中学探究性物理实验教学研究

1、中学探究性物理实验教学研究摘 要：新的物理课程标准指出：“实验是物理课程改革的重要环节”。其要求学生能动脑动手地“学”科学,改变过去一切以课本为主、实验为辅的教与学的形式,把实验的地位空前提升。中学物理课程标准中提倡的“科学探究”其中很重要的内容就是“探究性实验”,它是在学生对相关知识不了解,尤其还不知道各个物理量之间有什么关系的前提下,通过探究性实验来满足其好奇心，并完成求知的过程。通过探究性实验能够使学生积极主动地获取物理学知识、领悟科学的研究方法, 能激发学生学习兴趣, 让学生自主地发现、探究物理规律, 也就增加了他们对物理教学过程探索的重视水准。关键词：探究性教学；教学模式；探究性实验

2、；物理实验教学；物理课程标准；创新思维物理学是一门以实验为基础的自然学科, 所以物理实验教学不但是物理教学的重要内容，也是物理教学的重要手段和方法。随着中学物理教学研究的持续深入和发展，特别是在中学物理新课标下，探究性实验的作用越来越为人们所理解、认可。探究性实验作为一种近些年来崭露头角的新型实验方式，在激发学生学习兴趣、训练学生动手操作水平，尤其是在培养学生创造性思维水平方面发挥着不可或缺的作用，它也是学生理解科学探究的重要途径。所以，在物理实验教学中,探究性实验教学模式将倍受广大师生的注重。1.探究性教学设计的理论依据【6】1.1 发现法当代瑞士心理学家皮亚杰的“发生理解论”认为“儿童的理

3、解来源于活动”，强师应注重学生的“自我发现法”，指出只有儿童自己发现的东西，才能被他们有效地接纳、吸收。美国心理学家布鲁纳主张，在教学过程中，学生在教师的指导下，围绕一定的问题，依据教师和教材提供的材料，通过积极的思维活动，亲自探索和主动研究，并亲自把结果整理就绪，使自己成为“发现者”。1.2 激发皮亚杰还认为,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。为此物理探索性实验的设计首先要充足“新颖”,正是这种“新颖”的刺激,才能激发学生对问题探究的兴趣和欲望。但“新颖”还要涉及到一个“度”的问题,太弱的刺

4、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,因为他已经习以为常了;他也不注意不太熟悉的东西,因为和他思维定式中的任何东西都没相关联。”概括以上两个方面,探索性实验教学的设计指导思想应该是“自主、新颖、适度”。这样的设计如同树上的果子一样,学生必须亲自“跳一跳”、“试一试”才能摘到。2.探究性实验的概念和类型【3】【7】2.1 探究性实验的概念所谓探究性实验顾名思义就是，教师对知识不直接给出结论,而是通过创设物理情景,启发、引导学生思考,提出问题,再让学生利用已有的知识和生活经验,自主地去实行物理实验探究,通过小组合作讨论研

5、究,最终得出结论,获取知识。2.2 探究性实验的类型探究性实验的形式是多种多样的,能够是课堂内的探究性实验也能够是课堂外的探究性活动。具体说来,探究式实验类型能够分为：探究性演示实验、探究性分组实验、探究性边学边实验以及探究性课外活动实验。在实际实验教学中教师可根据教学内容选择合适的类型。探究性演示实验常采用定向归纳式探究。归纳式探究的重要特点是以归纳的方式演示教学材料,在演示过程中教师提出一些相关的问题,要求学生自己寻找答案,从探索中得出一般性结论。而在这个过程中,教师要通过设计探究性问题来激发学生的探究欲望和启发学生的创造性思维。探究性分组实验是在教师指导下,学生围绕实验课题实行实验,从中

6、探索科学概念和规律。探究式分组实验教学重视实验探究的过程,把科学方法的培养和科学思维的训练放在首位。让学生自由陈述科学问题、积极寻求解决问题所需的数据,并在解释数据的基础上得出结论。探究性的边学边实验一般是由教师提出问题或创设条件,而学生则对问题实行假设论证,利用教师创设的情景通过实验探索去论证一些现象和规律。在这种实验过程中充分突出学生的主体性,教师仅仅适时引导但不包办代替。探究性课外活动实验能够是教师提出课题也能够是学生自己选定课题,学生分成若干课外小组,小组共同分析课题,设计方案直到得出结论。通过这类实验以培养学生自主学习、勇于探究的学习精神和严谨的科学态度。3. 探究性物理实验中教师的

7、主要作用【4】教师在探究性物理实验中起到的作用与以往其他类型的实验是完全不同的。从实验研究的整个过程看,教师不再是面面俱到的有先见之明的讲解者,而是用以协助学生获得物理实验知识、提升实验水平的领路者。教师在探究性实验教学之初能够为学生提供具体的、较多的框架、支架,随着教学实行要逐渐减少并最终撤去所有框架、支架,使学生逐渐成为独立的实验探究者。总来说之,在探究性实验教学中,教师要保护学生探究的兴趣和积极性,要真正发挥学生的主观能动性,充分体现以学生为主体、教师为主导的教学思想。4.探究性物理实验的一般程序和要求【2】【3】从某种角度来说,物理学能协助学生成为一个“科学侦探”。要成为一个“侦探”必

8、须具有敏锐的观察力但不受先入为主的影响,把各种线索集中起来弄清事情的来龙去脉。而收集线索的途径之一就是展开科学探究性实验,并且在实验中能够遵循审慎、有序的原则。在此,我们就“探究性实验”的一般过程作简单分析：4.1提出问题实验是从提出一个科学问题开始的。科学问题是指能够通过收集数据而回答的问题。这个问题能够是通过观察和体验而感兴趣的问题或者是一个能够验证的观点,并能描述实验的目的。提出问题是探究活动的开始，没有问题就没有探究的可能。从学科领域、日常生活、自然现象或教师设置的问题情景中发现、提出学生们感兴趣的并与物理实验相关的问题。实验探索是围绕所探究的问题展开的，正因为有了具体问题，探究过程才

9、会有明确的方向。一个好的问题应该与学生课堂学习的知识相联系，并能引发他们实行实验、收集证据和利用数据对实验现象作出解释，进而得出结论。在实际探究过程中，学生往往还会持续地发现新问题，这是探究的新起点，是培养学生提出问题水平的重要环节。教师对此应予以肯定、加以鼓励，并给予协助，以强化学生的积极性，使持续提出问题成为学生的一种自觉的行为。4.2 实行构想与提出假设假设是对实验结果的预测,和所有的预测一样,假设是建立在观察、现有的证据和以往的知识经验上的。但与很多预测又有不同的是：此假设必须能够被验证;而预测是推论的一种,有可能是错误的。构想与假设是探究过程中不可或缺，但往往又容易被学生忽视的一个环

10、节。构想与假设是指根据已有的实验经验和物理原理，对问题的解决方式和实验结果实行推理和预测。学生围绕产生问题可能的原因，利用已有的知识和经验实行构想，提出假设，实行推理和预测。其重要性在于，首先能明确探究方向，避免探究的盲目性；其次它能激发学生的学习兴趣，构想与假设一旦得到实验的证实，学生的兴趣就会大大得到提升；最后构想与假设还能为以后的环节提供一个框架，为探究的继续夯实基础。4.3 制定计划与实验设计制定计划与实验设计是实验探究顺利实行的前提保障。制定计划旨在了解实验所需器材和设备，理清实验思路和方法，明确探究者收集证据的途径和方式，确定收集信息的范围和要求，知道怎样分析处理并得出探究结论，以

11、及如何对探究过程和结论实行反思、评估，解决“怎么做”的问题。设计一个实验来检验假设。在计划中应该确定所研究问题的变量,写明详细的实验器材和实验步骤以及在实验中要实行的观测现象,必要时要创建一个过程流程图和设计记录实验数据的表格。设计实验时涉及到两个很重要的问题就是变量控制法和可操作定义。变量控制法是指在一个设计良好的实验中,除了要观察的变量以外,其余变量都应始终保持相同。变量是指实验中能够变化的因子。其中人为改变的因子称作可调节变量。随着可调节变量变化而变化的因子称为应变量,应变量是为了得到实验结果而需要观察或测量的指标。可操作定义是指要说清楚某个变量该如何实行测量,或者实验中具体某个术语该如

12、何表述。实验者按照你的陈述能实行实际操作。设计实验是整个过程中关键的环节，而实验方案的制定是设计实验的核心部分。实验方案决定了实验一定的“框架”和“工艺”，所以实验方案的设计最能体现人的想像力等创造性思维水平。设计实验方案主要应做好以下几方面内容：一是了解实验对象和实验目的并对此实行分析，明确实验对象所隐藏的问题，形成初步的设计设想，明确实验的指导思想，考虑用什么方法、手段实现实验目的。二是准确使用实验原理。实验原理是整个探索过程中所依据的物理道理，分析原理时需要一定的“理想化”，需要略去一些次要因素或作一定的简化和抽象，但要把握好其水准。实验要在科学理论指导下实行，不能离开科学，盲目行事。三

13、是巧妙利用实验技术，其中包括实验器材的巧妙利用和技术手段的灵活使用，这需要平时的经验积累。4.4 实行试验和记录数据这个环节到了实际操作阶段，具体做法是，首先学生要根据实验方案准备实验器材、设备、材料等，对已有器材要熟悉使用方法并实行校准，根据要求和需要，学生能够自行研制实验器材。仪器准备好后实行安装和调试，只有调试好的器材才能实行实验操作。要注意并非对所有器材的操作方法都是一成不变的，关键看其所起的作用。利用各种观察手段和测量方法，认真观察，如实纪录实验数据。实验中收集到的数据和信息是实行分析的依据，因为科学是以实验数据为基础来解释客观世界的，所以除实验外还需用不同方法收集信息和数据，尽量保

14、证收集的数据与实验事实相同，否则，可能会对探究结果产生影响，甚至会得出与科学结论相反的结论。严格按照设计中确定的步骤实行认真操作,按照说明安全准确地使用实验设备。仔细记录实验中所观察到的所有情况,包括清晰准确地描述质的结论(描述性评论)和量的结论(数字性数据)。4.5 实行分析与论证实验中得到的观察和测量结果称为数据。实验结束时要对数据实行分析,看是否存有某种规律或趋势;能否支持先前的假设;实验中是否存有缺陷;是否需要收集更多的数据,等等。实验中收集到的数据和信息本身不能说明和解释实验现象，学生需要在教师的指导下对其实行分析处理，通过度析和归纳，找出其中隐含和潜在的有用信息，得出规律性的结论。

15、常常把数据根据需要整理成表格或绘制成图象,以便更好的协助分析数据。当然,在信息技术水平日益提升的今天,利用计算机记录数据、处理数据,利用计算机实行数据的图象处理已广为师生所接受。论证是用理论知识对实验证据、现象和结论实行解释，对其产生的原因作出说明，得出最终结果。4.6 评估与得出结论在实验过程中，探究者对所要探究问题的表述是否科学，提出的猜想与假设是否被实验现象与实验数据所证实，设计方案是否有效，收集的数据、信息是否真实，给出的结论是否准确等问题实行反思与评价，这就是评估过程。评估贯穿于探究活动的全过程。评估不但能够优化探究方案，使探究活动少走弯路，提升实验的效率，而且还能提升学生的探究水平

16、。结论就是对实验研究发现的总结。在下结论的时候,通常需要重复几次实验才能得出最后的结论。而教师应鼓励学生从得出的结论中发现新的问题,并设计新的实验来寻求答案。4.7 交流结论探究教学的最后是同学间交流探究过程和结论、探讨经验和体会的阶段，以便研究可重复、可验证。学生应该向其他同学表述自己的研究成果，包括研究过程、方法和结果，与别的同学分享，或是让新的发现发表出来。要求学生尊重别人的探究成果，允许别人对自己的探究过程和成果提出不同的意见，并能认真思考别人的意见，改进自己的探究方案。学生之间的交流与合作，有利于学生对自己的行为实行反思，发现别人的优点，理解到自己的不足之处。要注意的是，交流与合作也

17、是伴随整个探究过程的。4.8 重复上述步骤几乎所有的科学家在得出重要结论之前,都经历了多次反复实验。所以,如果你提出的实验结论不能解决问题,就必须重复前边所有的步骤,实行反复实验,直到得出理想的或近似理想的答案为止。以上即为探究性实验教学的一般过程，在实际教学中，不一定要严格按照这七个步骤来实行，能够交叉实行，也能够将后面的环节提到前面实行，教师应该根据实际需要引导学生灵活使用。5. 探究性物理实验的四个关键环节【1】【2】【6】5.1 创设物理情景，提出研究问题物理教学必须通过创设物理情景把学生引入物理的世界,所以所选择的探究实验的问题必须与学生的日常生活密切联系,同时实验涉及的知识必须是学

18、生已经熟知的。如“研究影响滑动摩擦力大小的因素”、“研究橡皮筋的伸长和拉力的关系”等都是展开探究性实验的好素材。情景引入,顾名思义是在探究活动的初始,设置与教学内容相关的引入手段。其最主要作用在于激发学生的学习兴趣,通过情景使学生产生好奇心,充分利用青少年好动心理特征的正面效应,用趣味来启发学生的学习兴趣,进而转化成学生积极求知的驱动力,这是学好物理的重要环节。在新课程实施的课堂中,物理探究性实验的第一个环节是“提出问题”。很多教师按部就班,让学生就某个问题展开“猜想与假设”,因为学生对问题缺乏初步的理解,也缺乏教师的正当引导,猜想与假设就成了胡猜乱想。很多学生的猜想与老师的教学设想毫无关联,

19、最后为了完成教学任务,原来学生对问题提出的猜想被束之一阁,而教师根据教学内容,代替学生提出猜想。利用情景引入,不但具备提升学生学习兴趣的功能,还应具备另一重要的功能：在趣味的、未知原因的情景中,激发了学生的求知欲望,驱动学生提出要探究的问题,并且根据所提供的情景,对问题展开猜想与假设。这两点正是课程标准中对科学探究的要求。5.2 根据学生实际，以有效提问作为引领实行猜想，提出假设，设计实验方案在这个环节,教师要鼓励学生充分发挥想像力,根据已经学过的物理学知识和已有的生活经验,大胆地提出各种假设,并设计出检验的实验方案(包括选择实验仪器和器材,先后测量哪些物理量、怎样控制变量、具体怎样操作等)

20、。课堂提问的方式引发我们两个思考。思考一：“满堂灌”变为“满堂问”,学生的回答很多是“是”;“不是”;“对”; “错”等缺乏主观思考,未实行解释的回答。而这样“满堂问”课堂中所设的提问往往是泛泛而问,教师的问题不能引发学生深层次的思考。思考二：老师对新课程的课堂提出一个研讨问题：“当学生导而不发的时候,怎么办?”学生导而不发有多方面原因。而其中之一：所提的问题脱离了学生的基础、实际水平,因而导致学生对老师的问题“导而不能发”。所以在实际教学中,我们理应根据学生的实际和基础,以有效提问,引领学生实行科学探究。5.3 适度开放，自主实验，得出结论在学生已经具备了一定的知识基础和技能基础后,可由学生

21、自由实行实验探索。教师仅为学生验证各种假设提供实验条件和必要的指导。即使学生的假设与所想得到的结论无相关性,也要尽量满足学生的实验设想。如“研究影响单摆周期的因素”实验中,对于学生提出的如振幅、摆球质量、甚至是环境温度等假设,教师都不应忽视而要提供条件让学生实行验证。探究性实验的目标在于：发展学生的水平,包括发现问题的水平、制定计划的水平和解决问题的水平;培养学生的问题意识和创新精神等。基于上述目标,结合学生实际情况，在适度开放中由学生自主实验。中学物理探究性实验体现了实验的开放性，探究的自主性。在限定范围内的整个探究活动中,学生自由选择探究方向,自己制定实验方案,老师不作干预,不同水平的小组

22、获得的结论因水平而异。教师仅仅在最后的评估与交流中引领,综合学生意见得出系统性的结论。开放性与自主性是实现探究性实验目标所必需的,只有这样才能实现探究性学习的目的。不论是探究的水平,还是问题意识和创新精神,都是只有通过亲自实践才能逐步形成的。探究性学习的重点是培养学生的问题意识和创新精神。问题意识即一种怀疑精神,一种探索意识,它是创造的起点,没有问题意识就没有创新精神。很多有重大意义的问题在开始时都是不为人们所理解,因而被误认为没有意义的。要养成问题意识,就需要养成问为什么的习惯,同时养成尊重他人提出问题的习惯,教师应该以身作则。特别对正在成长过程中的中小学生来说,他们的问题意识和创新精神需要

23、成年人的呵护和鼓励,才不至于被扼杀。5.4 需求，巩固迁移，开拓提升探究性实验关键的一点,是要通过实验对实验假设得出结论。而得出的结论是否准确,是否符合物理规律,是否能够用来解决实际问题,必须要经过新的实验来检验。让学生设计新实验来验证结论的可靠性,这是对原有理解的深化提升,也是学生探究水平发生质的飞跃的过程。例如,在“研究橡皮筋的伸长与拉力的关系”后,可引导学生设计完成“研究弹簧的伸长与压力的关系”实验等。探究性物理实验,既重视实验过程又重视实验结果,能满足学生实现自我的要求,更能激发学生的求知欲望,促动思维水平的发展。6. 探究性物理实验教学的启示【4】【5】6.1 探究性实验有助于开发学

24、生的智力探究性实验教学以“问题”、“现象”、“方法”为基本要素, 以假设、验证、类比为基本研究方法, 给学生造就了较大水准的自由思考、自行设计、自主实验的时空条件, 为协助学生新异思想的萌发提供了良好的情境。在实验中我们观察到, 学生表现出来的严谨、专注、自信和果断, 是以往教学中难以见到的。由此我们深深体会到： 学生的智慧潜能很大一部分尚未得到开发和利用, 我们在实验教学中应科学地把握有利时机, 积极创设宽松的教学环境, 使更多的具有创造潜能的学生尽快地脱颖而出。6.2 探究性实验教学提升了学生的学习水平通过探究性实验, 学生深切体验到收集课题资料、设计实验方案、使用科学方法、自我研究和实行

25、网上查寻的重要性。当课本上的现成知识不足以解决问题时, 很多学生表现出前所未有的自主获取知识的兴趣与水平。6.3 探究性实验激发了学生学习物理的浓厚兴趣源于教学内容和教学方式的改变导致的学生学习物理兴趣的变化, 往往比其他外界的新奇刺激引起的兴趣更稳定。课堂教学从“讲、听、记、练”到“看、想、做、用”, 改变的不但是学生的学习方式, 而且更重要的是改变着学生的学习思维品质和内在的主动性, 使学生更理性地投入到学习之中, 持续进取,追求自我完善。这正是现代教学观的具体体现, 也符合新课标下中学的教育规律和教学特点。6.4 探究性实验有助于加速青年教师的快速成长探究性实验教学是一种依赖物理实验解决问题、获取知识的教学模式, 具有很大的灵活性和开放性。这对物理教师特别是青年教师来说, 无疑是一个挑战。传统的按教材体系设计教学的方法, 难以体现探究性教学的特征, 必须改革。教学设计是充分反映教师创造力的一个研究过程, 教师必须在查阅大量资料、搞清相关实验问题的来龙去脉、寻求解释疑难现象的理论依据上, 对实验方案的可行性作出论证并尝试实践。面对