对观察和思考主要问题的干扰即排除分散注意力的干扰，这是突出重点的需要。第三部分 创新实验开发的研究内容和实施过程1数字化信息系统实验和传统实验的整合。数字化信息系统实验室操作简单，测量精度高，实验效率高，可以完成一些原本无法做到的定性定量实验；传统实验受器材局限，测量精度和效率都不如前者，但有些方法历经考验仍然巧妙。对两种系统进行比较，互补整合，找到更好的实验方案。2数字化信息系统实验室的优势体验利用DIS实验的高效性快速验证一些物理规律。利用DIS实验附带软件的一些功能如组合曲线等，解决一些抽象难以理解的物理问题。3拓展型课程内的DIS实验目录开发。从二期课改和一期课改的教材中提取初步的实验目录，进行梳理；查阅相关资料，收集实验材料。结合学校和学生特点，初步整理出合适的可以指导学生进行的拓展型实验。4实验案例的收集。我们仔细研究了新课标和教材，并进行了全组的讨论，听取了部分学生的建议，整理出了可操作性较强的一些实验。根据选定的实验目录，主要通过拓展型课程的教学过程，有时也通过基础型课程进行延伸教学，对实验内容进行改进和修订，形成一系列具有可操作性的实验，并及时收集案例，进行整理。第四部分 创新实验开发的成果在一年多的时间里，我们收集了不少可行性强的实验案例，通过拓展型课程正在实施教学。目前为止，经过两个学期、4批学生参与的教学实践活动已经初步形成了支持本拓展型课程的十几个实验课题。目录如下：1、通过平均速度的测量掌握平均速度的概念2、理解瞬时速度就是平均速度的极限思想3、运用图像意义测小车匀加速直线运动的加速度4、通过轨道小车加速度的测量加深对a=（Vt-V0）t的理解5、测量重力加速度的系列实验： 用打点计时器研究自由落体运动 用光电门传感器测自由落体的加速度 用位移传感器研究自由落体运动 用单摆测重力加速度6、验证性实验： 简谐振动中振子位移与弹簧受力关系的研究 观察超重与失重现象的规律 用单摆模型验证机械能守恒定律7、气体定律系列实验： 研究压强与体积的关系 研究压强与温度的关系 研究体积与温度的关系8、应用性实验： 利用气体实验图像测微小体积9、描绘小灯泡的伏安特性曲线，理解图线意义10、测量通电螺线管内部的磁感应强度，了解其分布规律其中，测定重力加速度实验系列的设计源于对高一学生研究单摆及其规律之后，教材提供测重力加速度的方案的思考。运动学中的很多运动都涉及重力加速度，很典型的一个就是自由落体运动；另外，DIS实验室提供的传感器的选择很多，实验方案可以是多种的。于是，我提出了 “能否自行设计测定重力加速度的其他方案？”，立刻激发了学生的发散思维。同学们提出了多种方案，于是我们共同讨论，选择了其中的几个方案加以实施，通过实验活动去体验真实，检验设计方案的合理性，分析测量结果的可靠性。 “用光电门传感器测自由落体的加速度”这个实验课题，是通过测得两个物体经过不同高度时的瞬时速度运用公式a=（Vt2- V02）(2s )进行加速度测算的。实验中，我们简化了原本需要两个光电门完成测量的结构，用一个光电门完成两次测量，并且集思广益，用透明的有机玻璃尺自制了实验器材，调动了学生的积极性，锻炼了他们的思维和动手能力。此处附上该实验课题的实验详细设计：课题： 用光电门传感器测自由落体的加速度 【实验目的】测量自由落体的加速度。 【实验原理】由Vt2-V02=2as得：加速度a=（Vt2- V02）(2s )；自制器材：将透明刻度尺加工成有两处挡光条的实验器材，作为自由落体。两挡光条下边沿间距为s，挡光条宽度为L0，两处挡光时间分别为t1、t5 。由于L0足够小，可以认为两挡光条通过光电门的瞬时速度分别是V0 = L0 / t1 、Vt = L0 / t5 。 【实验器材】朗威DISLab、计算机、 铁架台、1个光电门、自制的自由落体器材。 【实验程序】DISLab通用软件 【实验过程】1、将光电门传感器用转接器固定在铁架台上，保持其水平并接入数据采集器的第一通道； 2、打开“计算表格”窗口，选择“自动记录”，点击“开始”； 3、从光电门传感器上方释放刻度尺，使其垂直下落，并确保上下两挡光条顺利通过光电门并挡光； 4、点击“结束”，增加变量“t5”，复制t1中第二行的值并黏贴到变量“t5”的第一行； 5、在计算表格中分别输入代表“初速度V1”“末速度V2”“加速度a”的自由表达式“V1= L0/t1”“V2= L0/t5”“a=（V22- V12）/2s”，经计算得出实验结果。L0 和2s此两项数据因组而异； 6、重复实验过程25，得到一组实验数据。求平均值。 【数据分析和实验结果】自制器材中挡光条的宽度为L0= m. 两挡光条下边沿间距为S = m.次数第一次挡光时间t1 ( s )第二次挡光时间t5 ( s )经第一个光电门速度V1=L0/t1 (m/s)经第一个光电门速度V2= L0/t5(m/s)加速度（m/s2）123自由落体的加速度平均值为：g= m/s2另外，“小灯泡伏安特性曲线的描绘”和“利用气体实验图像测微小体积”这两个实验课题的设计都是课题组老师们在平时的习题课教学中发现的两个学生难以吃透的实验题，通过DIS实验帮助学生有了更具体的认识，实验得到的伏安特性曲线更具说服力；实验过程中学生也对气体的图像有了更深的理解。机械能守恒定律的验证通过多种运动都可以进行，我们选择了其中的单摆模型进行验证。通过拓展型课程的实践发现，操作简单，效果非常好，也完全可以放入基础型课程中面向更多的学生。附上此实验的设计：课题： 用单摆模型验证机械能守恒定律 【实验目的】用摆球法验证机械能守恒定律。 【实验原理】将摆球用细线悬挂起来并拉到一定高度，然后放开，摆球在摆动过程中，动能和势能发生相互转化，忽略空气阻力的影响，因为只有重力做功，所以机械能守恒。取摆球摆动时最低点为零势点，将光电门传感器固定在不同点，设此点的高度为h，则在该点处摆球的机械能为：E=1/2mv2+mgh 【实验器材】朗威DISLab、计算机、 机械能守恒实验器、光电门传感器等。 【实验程序】DISLab通用软件 【实验过程】1、将光电门传感器固定在实验器的A点，注意光电门的透光孔与A点等高，接入数据采集器； 2、将小摆球用磁铁夹吸住，固定在A点上方510cm处，整个实验过程中该磁铁夹的位置确保不变； 3、打开“计算表格”，点击“自动记录”中的“开始”，释放摆球，当摆球通过光电门传感器后，阻止摆球回摆； 4、移动光电门传感器固定臂，并调整光电门的透光孔分别位于B、C、D三点，重复步骤3，获得4次实验数据； 5、点击“变量”，分别定义“h”“m”为光电门距零势点的高度和摆球的质量，并输入相应数据； 6、点击“自定义公式”，输入计算摆球速度和摆球在各点的机械能公式：v=挡光宽度/挡光时间，E=0.5mv2