中学物理探究性实验研究

中学物理探究性实验研究开展中学物理探究性实验研究，培养学生的创新能力中文摘要：基础教育课程改革是按照党中央和国务院的要求，由教育部大力推进的一项事关基础教育全局的根本性改革。 随着教育改革的进一步发展，科学技术的日新月异，社会发展对人才的要求具有更高的水准，所以，单凭传统教学模式培养出来的学生是远远不适应社会发展的要求的。针对这些现象，我们有必要开展“探究性学习”。物理是一门以实验为基础的学科，在中学物理教学中开展“探究性” 实验研究是符合教育改革的要求，也是符合社会发展对人才的要求。探究性实验的设计有其自身的特点，它对教师和学生提出了不同的要求。教师为学生设置一定的实验情景，学生根据实验自己提出问题（也可以针对教师提出的问题）进行研究讨论，确定解决问题的的创新能力和实践能力，激发学生独立思考和创新的意识。 物理课程标准 明确提出了探究性教学和强化实验教学的任务。 标准 规定， “物理学由实验和理论两部分组成。物理学实验是人类认识世界的一种重要活动，是科学研究的基础。 ”还指出， “通过科学探究，使学生经历基本的科学探究过程，学习科学探究方法，发展初步的科学探究能力，形成总重事实、探索真理的科学态度。 ”下面是我校课题组在演示实验进行探究性设计的实施过程。关键词： 探究性学习、传统教育、探究性实验、研究、创新一、引言长期以来，学生都是处于“应试教育”的传统教学模式下。随着教育改革的进一步发展，科学技术的日新月异，社会对人才的要求具有更高的水准，所以，单凭传统教学模式培养出来的学生是远远不适应社会发展的要求的。 中共中央国务院关于深化教育改革，全面推进素质教育的决定指出“实施素质教育”要以“培养学生的创新精神和实践能力为重点，激发学生独立思考和创新的意识” 。 实行“探究性学习” ，这是作为社会发展对人才的要求所决定的，同时也是教育改革的必然结果。二、开展探究性实验研究的必要性传统教学模式具有其自身的特点：能抓住基础知识，针对每一个知识点按一定的模式编排对应的习题，然后让学生使用一定的“套路”来联系解题，使学生在解题的过程中掌握知识及应用知识的一些方法。应该说这种教学方法在基础知识的教学中有明显的优点，能够使学生牢记规律和概念，在一般情况下能比较合理的解释它们的含义并运用它们解决问题，尤其是对于应付各类考试更是十分有用。其缺点：让学生像学“八股文”一样的学物理，照着条条框框去记、用定律和公式，所以学生记得很死，除了做同样的习题能够非常熟练外，很少有学生能由此将知识进行拓展，灵活的应用到实践中去。这种教学方法培养了很多“高分低能”的学生。“探究性学习”是指教师或其他成人不把现成结论告诉学生，而是学生自己在教师指导下自主地发现问题、探究问题、获得结论的过程。它着眼于全面培养学生综合运用所学知识的能力；收集和处理知识的能力；分析和解决问题的能力；语言文字表达能力以及团结协作能力。培养学生独立思考的习惯，激发学生的创新意识，让学生活用知识，真正能够理解知识的内涵，学“活知识” ，真正能够触类旁通，把知识转化为智慧。物理学科是一门以实验为基础的学科，物理教学离不开实验。长期以来，在展现物理现象的演示实验中，或在学生实验前，教师从头到尾向学生讲解实验目的、要求、步骤学生则按部就班的操作 1、2、3，完全充当被动的角色，这样的实验显然不符合新课程标准的教学要求。 新课程标准在前言里的第二点“课程基本理念”中第三点“注重科学探究，提倡学习方式多样化”里提到“物理课程应该改变过分强调知识传承的倾向，让学生经历科学探究的过程，学习科学研究方法，培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识” 。近几年在高考内容中又增加了设计性实验，以检验学生的创新思维能力。从“常规实验”到“设计性实验”是一次飞跃，随着课堂改革的深化，现在已进入了“探究性学习”阶段，在物理实验教学中要开展“探究性学习” 。三、中学物理探究性实验设计的要点：(一） 、中学物理探究性实验设计的思路教师根据教学目标，在进行探究性实验研究的过程中有意识的给学生创设一些问题（问题要以能够引起学生的兴趣，能够引起学生的求知欲望为准） 。学生针对需要解决的问题进行观察、思考，运用已掌握的物理知识和实验的方法、手段等，解决问题，在解决问题的过程中进一步的提出新问题。教师要根据问题的要求和相关条件，构造相关的实验情景，有意识地引导学生来确定解决问题的实验程序，最终得出准确合理的结论，达到我们的教学目标。（二） 、中学物理探究性实验设计的要求1、探究性实验设计对教师提出的要求学生是学习的主体，教师的角色将定位为学生学习活动的促进者、组织者、参加者和指导者，而不是学生的看守者。所以教师在设计探究性实验时首先必须从学生本身的兴趣特点出发，先考虑以下四点：（1） 、 “趣”是起点。学习兴趣是学习动机中最活跃、最现实的因素。教师应尽力设计良好的氛围，时时引发学生对周围有关物理现象的关注，激发对物理的情感倾向。只有在学生产生了兴趣的起点上，才会引发学生积极的思索和产生求知的欲望。（2） 、 “疑”是焦点。创设良好的问题环境是教师对学生激活思维的一种手段。教师要善于设计疑问，激发学生的认识冲突，使其处于积极主动的地位，从而把他们的注意力引向所研究的问题上来。问题应该是整个教学过程的主线，教学活动自始至终均应围绕着问题展开。让学生在不断的提出新问题、认识新问题和解决新问题中提高综合能力和素质。（3） 、 “动”是特点。教学活动是让学生在真实和未知的情景中动手去探求真知，亲自去解决实际问题，学习实验技能的方法，认识科学知识的价值，不断产生探究的欲望。（4） 、 “思”是热点。学生有了对学习物理的兴趣和对周围事物的好奇，就会去不断关心事物，对生活中的各种现象产生疑问，并激起动手做的渴望。学生经过多次探究必加深对周围更多问题的思考。这就是认识深化、思维发展的过程。其次，教师的知识面要广，要具有一定科研能力。正所谓“要给人一杯水，自己就要准备一桶水”，在这个问题上也是这样。再次，教师在设计探究性实验时要注意以下几点：（1） 、在选题时要尽量贴近生活或学生经常碰到的问题。教师在选题上总的要求是宜小不宜大，宜实不宜虚，宜活不宜死。就是说应尽量选择小课题，以小见大，做深做透，而不要大题小做，浮光掠影，要选择实实在在的具体问题，不选择抽象空泛的问题，要随着改革的发展灵活选题，也可以根据实际研究需要对原题做适当调整，而不要固步自封，一成不变。（2） 、要注意问题的难度。毕竟学生所学习的知识是有限的，所以教师所设计的问题要在学生力所能及的范围内。如果设计的问题太难，很容易让学生失去兴趣，严重一点会让学生失去自信心，设计的问题太容易也不好，会让学生觉得没有什么东西好学的，也没有达到引起学生认识冲突的效果。（3） 、设计的问题要有一定的层次。一般应该是从易到难，从浅到深，要符合学生的认识规律。（4） 、要考虑学生的实际能力。一般学生的能力是处于不同层次的，所以教师要根据不同层次的学生设置不同层次的问题。最后，教师根据自己给学生设置的问题一步步的引导学生去发现问题、研究问题、解决问题等。在这个过程教师一定要把学生放在主导地位，而把自己放在辅导地位。在必要的时候，教师还需要把探究实验所要用到的知识点给学生系统地复习一遍。2、探究性实验对学生提出的要求学生是探究活动的主要的参与者，学生可以根据探究性实验的内容自己提出问题（或是针对老师提出的问题）进行分析研究，确定解决问题的方案。根据所设计的认为可行的方案进行实验，提取实验数据进行数据分析，然后进行总结和评价，进一步的提出新的问题。在探究过程中要以主动、认真、积极的态度去对待，乐于思考，勤于探索。在探究中发展自己的学习策略，在解决问题中学习，在学习过程中要有情感的投入。独立、自主地发现问题，通过实验、操作、调查、信息搜集与处理、表达与交流等活动，经历探究过程获得知识与能力，掌握解决问题的方法，获得情感体验。（三） 、中学物理探究性实验设计的目的让学生改变长期以来一直恪守的被动地接受教师知识传输的学习方式，即偏重于机械记忆、浅层理解和简单应用的学习方式，在帮助学生开展有效的接受性学习的同时，将学生置于一种主动探究并注重解决实际问题的学习状态；改变学生只是单纯从书本学习知识的传统，让学生通过自己的亲身体验来了解知识的形成和发展过程，丰富他们的学习经历，提高他们学习物理的积极性和主动性，激发他们探索物理奥妙的兴趣，改变学校教育始终围着考试转的局面，真正把教育的重心放在培养学生的创新精神、实践能力和终身学习的能力上，让学生养成爱观察、爱实验的习惯。 （四） 、中学物理探究性实验设计的原则（1） 、安全性原则：我们所开展的实验首先要保证人身的安全，同时也要保证实验仪器和实验器材不受到损坏。（2） 、简易性原则：实验难度要根据学生的不同情况而定，要便于操作，易于采集实验数据和数据处理。（3） 、低成本原则：尽量利用身边的材料或物美价廉的仪器做实验，在完成相同实验目的的情况下，注意节约能源。在日常生活中很多瓶瓶罐罐，只要合用，我们都可以把它拿来当实验器材，这样一个是取材方便，另外就是废物利用。（4） 、科学性原则：我们所设计的实验原理应与对应学科的基本规律一致，优选误差尽可能小的方案，保证实验误差在允许的范围内。四、中学物理探究性实验设计案例案例一：往盛满清水的杯里“倒”空气1、空气能够倒入盛满清水的杯里吗？2、如果可以，你打算怎样来实现？3、请你设计一个实验来证明你的想法是正确的。案例二：浮力消失了木块浮在水面是一种自然规律。然而我们这里做的实验却能使木块沉到水底。取一块 3*3*3 立方厘米的立方体木块，将其中一个面用沙皮磨平整。然后取一块 4*4立方厘米的光滑的胶木板或有机玻璃板，厚度为一毫米，用万能胶水将胶木板与立方体的光滑面粘贴好，待干燥后，放入一个大烧杯。烧杯底上先放置一块光滑的金属板或有机玻璃板，将立方体贴有胶木板的一面与金属板相接触。用手指按住木块，缓缓地往烧杯内注水，直至杯内盛水快齐口。1、当手指轻轻地抽出，你猜一猜会看到什么实验现象呢？2、进行实验，将实验现象和你的猜想进行比较。你猜对了吗？3、用你所学的知识来解释为什么会出现这样的现象。是不是真的浮力消失了呢？案例三：玻璃片托住一杯水1、玻璃片可以托住一杯水吗？如果可以，应该怎样来实现？2、如果只有半杯水，玻璃片能托住吗？把玻璃片换成卡纸，可以托住吗？想想会出现什么现象，再进行实验，观察实验现象。3、用我们所学的知识对实验现象进行定量的分析。案例四：奇异的浮沉子在一个较长的玻璃管容器内装水近满，水上浮着一只倒置的小试管，试管顶部有一定量的空气。另用一块橡皮膜把玻璃管的上开口端封闭起来。用手指向下压橡皮膜使小试管下沉，至一定深度将手指松开。设松手时小试管所处的深度是 X，试问：1、随 X 的增加，小试管的运动趋势如何？2、试用数学模型分析小试管的运动特征。用图象表述小试管所受的合力与深度的关系。3、列举你熟悉的类似现象，并画出各自的图象，用反馈的原理来说明这类事物的特征。案例五：奇异的饮水鸟在饮水鸟的小碗中倒水近满，把饮水鸟的头按低，使其嘴喙插入至水中，片刻好释放，观察出现的现象。1、想象出它的内部结构，并分析饮水鸟连续动作的原因。2、能否用另一种方式的实验来验证你的假设。3、请分析说明这种“机器” 能否看成是一种永动机？案例六：会翻跟斗的“小魔丸”1、你能定性地描述见到的物理现象吗？以前你有没有见到这一现象？2、如果让你就此现象写一篇论文，你将提出和论述哪些问题？3、你能猜出它的内部结构吗？4、你能分析这种奇特运动的物理过程吗？在运动的过程中，能量是如何变化的？5、你能运用数学工具描述它在斜面上翻跟斗的运动吗？它的运动状态可由几个参量来描述？能用图象来表示吗？案例七：海狮戏球把一只小球放在课桌板上，用一只特殊的“海狮”靠近它，立即会有一种奇怪的现象出现。1、请描述你看到的现象。2、如果让你就此课题进行研究，你将提出和论述哪些问题？3、请对产生这种奇特现象的原因，提出你自己的假说或猜想。4、请用实验验证你提出的假说。你用哪些器材，如何进行实验验证？5、在实验的过程中，你提出的假说有哪些修改？引起这些变化的因素和思考过程是怎样的？案例八：铝管中磁性小球下落规律的研究把两只外形完全相同的小球分别从竖直放置的铝管上端放下，一只小球很快地从下端掉出，而另一只要等数秒后才从下端管口落出。1、你就此课题进行研究，你将提出和论述哪些问题？需要进一步做哪些实验？2、你猜一猜出现这种奇怪现象的原因是什么？3、请分析小球进入铝管后运动状态的变化过程。能否提出一种数学模型？4、能否用实验来验证假设？你提出的实验方案是什么？需要测量哪些物理量？如何测量？5、给你一只线圈和示波器（或灵敏电流计） ，能否用它们来研究小球的运动情况？6、给你电火花计时器的一套装置，能否用它来研究小球的运动情况？进行实验，记录数据，并分析实验结果。可以用图象分析吗？可以测出哪些物理量？案例九：小试管为什么会上升在一端封闭的玻璃管内注满水，再把一支小试管低朝下插入水中。然后把长玻璃管倒转过来，你会看到小试管非但不会落下，而且将一直上升到顶端。1、小试管为什么会上升？谈谈你的看法。2、小试管是否一定上升？决定上升与否的因素有哪些？谈谈你的看法。3、如果不计次要因素，请你用数学式表达小试管上升的条件和加速度的大小。4、是否能用实验来验证你提出的有关假说？你做了哪些实验？实验的结果如何？你认为的次要因素在你的实验中能否忽略？案例十：水面上的浮子在一只玻璃杯内装水近满，1、在水面上漂浮两只小木块，用一根细棒拨动小木块，观察一下发生的异常现象，并对此现象进行分析，提出你的看法。2、在水面上漂浮两只小石蜡块，想一想，可能有什么现象发生？再进行实验，并对现象进行分析。你需要对前面的看法进行修正吗？3、在水面上漂浮一只小木块和一只小蜡块，同样用一根细棒拨动它们，想一想，可能有什么现象发生？在进行实验，最终将你对这些现象的分析陈述出来。你能用能量的观点进行分析吗？案例十一：自动翻斗1、用一只饮料杯制作一个自动翻斗，要求从上方注水，到接近满时即自动翻倒。2、分析注水过程中翻斗整体重心位置的变化情况，说明自动翻斗的原因。3、如果要求翻倒一次杯内的装水量最大，应将转轴固定在哪里？请用数学建模来进行分析。4、如果考虑杯子的重心位置可以通过配重来改变，什么情况下可以使一次翻倒的水量最多，用实验加以验证。5、这种自动翻斗可以有哪些用途？请提出三种以上的应用场合（可以胡思乱想） 。案例十二：失重的蜡烛爱因斯坦曾提出一个问题：“在失重的条件下能点燃蜡烛吗？”请你谈谈你的看法，并用实验来验证。1、在一个广口瓶中点燃一支短的蜡烛，使广口瓶连同蜡烛一起自由下落，蜡烛的火焰将会有什么变化？提出你的猜想，再观察实验现象，并分析现象。2、在一个广口瓶点燃一支短的蜡烛，并用一个纸盖把瓶口盖上，然后迅速使广口瓶连同蜡烛一起自由下落，蜡烛的火焰将会有什么变化？提出你的猜想，再观察实验现象，并分析现象。3、把一只蜡烛固定在一只小圆盖上，点燃蜡烛后使蜡烛自由下落，蜡烛的火焰将会有什么变化？提出你的猜想，再观察实验现象，并分析现象。在上面的实验中，设法用录像机或闪频照相的方法将现象记录下来，进行研究。通过上面的实验，请就“人造卫星上如果提供助燃的气体，能否燃烧？”这一问题谈谈你的看法。案例十三：带电棒下的瓶盖和硬币在一只茶盘内装水近满，使水面上漂浮一只铝质可乐瓶的瓶盖和一只五分的硬币，用一根带电的有机玻璃棒从水面上靠近它们，观察有什么异常的现象发生，并对此现象产生的原因提出自己的设想，能否用另外的实验来正实自己设想的正确性？案例十四：玻璃杯罩下的硬币在水槽底部的中央放置一枚硬币，再使玻璃杯口朝下把硬币罩上，从空间的各个方向对硬币和玻璃杯观察。1、先不观察，请想象一下，你能看到哪些有意义的物理现象？2、实验，观察，把你看到的有意义的的物理现象一一记录下来。哪些是你原先没有想到的，哪些是和你想象不一致的？3、改变实验条件，如果杯中的压缩气体放掉一些，使杯内水的深度加大，再观察，如果有新的发现，请记录下来。4、简述和用图示分析上述现象的原理。5、有哪些理论分析你进行了实验验证？怎样验证的？案例十五：物理玩具磁浮转子物理玩具磁浮转子的外形如图。它的主体是哑铃形的，两旁粗、中间细的塑料转子，其两端各是一个弹头形的凸出短棒，其中一个棒端露出一小段针尖，还有一个小长方形的塑料底座，底座短边那侧装有一小块竖直的玻璃板，用力一拧，转子就浮在半空中快速旋转起来。由于阻力极小，转子能靠其惯性持续旋转五分钟之久。1、你能猜出磁浮转子里面的结构吗？它们是什么形状？2、转子为什么能够悬浮在空中而达到一种稳定平衡的状态呢？3、底座上那块竖直的玻璃板的作用是什么？可以去掉吗？4、你有什么建议或改进的方法？案例十六：静电除烟实验的探究静电除烟实验的一种演示装置如图。A 和 B 静电感应起电机的两个金属球，a 和 b 细铜丝，C 为绝缘棒，D 为去掉底盖的小铁皮筒，E 为 50g 的铁钩码，F 为无色透明的有机玻璃筒（先在底部中央开一个比钩码直径大一些的孔，然后倒放在桌面上） ，G 为点燃的蚊香。a 连接 A 和 E，让钩码正好悬挂于 F 上方的孔中，b 连接 B 和 D。1、你能猜想出静电除烟装置的除烟原理吗？2、当给 A 和 B 带上静电，你会看到怎样的实验现象呢？请猜一猜，然后和实验结果比较一下，哪些现象你想到了，而哪些现象你没有想到呢？3、为了使实验现象更加明显，你将对实验进行哪些改进？案例十七：离开伞的水滴的样子（如图 3-1）1、请你判断这幅图水滴的样子是否正确？说出你的根据。2、为了更好的说明这实验的正确或错误，你将通过哪些实验来进行研究？3、实验结果跟我们平时的常识有区别吗？说说你的想法。案例十八：电动“飞鸽”在旅游商店或公园里经常见到一种电动“飞鸽”。 “飞鸽”里装有两节 5 号电池，将它用细线悬挂起来，拉动衔嘴里的开关，飞鸽的翅膀便上、下“扑腾”鼓动起来，稍推飞鸽，飞鸽就会一圈一圈地越飞越高，最后稳定下来不停地转动。1、飞鸽向前的推动力从何而来呢？请定量的分析。2、你能用它来验证向心力公式吗？在验证的过程中我们要知道那些物理量？案例十九：溜溜球1、你知道溜溜球应该怎样玩呢？2、溜溜球的结构是怎样的？3、为什么溜溜球能自动返回到手中呢？4、在运动的过程中，要不要对溜溜球增加能量呢？如果不增加，溜溜球的运动过程会变成什