第一线研究 关于高中物理探究性实验 教学设计的思考 三明市第一中学 罗 种 摘 要：本文围绕如何培养学生良好的科学素养及创新思维品质，从注重实验的原理探析、 逐层剖析、创新设计和专题探究等四个方面，对高中物理探究性实验的教学设计策略作粗浅探 讨。 关键词：设计策略；科学探究；创新思维；研究方法 一、引言 何东西都没有联系。” 概括以上两个方面，探究性实验的设计指导思 想应该是“新颖、适度”。这样的设计如同树上的果 子一样，学生必须“跳一跳”才能摘到。 物理学是一门以实验为基础的自然科学，每一 次物理实验的重大突破都会促进物理学及科学技术 的飞速发展。但许多学校由于长期受到实验条件的 和一些不正确的主观意识的影响，学生的实验 技能和实验素养有待提高。为此，我们应该努力探 索科学的实验教学方法，使学生在实验的探究实践 三、高中物理探究性实验设计策略 １、注重实验的原理探析，构建科学探究的思维 框架 中逐步了解和掌握一些科学研究的思维方法和工作 方法。本文愿做引玉之砖，对高中物理探究性实验 的教学设计作粗浅探讨。 任何一个测量性物理实验，关键都是首先要明 确其核心的实验原理，这样在实际问题情景中才能 有一个较明确的思维方向，有助于提高解决问题的 效率。 二、高中物理探究性实验设计指导思想 瑞士心理学家皮亚杰认为，引起学生认知上的 冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激发学生 的求知欲和好奇心。按照他的平衡学说，冲突是认 知结构重新组织和随后发展的基础。为此物理探究 性实验的设计首先要足够“新颖”，正是这种“新颖” 的刺激，才能激起学生对问题进行探究的兴趣和欲 望。但“新颖”还要涉及一个“度”的问题，太弱的刺 【案例】 在“伏安法测量电表内阻”实际教学 中，首先探析在几种非常规情况下的伏安法测量电 表内阻的主要设计思路，引导学生一起归纳总结出 测量原理，从而建构起这类问题的设计思维框架。 如：两只同种电表，若内阻都未知，则需要借助 一只阻值已知的定值电阻或电阻箱才能测量电表内 从上述伏安法测电表内阻的测量原理可知，我 阻。 激不能引起认知上的不平衡，而太强的刺激超过主 体认知结构的范围也不行。这正如皮亚杰所说：“一 个人既不注意太熟悉的东西，因为已经司空见惯了； 他也不注意太不熟悉的东西，因为和他定式中的任 们不但充分利用了电流表、电压表白报电流和自报 电压的功能（即电流表、电压表本身就是一个用电 器，电流表示数也可表示通过其本身的电流强度，电 ・ １５ ・ Ｒ 未知 一 １一Ｒ一 ， 一 （。， 一 ｝，Ｉ）／ 一 ＝ ＝ ／Ｒ０ 压表示数也可表示加在其两端的电压），而且还充分彰 显了电流表、电压表和定值电阻的一些反常规使用。 精心设计的实验引入犹如乐曲中的前奏，起着 ①要求待测电流表Ａ，的示数从零开始变化， 且多测几组数据，尽可能地减少误差，以上给定的器 材中滑动变阻器应选 。在方框内画出测量 提示主题、激起兴趣、进入情境的作用，这对探究性 实验课的教学引入十分重要。笔者以为常常可以从 旧知识中导出新实验的原理和所用实验器材，再引 入实验。 用的电路原理图，并在图中标出所用仪器的代号。 ②若选测量数据中的一组来计算电流表Ａ 的 内阻ｒ１，则ｒ１表达式为ｒ１＝ 的意义是 ；式中各符号 ２、注重实验的逐层剖析，展示科学探究的思维 过程 该题的参如下： ①Ｒｌ 电路原理图如图２ 很多探究性实验的原理方案的设计需要教学中 逐层剖析递进分析，才能得出较科学的一种设计，实 践表明这样做能有效激发起学生参与探究的积极性 和热情，使学生从中充分体验到设计方案是如何一 步一步最终成型起来的乐趣，同时也能较好地培养 学生思维的变通迁移和实事求是的科学态度。 【案例】 某同学为了测电流表Ａ。的内阻精确 值，有如下器材： 器材（代号） 电流表Ａｌ 电流表Ａ＇ 电压表ｖ 滑动变阻器Ｒ． 滑动变阻器Ｒ， 电源Ｅ 定值电阻 电键Ｓ 规格 量程３００ｍＡ内阻约为５１２ 量程６００ｍＡ，内阻约为１１２ 量程１５Ｖ，内阻约为３ ｋＩ２ ０～１０ｆｌ，额定电流为１ Ａ ０～２５０１２，额定电流为０．０１ Ａ 电动势３ Ｖ，内阻较小 阻值为５１２ ，② ｌ： ｌ Ｒ。；Ｉ１，Ｉ２分别表示电流表ＡＩ．Ａｚ 的示数。 笔者首先充分展示该电路原理图的设计思维过 程，即引导学生注重体验设计方案是如何逐步完善 起来的，并允许他们在探究中失败。其设计流程如 下： 导线若干 ・ １６ － ①ｖ表量程太大，不能并联在Ａ 表两端测电压。 ② Ｉ２ｒ２ｒ－＝ ，但由于ｒ２不是准确知道，故ｒｔ无法测得。 ③ ｒ。： ，但由于ｒ２不是准确知道，故ｒ。还是无法测得。 ④ ｒ。＝ ，由于 准确知道，而Ｉ 、Ｉ２又可从Ａ－表和Ａ２表测 Ｒｏ＝５￣２（Ｉ２－Ｉｉ） 得，故该方案测ｒｌ可行。 ⑤又滑动变阻器Ｒ２的总阻值远大于待测Ａ 【案例】 实验目的：测量木块与木板之间的动 表的内阻ｒ】，则Ｒ２无论连接成分压电路还是限流电 摩擦因数。 路均不便调节，为此，滑动变阻器应选总阻值较小的 为了测定木块与木板之间的动摩擦因数，利用 Ｒｌ。同时考虑到Ａ１表要求从零开始变化，故Ｒｌ应 现有的器材：“木板、木块、弹簧秤、刻度尺、秒表、砂 采用分压电路。 桶与砂”。某实验课题小组设计了以下三种实验方 综上所述，通过上述５个步骤对方案逐步完善， 案（如图３、图４、图５）：①增减砂桶内的砂，使木块 最终设计出的电路图如图２所示。 匀速运动，并测出木块、砂与砂桶的重力；②用力Ｆ ３、注重实验的创新设计，培养科学探究的思维 拉木板向左运动，并读出弹簧秤的示数，称出木块的 能力 重力；③让木块从木板顶端加速滑到底端，并测出下 对现有实验大胆创新已成为当前物理教学的共 滑时间及相应各长度。如果这三个实验的操作正确 识。引导学生对实验进行创新可有如下几种主要途 无误，你认为哪个实验方案测量动摩擦因数最准确 径： 而且最简单？并且试从实验原理对每个方案作出简 （１）设计开放式实验，培养发散性思维。 要分析评价。 开放式实验就是指为达到同一实验目的，让学 解：其中方案②最准确并且最简单。因为方案 生自主选择实验器材，依据不同实验原理设计出不 ①木块匀速不易调节和判断；方案②滑动摩擦力的 同的实验方案，从而培养学生的思维发散性和创造 大小可直接从弹簧秤中读出，与木板抽动快慢无关； 性，充分张扬学生的个性。 方案③时间、长度的测量都会产生一定的误差，且测 量过程和步骤较多。 木块 Ｆ 方案① 图３ 方案② ４ 方案③ 图５ ・ １７ ・ 上述探究性实验案例为开放性的实验，学生选 择不同的实验器材可设计出不同实验原理的多种实 验方案，教师对不同的实验方案要加以认真点评，充 分肯定每种方案的可取之处和闪光点，充分褒奖每 个实验小组的实验探索精神和探究问题时的科学合 作态度，然后从中筛选出一个或几个最优的实验方 案在所有学生中加以推广、形成共识。 （２）设计新情景实验，培养思维的迁移性。 课本上还有许多内容没有现成的仪器配备，若 不做，则学生缺乏感性认识，很难对学生讲清楚，且 内容显得枯燥乏味。真所谓“千言万语道不清，一看 实验便分明”。为此，教师应创设一些新的实验情 景，启发学生设计新实验课题方案，培养学生把所学 知识移植应用于新领域的实验创新。 【案例】 高中的“摩擦力的方向”是一个极难说 清楚的难点，教师在课堂上费尽口舌，也难令学生理 解。我们可启发学生设计这样一个实验： ６ ７ 用剪子把一块海绵剪成一个“刷子”状，把它放 于桌子上作相对运动时，可由海绵的摆向很清楚地 观察到海绵受到的摩擦力的方向；用这块海绵还可 以演示静摩擦力的方向，即让这块海绵有向左或向 右运动趋势，从中可观察到它受到的静摩擦力的方 向（如图６）；如果再做同样一块海绵（如图７）叠在一 起还可演示两相对运动物体各自受到的摩擦力。通 过简单的实验，不但使学生较轻松地突破难点，而且 使思维的迁移性得到很好的发挥。 ４、注重实验的专题探究，提升科学探究的思维 品质 研究性学习实验活动课中的实验专题探究是以 建构具有创造性、实践性的学生课外课题活动为主 要形式，以激励学生主动探索、主动创造为基本特 征，以促进学生科学探究素质全面提高为目的的。 其操作模式流程如图８所示。 ・ １８ ・ 图８ 设计研究性学习实验活动课应注意以下几点： ①要注意实验选题的新颖性、实用性。 ②要注意学科知识与科技活动类知识的有机结 合。 ③要注意教师多点拨，少指责、少包办。 【案例】研究性学习课题：新、旧电池搭配使用 的做法是否合理？ 我们都有过这样的生活体验：手电筒里的两节 干电池用久了以后，灯泡发红光，这就是我们常说的 “电池没电了”。有人为了“节约”，在手电筒里装一 节新电池和一节旧电池搭配使用。某课题小组为检 验此人的做法是否合理，设计了以下实验： ①先设计如图９（ａ）所示的电路分别测量新、旧 干电池的电动势和内阻，并将测量结果描绘成如图９ （ｂ）所示的路端电压随干路电流关系的Ｕ—Ｉ图象。 由图象分别记录下新、旧电池的电动势和内电阻。 ②再将上步骤中的新、旧干电池串联起来装到 手电筒里，如图９（ｃ）所示，分析计算其中旧电池电 源提供的电功率和它本身内电阻消耗的电功率分别 是多少？（已知（Ｃ）图中手电筒的小灯泡上标有 “３．８Ｖ，３．８Ｗ”的铭牌字样，计算时不考虑温度对电 阻的影响） ③通过上面的计算判断新、旧电池搭配使用的 做法是否合理？（旧电池提供的电功率为０．４Ｗ，而 其本身消耗的电功率为０．４４Ｗ，旧电池本身消耗的 功率大于其提供的电功率，旧电池成为耗电元件，显 然新、旧电池搭配使用是不合理的） ④了解不同种类电池在现代社会中的使用情 况，对科学环保地回收利用旧电池有何建议性意见 和设想？ Ｅ ｒ Ｅ１，Ｅ２ ，（ （ｂ） ，．１， （ ９ 四、结束语 中学生由于知识和能力水平有限，在探究性实 参考文献： 验学习中能够取得一个好的“结果”固然可喜，若没 ［１］肖立．追寻探究式教学的真谛［Ｊ］．物理教学探讨， 能取得，教师也要充分肯定他们从中表现出来的科 ２００６（９）． 学探索精神和团队协作精神。通过建立积极、正面 ［２］邓喜民．在物理教学中培养科学的世界观和方 的评价机制，使学生逐步培养起良好的科学素养及 ［Ｊ］．中学物理，２００３（１１）． 创新思维品质，这必将有利于学生的终身学习，有利 ［３］黄国龙．关于“拓展性”实验教学与学生实验创新能 力培养的教学初探［Ｊ］．物理教学，２００２（６）． 于全面提高受教育者的科学素质。 （上接第１４页）误把余数也缩小了１０倍、１００倍。 生的期待和要求，增强即时反馈效率，笔者改进举手 例如７３０００÷８０００＝９……１。为此，在备课时笔者 方法。如：并举五个手指表示“我来回答”；举起食指 设计了几种方案以防止学生出现类似的错误：（１）口 和中指表示“我同意前面同学的意见”；举食指则表 算６４÷７，６４０÷７０，６４０００÷７０００，引导学生通过口 示“我不同意这个同学的意见；举拇指外的其他四个 算明白：商不变规律指的是“商”不变，并不表示“余 手指表示“我有补充”；用食指弯曲成问号状表示“这 数”不变；（２）３７６中的“３”在（）位上，表示３个（）； 里不明白”。这样同是举手，教师可从学生不同手势 （３）通过讲算理防止错误产生；（４）引导学生进行验 中得知他们的需求动态，避免了提问的盲目性。 算，帮助产生错误的同学及时发现错误，寻找错因， （３）练习时运用相互反馈和自我反馈。练习是 预防错误再次发生。 学生巩固和应用所学知识阶段，是信息反馈的重要 （２）上课时运甩即时反馈。上课时教师要参与 环节。传统教学中学生做完作业便等着老师批改、 交流，及时准确了解学生的反馈信息，及时发现学生 讲评，缺乏自我反馈能力。为了帮助学生学会学习， 学习实际与教学目标的差距，分析问题的原因，随时 在平时教学时应逐步渗透自我检验、自我反馈知识。 调整教学的深度与速度、教学手段、教法与学法，并 为了发挥学生的群体的互学互补作用，在学生练习 根据即时反馈信息原则及时进行矫正、补授。同时 后，可分成若干个小组互相批改、互相评议。对于典 教师要及时准确评价学生学习的结果，并把这些信 型性错误，集体讲评时教师把题目呈现出来后不要 息及时反馈给学生。为了及时、全面、简捷地得知学 急着讲，要让学生思考讨论后互相反馈。 ・ １９ ・
