试论物理实验教学中的“过程设计”

1、试论物理实验教学中的“过程设计” 一、什么是物理实验教学中的“过程设计” 首先,“过程设计”就是一种教学设计.其次,它更为强调的是重视过程的教学,详细地说,物理实验教学中的“过程设计”就是指在实验教学中教师设计实验的情境或系列的问题,使学生经历问题的探索过程,重蹈科学家关键的设计步骤,体悟实验的设计思想,掌握仪器的使用事项,提升实验结果的分析能力的一种教学设计. 二、物理实验教学中为什么要进行“过程设计” 这要从一则教学事例谈起.在“探究感应电流产生的条件”的实验中,实验装置如图1所示.教师教学时对这一“成型实验”的设计未作铺垫,学生并不清楚科学家设计该实验的心路历程.以至于教学中有些学生竟然

2、认为:“这么简单的实验,很容易得出结论呀!法拉第怎么用了十年的时间?他真是太笨了!”可见,教师在已经“成型实验”的教学中有必要还原科学家的心路历程.法拉第在当年先是怎么设计的,后是怎样改进的,以后是怎样突破的,最终又是怎样设计的.别人为什么没有做成功,唯独法拉第做成功了.在充分揭示科学家思维的形成过程中,让学生适时地经历从实验的初始设计到逐步完善的思维过程,这样,学生才能领略到实验设计的精妙所在,也才能感受到法拉第的伟大之处.因此,教师在实验教学中应当注重“过程设计”, 三、物理实验教学中如何进行“过程设计” 1.仪器使用的过程设计 仪器使用的传统教学模式是:结构简介教师示范学生模仿.教师先简

3、单介绍仪器的结构、功能,再分步介绍操作步骤,第一步怎样操作,第二步怎样操作,要注意不能有什么样的操作,同时做好示范,然后学生照样练习,直至纯熟,这种教学模式丧失了学生的自主性,削弱了学生的探究能力.这样的设计并不可取.仪器使用的“过程设计”能较好地解决这一问题.其设计模式如图2所示.设计的线索是:(1)教学内容;(2)过程设计,其中,过程设计又分为:学生活动;过程小结, 案例:实验:使用多用电表测电阻.采用“仪器使用的过程设计”进行教学时,教师不需强行灌输多用电表的使用方法,学生在活动中即能发现问题、解决问题、总结规律.其过程设计见后页. 实践表明,这种设计能使教师教得轻松,学生学得愉快,经过

4、动手动脑后获得的知识,对学生来说,其印象也更为深刻. 2.成型实验的过程设计 本文所讲的成型实验指的是已远离了实验的原型,经历了多次的修改后呈现出来的一个最终完善的电路、一套完整韵仪器、一种完美的实验方案.它经过了多次的打磨,虽则完美,却磨掉了思维演变的痕迹,如果直接呈现出来,学生将无法感受到探索过程的艰难和探索过程的乐趣,理解起来也更为困难. 案例:用以下器材测量待测电阻见的阻值.待测电阻r阻值约为loor电源e,电动势约为6.ov,内阻可忽略不计;电流表ai,量程为050ma,内电阻ri=20q,;电流表a2,量程为0300ma,内电阻r2约为4q;定值电阻风,阻值ra-20q;滑动变阻器

5、r,最大阻值为10q;单刀单掷开关5,导线若干. (1)测量中要求两块电流表的读数都不小于其量程的1/3,且要求尽量多测量几组数据,试画出测量电阻r,的实验电路原理图(原理图中的元件用题干中相应的英文字母标注). (2)若某次测量中电流表ai的示数为,电流表a2的示数为,2.则由已知量和测量量计r,的表达式为rx=_. 这是本校一道高三复习的测试题.它难倒了一大批学生.试题讲评时,教师直接呈现正确的实验电路,然后做一扼要的解释,结果,很多数学生直呼:“太神奇了!”他们觉得自己是很难想出这种设计方案来的.究其原因,该设计脱离了学生的思维实际,难以引起学生的共鸣.明显有曲高和寡的感觉.如何解决这一

6、问题?“成型实验的过程设计”不失为一种好的方式,其操作模式如图3所示.据此,过程设计如下. 第一步,构画原型,根据问题情境,要测电阻rx的阻值,明确实验的原型是伏安法测电阻的电路,题中“要求尽可能多测几组数据”,可知滑动变阻器的连接方式为“分压式”接法,由此,构画出实验的原型电路,如图4(a)、(b)所示 第二步,构画实验设计1.题中提供的是2个电流表而无电压表.故需造一个电压表.已知内阻的电流表ai串联一个定值电阻ro可当电压表用.如图5所示,其中图5中虚线框内ro、ai的组合相当于一个电压表. 验如图7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示,根据实验,在表1、表2中填人实验现象.此时,a2

7、未达1/3满偏.故此电路尚不符合题意. 第三步,构画实验设计2.设计依据:已知通过电流值的定值电阻也可当电压表用.设计实验如图6所示.其中,图6中虚线框内的风就相当于一个电压表。 由此确定图6为所求的实验电路图, 按照“成型实验的过程设计”分三步进行教学,学生觉得根据这一方法自己也应该会设计所要求解的电路,也并不觉得这样的实验设计有什么高深之处.在这里,凭借一个实验原型,根据问题的情境,适当地加以修正,所求实验电路就能水到渠成,通过这样的设计过程,学生在实验设计上就有思路可循,能轻松地掌握实验设计的方法. 3.实验现象分析的过程设计 许多时候,实验现象非常精彩,可惜由于过程分析不得法,学生无法

8、深入思考,教师只能匆匆地给出结论.表面上课堂教学变得顺畅了,实际上学生的思维却未能很好地得到训练,教学中留下了很多的遗憾.要尽量减少这类遗憾的发生,教师应做好实验现象分析的过程设计. 比如,楞次定律的教学.研究感应电流方向的实验如图7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示,根据实验,在表1、表2中填人实验现象. 分析:由表1知,(a)(b)中线圈内磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反,由表2知,(c)(d)中线圈内磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同.结论:感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化.以上教学,虽然思路流畅,但是要判断感应电流的方向怎么会想到要

9、引入“感应电流的磁场”作为“中介”来表述,因而在表格中列入“感应电流的磁场方向”呢?这一点教师未作什么交代,学生是很难想得通的,实验现象分析的过程设计要以实验为基础,以问题为主线,按一定的逻辑顺序展开,逐步推出结论,才能令人信服. 案例:实验:探究感应电流方向的规律.如图8(a)所示.实验的现象:条形磁铁n极靠近金属铝环,铝环向右摆,条形磁铁n极远离金属铝环,铝环向左摆, 分析过程:沿着以下两条线索(如图9)层层展开问题的设计,最终得出判断感应电流方向的规律楞次定律. 磁铁靠近铝环时,铝环向右摆,说明磁铁对铝环有斥力,这个斥力应是磁场力,它与铝环产生的感应电流有关,图8(a)中相互作用的情况等

10、效于图8(b)中相互作用的情况, 问题1:结合(a)、(b)图,判断铝环中感应电流的磁场方向及铝环中产生的感应电流方向. 问题2:在图(a)中标出条形磁铁的磁场方向 、感应电流的磁场方向、感应电流的方向.(标出后的结果如图(c)所示) 问题3:标出条形磁铁离开铝环,铝环被吸引向左摆时,条形磁铁的磁场方向、感应电流的磁场方向、感应电流的方向.(标出后的结果如图(d)所示) 问题4:条形磁铁靠近铝环时,铝环中感应电流的磁场方向与条形磁铁的磁场方向相反;而远离时,却相同,这会引起铝环中的磁通量发生怎样的变化? 问题5:如把条形磁铁在铝环中产生的磁通量称为原磁通量,则条形磁铁靠近铝环时,原磁通量增加,感应电流的磁场是使原磁通量增加还是减少?条形磁铁远离铝环时,原磁通量减少,感应电流的磁场是使原磁通量增加还是减少?这说明,感应电流的磁场对原磁通量是起促进作用还是起阻碍作用? 经历以上现象的分析后,再引导学生分析图7中的(a)、(b)、(c)、(d)四种情况,学生将不再对引入“感应电流的磁场”感到突然了,而会认为这是理所当然的事. 四、结语 开展物理实验教学的“过程设计”,目的是让学生充分经历实验的设计过程、现象的分析过程、仪器的使用过程,从而在质疑问难中、在对比分析中、在动手动脑中训练学生的设计思维,提高学生的探究能力,激发学生的