普通高中物理实验教学有效性的实践研究.doc

普通中学高中物理实验教学有效性的实践和探索华东师范大学松江实验高级中学 杨 军【摘要】：本文结合普通中学高中物理实验教学存在的问题，从“思想方法的渗透、实验探究的落实、传统实验与DIS实验的关系”等三个方面阐述了优化物理实验教学的途径，希望从演示实验的改进；学生实验的挖掘；实验习题的开发等几个方面入手进行探索，循序渐进，不断完善物理实验教学的有效性，从而使学生能够从物理实验中得到更多的思维锻炼和能力培养。【关键词】：普通高中 物理实验教学 有效性 实践和探索物理学是一门以实验为基础的学科，中学物理课程目标明确指出：“中学物理教学要注意培养学生的实验操作技能、思维能力以及运用科学原理和科学研究方法解决物理问题的能力。”在物理教学中让学生“动手动脑相结合，探究感悟相结合”，使学生能够主动地获取物理知识和发展能力，促进学生科学品质和世界观的形成，体现二期课改“以学生发展为本”的教育理念。由于种种原因，目前普通中学高中物理实验教学还存在很多的问题，使物理实验教学的功能不能得到充分发挥，难以落实高中物理实验教学的基本要求，实验教学的有效性也就无从谈起。一目前普通中学高中物理实验教学存在的问题（一）来自教师方面：1在二期课改的大背景下，教师们在实验教学的理念上都有了显著的提升，但在实际的教学中还存在很大的差距，普通中学一线物理老师工作量很大，为了完成教学任务疲于奔命，没有足够的时间、更没有足够的精力花在实验教学上，学校能做的实验就做做，不能做的实验就不管；不好做的实验也就算了。2.受传统应试教育的影响，普遍存在着重理论轻实验的思想。实验与讲述相比，要花费更多的时间和精力，何况有些实验可能还不成功，还不如讲讲来得快，简洁而明快，故黑板实验在普通中学尚有一席之地。 3急功近利走捷径，课件、视频放不停。互联网使大量的仿真实验、实验课件在网上共享，使实验教学模式变得更加简单，演示实验看视频，学生实验以课件上的录像放映来代替，实验教学的基本原则没有得到充分的体现，从实验内容到探究体验都是惊鸿一瞥，浮光掠影没有给学生留出足够的发展空间。 （二）来自学生方面： 1大多数同学积极性不高。普通高中高三选学物理的同学还不到百分之十，大多数同学只需要通过会考就可以了，而毕业考试对实验的要求很低，实验考察又是很基本的操作， 认为实验没有太大用处，甚至是浪费时间。 2少数同学有兴趣但重视不够。近些年，高考发生了重大的变化，越来越多的创新实验，越来越多的能力考查，对教材上的基本实验的器材步骤，方法过程，数据处理，误差分析等考察比例越来越小，对选学物理的同学也同样缺乏吸引力。当然也有来自学校方面的问题。 比如：重视程度不足，资金到位不够，仪器陈旧、设备老化、观念落后等，现有仪器与新教材课本上的实验不配套；与课标的要求有差异，对更新装备、添置仪器的积极性不高。还有，思想上认识不足，认为实验对学生成绩提高没什么帮助，甚至认为实验耽误时间，因此，在实验教学的组织上、在实验员的配置上、在物理实验的评价上都存在着问题。根据这些实际情况，要想短时间内从根本上改变这种状况是不可能的，只有在教学过程中不断探索，勇于实践，在保证实验教学基本任务的前提下，寻求改进的办法，低起点、小跨步，稳步推进；小步子，不停步，循序渐进，使实验教学的有效性逐渐完善起来。二从三个关注点着手，优化高中物理实验教学普通中学在实施物理实验教学的过程中，应该紧扣高中物理实验教学的基本任务，按上海市高中物理课程标准上对实验教学的基本要求，围绕“三维目标”，结合校情、学情进行细化和分解，详细制定每单元的实验教学目标，严格按照实验程序，规范操作与方法，注重过程，关注细节，从思想方法的渗透、实验探究的落实、传统实验与DIS实验的关系等三个关注点着手来组织教学，优化物理实验教学过程，重点突破高中物理实验的思想、过程与方法。确保物理实验教学的基本功能得到落实，全面培养高中学生的实验技能和科学素养。（一）思想方法的渗透物理学历史悠久，源远流长。一部物理学发展史就是物理思想的交响曲，一些著名物理学家的思想和方法，永远闪跃着智慧的光芒。在实际教学中应根据具体的教学内容，选用适当的物理学史材料，强化物理学家研究问题的科学思想和经典方法，对学生进行物理思想的渗透。在高中物理教学中，理想实验就是一种最经典的物理思想。例如，伽利略在研究运动和的力关系中，采用的理想斜面实验；在研究自由落体运动时，所运用的实验思想体系，即“提出假设数学推理实验验证”，到现在仍然是自然科学研究的基本思想； “牛顿第一运动定律”就是建立在理想实验的基础上。 授之鱼不如授之渔，有思想有方法就有创新的可能。中子的发现就是思想与方法相结合的完美结果。1919年，卢瑟福首次用粒子轰击氮核，实现了原子核的人工转变，发现了质子。20世纪20年代，人们发现原子核的质量数总是比质子的质量要大的多，差不多有2倍，面对这种情况，卢瑟福在英国皇家学会的一次演讲中大胆预测，原子核内一定还存在一种质量与质子相等、不带电的中性粒子，并把它起名叫中子，这个想法当时就深刻在他的学生查德威克的脑海中了，当1930年，小居里夫妇用 粒子轰击铍时，从铍里打出了一种能量很大又不带电的射线，贯穿能力极强，能穿透几厘米的铅板，由于他们没有中子思想的积淀，就把这种粒子解释为 射线，这个消息被“众里寻他千百度”的查德威克知道后，就一把抓住不放手，仔细研究这种射线，一举发现中子，获得1935年度的诺贝尔物理学奖金。（二）实验探究的落实许多物理概念和规律的建立，都需要通过实验探究得出，探究性的实验教学是理论实验的主要组成部分。新教材中几乎所有的学生实验都是以探究的形式出现的，实验在教材和教学中所占的比重越来越大，这既有利于学生学习、理解和掌握知识，有效感知和理解物理概念、规律，获得情感体验，掌握解决问题的方法又有利于培养学生的探究能力，激发学生的创造力。物理实验要尊重客观事实，不迷信权威，不盲目顺从，学生探究的过程中，要经历提出问题、反思结果、吸取教训、讨论争辩、尝试表达等一系列的活动；在具体的实验过程中，则要通过 猜想、假设、实验、比较、归纳等过程得出实验结论。例如在做牛顿第二定律中“加速度与质量的关系”的实验时，根据测得的实验数据，在坐标纸上画a - 1 /m的图象。原则上测得的点应均匀分布在a - 1 /m这条直线的两边，但实际得出的个别点却偏离这条直线很远，这是在实验误差允许的范围之内的。不能因追求“科学性”而要求结果必须统一准确，要具体问题具体分析，对于出现误差的原因一定要进行认真反思与总结，找出减小误差的办法，尽可能提高实验的精确性和准确度。（三）传统实验与DIS实验的关系教育部颁布高中物理课程标准(实验稿)中提出：“重视将信息技术应用到物理实验室，加快中学物理实验软件的开发和应用，诸如通过计算机实时测量、处理实验数据，分析实验结果等”。上海市中学物理课程标准(征求意见稿)则明确提出：“要采用新的数字化技术，如DIS等，拓展学生进行实验探究的时空”。新教材中的实验大大增加，且多数改用DIS实验，新教材中基础型课程中有17个（其中9个是DIS实验），拓展型教材中有23个（其中14个是DIS实验），演示实验中也有大量的DIS实验。DIS实验与传统实验仪器相比有更高的精确度、准确性、适时性和探究性。DIS实验实验系统的优势在于：1.传感器灵敏度高。例如在传统的“研究电磁感应现象”的实验中，由于地磁场比较弱，一般情况下由地磁场引起的感应电流很小，普通的灵敏电流计也无法测出。但与“DIS”物理实验配套的电流传感器具有很高的灵敏度，能使我们很容易观察到单匝线圈在地磁场中转动时产生的感应电流。2.精度高，易操作。数字化、信息化技术给物理量的测量带来了革命性的变化，简单方便，减少了主观判断引起的误差，所以测量精度高、误差小。如用位移传感器测房屋的长度时，只要用一个超声波测距仪靠在一边墙上，对准对面的墙壁，按下按钮，屏幕上立刻就能显示距离的数值，测量值可以精确到1厘米。3.数据处理快、效率高。DIS实验系统的数据处理是由计算机完成的，大量的实验数据可以在瞬间处理完毕，让学生从大量的数据处理中解脱出来。例如，在研究物体的运动时，计算机可以实时地画出s-t图象。要使s-t图象转换成v-t图象，电脑马上就能完成转换，形象直观、效率很高。社会在发展，时代在进步，科学技术一日千里，电脑做为一种工具已经普及，作为自然学科的物理实验，理应走在应用新技术的前列。青年学生风华正茂，身处信息爆炸的时代，从心理上更愿意研究现代的、先进的东西。学习DIS实验，对于激发兴趣，培养全面发展的创新人才，是必须的，也是必要的；做好DIS实验，能够使学生学习主动、思维敏捷，提高分析和解决具体问题的能力，渗透勇于创新、敢于向传统挑战的精神。虽然DIS实验有很多的优点，但我们不能就此就把前辈们几百年积累下来的传统实验抛之脑后，传统实验具有着朴实厚重的优势：1.对观察能力的培养方面要求很高传统实验对仪器的结构了解、性能认识、使用方法等等每一个环节都不可马虎；从量程到刻度、从读数到记录都来不得半点虚伪；从实验过程的每一个细节到实验现象的稍有不同都要睁大眼睛详细记录。对学生的观察能力要求很高，不像DIS实验有电脑自动记录并储存。2重视实验技能的养成，有助于学生优良品质的培养传统实验动手多、时间长，需要学生坚持不懈，耐心等待；为减小误差，要反复测量取多组数据，需要学生意志坚强，专心致志；况且，传统实验仪器相对简陋且易出故障，有利于培养学生清晰、有序的思维能力和克难进取的优良品质。3.重视选择仪器能力和使用仪器能力的培养传统实验仪器多，同一种仪器量程有大有小、精确度有高有低，不同的实验要求不同、目标不同、原理不同，选择的仪器就不同，仪器的使用方法更是千差万别。在正确选择和使用仪器能力方面，DIS已不再作为重点。4重视利用数学知识解决物理问题的能力培养传统实验数据多，计算量大，对于学生的计算和分析的能力要求较高，描点画图较多，对做图能力很重视，但计算和做图要花大量时间，用于探究和思考的时间就相对较少了。传统实验与DIS实验各有千秋，不能相互替代，在对学生能力培养上各有侧重，不能顾此失彼，教学过程中要根据学生需求巧妙安排，周密计划，使两种实验相互融合，相得益彰，只有这样，才能取长补短，使学生能力全面发展。三、优化普通高中物理实验教学的具体做法物理学的根基在于实验，一切理论都要用实验进行检验，物理教学（或学习）往往都从观察实验或实验操作开始，先获得感性认识，再进行分析研究、上升到理性认识。为了尽快扭转实验教学的不利局面，提高普通高中物理实验教学的有效性，几年的探索使我们感觉到，应该从演示实验的改进；学生实验的挖掘；实验习题的开发等几个方面联合入手，同步推进，才能使实验真正的发挥作用。（一）演示实验的改进1.对教材上的演示实验的加工和处理教材上的演示实验，大多数都是经过好几辈的专家学者们精心设计，多次改进，原理简单，操作方便，现象明显，效果良好。这些实验一定要给学生当堂演示，绝不可用防真课件来替代，既是一个实验方法技能的示范，又是一个求真求实科学精神的传承；但确实也有一些实验现象不明显，可视度不高，需要我们因地制宜加以改进，以增强实验效果，比如，奥斯特电流磁效应演示实验，磁针太小后排的同学看不清，磁针太大偏转角度又不明显，怎么办？我们一位老师经过长期的摸索，发现用女老师编织毛线衣的粗金属棒针做导线，两端打磨后用鳄鱼夹子与干电池组相接，实验效果相当的好，我们现在再上电流的磁场时，全都用金属棒针做导线。可见，一个成功的改进是多么重要。当然，也有一些实验，涉及到微观领域，我们确实无法给学生们演示，像原子物理学方面的实验、分子热运动方面的实验等等，只有借助仿真实验或其它多媒体视频来完成。2.巧设随堂演示实验高中学生活泼好动、思维敏捷，对一切新生事物充满好奇，表现出强烈的探秘欲望。教学过程中教师应充分利用这个积极的心理因素，创造条件，有机结合教材内容，巧妙安排现象显著、趣味性强的演示实验，学生兴意盎然，轻松愉快，课堂效率立竿见影，大为改观。例1：在讲解超重与失重时，可以用一个塑料饮料瓶做实验观察失重现象，在靠近底部的侧面打三个小孔，用三个手指分别按住三个小孔，在里面装上水。移开手指，水就从小孔中射出来，如果放开手，让饮料瓶自由下落，在下落的过程中观察水射出的速度变化。再让学生猜想饮料瓶作平抛，斜抛或竖直上抛时，又会出现什么现象呢？先给学生设想、提问的空间，再将几种情况一一作了实验和观察，并在此基础上让学生通过讨论总结，得出了所有的抛体中水与饮料瓶都是相对静止，水都不会流出的结论。课堂氛围热烈，教学效果很好。例2：在进行电磁场电磁波教学时，将一台收音机放在讲台上，调好频率和声音后当场播放，争取让教室里每一个同学都听到，当大家聚精会神地聆听时，教师悄悄地将事先准备的金属网罩罩在收音机上，清晰的声音顿时被“沙沙”的杂音取代了，同学们惊诧万分。此时，引入电磁波，恰到好处。（二）挖掘学生实验中的探究功能。注重学生分组实验，实验的设计一定要目标明确，步骤清晰，要求学生按“预习实验观察记录分析讨论总结报告”的形式进行，对实验中出现的问题组织学生认真讨论，分析原因，找出解决问题的方法，根据实际情况写出实验报告，培养学生严肃认真，实事求是的科学态度和独立分析问题、解决问题的能力。学生探究实验是在教师的指导下去探究尚未认识的现象、规律的教学活动，一般来说它具有确定的结果。探究效果与学生的知识水平、参与程度密切相关。下面以探究感应电流产生的条件实验为例，说明如何发挥探究性学生实验的探究教学功能。(见附表)内容说明实验基本目的探究感应电流产生的条件将电表选择、电磁铁磁性改变、电路的连接、闭合电路的欧姆定律等内容结合起来探究点电路选择通过分析得出用灵敏电流计接原线圈，其它元件连成串联电路实验效果显著。电表选择 根据电流很小选择灵敏电流计滑动变阻器的选择根据原、副线圈匝数来确定滑动变阻器量程开放性问题减小实验误差了解副线圈是否插软铁芯、灵敏电流计接错量程所引起的实验误差的原因产生感应电流的其他方法说明实验原理和实验结论，查阅资料，借鉴已掌握方法。磁通量增大、减小灵敏电流计指针偏转方向是否相同？为下一节感应电流的方向学习做好铺垫。由上表可以看出，同一个探究性实验就实验本身而言的探究点有多个，由该实验辐射的发散点也是多方面的，这些都是培养学生创造性思维的良好素材。让学生学会探究，在探究的过程中成长，通过实验观察和探索活动发现问题、解决问题，获得知识，增强认识，培养学生的观察实验能力，掌握科学的方法，学会科学的思考，养成科学的态度。在实验中养成的创新精神是“讲授加习题”式的教学方法中不能取得的。（三）改演示实验为探究性学生实验。演示实验是老师做学生看，普通中学的学生整体素质一般，注意力容易分散，致使有些演示实验效果很差。但如果把演示实验改为学生实验，让学生从观众变成演员，学生的积极性一下子就被调动起来了。例如、在学习包“自由落体运动”这一节内容时，原本这个实验是教师的演示实验，为了让学生感受到了科学探索的快乐和成就。就让他们自己设计方案来研究自由落体运动的性质和重力加速度的测量。学生们很快就想到了DIS实验，用测量变速运动物体加速度的方法，实验测出的v-t图如下：借助DIS实验，缩短了数据的处理时间，可以较大幅度地提高实验处理的效率，使学生在较短时间内掌握自由落体的规律。同时充分体验科学过程，观察物理量采集时的动态变化，并定格展现实验结果的图像。使探究过程有了较多的感性认识，激发学生研究型学习与科学探究的乐趣。 （四）加强实验习题的开发和利用。实验习题不应总是以老师的讲授为主，可以采取“设计方案讨论方案选择方案实验验证总结报告”的程序来开展教学，让学生亲自参与实验设计并通过实验验证。有意识地培养学生的问题意识及创新能力。例如，在力的分解教学时，要根据力的作用效果确定分力的方向，力的作用效果学生往往想不出来，但可以用实验把它显示出来。如下图（a）所示，重物挂在支架上，把重物对支架的拉力分解， 为了启发学生看到力的“效果”，可把支架的A B改用橡皮条A B 代替见图（b），C处改为活动而在竖杆中打穿一个孔，横杆B C 插入并在孔的外边封一块橡皮，这样，重物一挂，A B被拉伸，C橡皮凸出。借助了这一实验现象，化解了确定分力方向这一难点。把这个实验设计告诉学生，可以做为周末作业，让学生手工完成，既能变废为宝又能科技创新。对优秀的作品予以表彰，留存实验室做为教具。四收获，困惑，反思（一）经过几年的实践，取得了一些成绩，具体收获如下：1.教学方法更加灵活，学生兴趣大大提高。教师们坚持运用“情景导入、体验探究、讨论交流”等以实验为主线的教学方法，引导学生“发现问题、提出问题、用实验探究来解决问题”进行研究性学习，调动每一个学生的参与意识和自主学习的积极性，真正赋予了课堂生命的活力。如在 高一进行“机械波”的教学中：教师先用发波水槽演示水波的形成为情境引入新课，为了增强可视性，可以直接把水波投影到天花板上。在浓厚的氛围中启发学生：你对机械波这种现象有那些不明白的问题吗？学生提出了：波是怎么产生的？又是怎么传播的？在此基础上启发学生自主探究上述问题。整个过程中引导学生用“人浪”表演来模拟机械波的产生与传播，学生的主体性得到最大限度的发挥，难点也在轻松愉悦的活动中得到突破。2.探究习惯逐渐养成，动手能力越来越强。由于重视学生分组实验，探究已成为一种习以为常的教学方式，学以致用，他们经常用物理课上学到的方法去研究生活中各种各样的问题，探究能力有意无意被强化，这种习惯一旦形成将受益终生。由于实验过程中，重视观察和体验，强调动手实践，鼓励和提倡学生用日常生活中的“瓶瓶罐罐”来研究物理问题，一些对物理有兴趣的同学，就不满足在课堂中得到的结论，喜欢在课余时间，用不同的器材、不同的方法得到同样的实验现象和结论来，这样，学生的动手实践能力、实验设计能力便不断得到增强。3作业形式丰富多彩，学生成绩显著提高。原来的物理作业几乎全是书面作业，学生对此苦不堪言，老师们批改起来也感到枯燥无味，现在教师给学生布置作业就方便多了，可以是家庭小实验、小制作、小论文、上网查资料、调查报告等探究性较强的活动作业，也可以是知识性较强的书面作业，难度更大了，但大部分学生却十分喜爱。更为可喜的是，考试成绩在原有的基础上有了显著的提高。（二）在实践的过程中，还存在很多的问题和困惑1.担心考试成绩竞争机制引入学校管理是好事情，但广大普通中学在执行政策时有一定的偏差，往往把高考上线人数、大小考试的平均分等当做重要依据，来衡量老师们的工作业绩。致使一线教师产生一些困惑，担心在课堂教学中，尤其在实验教学中花费太多时间，会影响学生考试成绩。2课时明显不足普通高中的同学基础很差，理解能力、知识的迁移能力等与重点中学的学生相比有很大差距。如果按照规定的课时安排，教师仅有讲新课的时间，没有处理习题的时间，很多重要的知识与技能又不能点到为止，如高一物理中受力分析、共点力的平衡和牛顿定律的运用等。为了进度，为了完成教学任务，实验教学不得不忍痛割爱，做出让步甚至做出牺牲，课时问题也制约着实验教学的前进步伐。