谈低成本中学物理探究实验室建设与应用(共享)

1、谈低成本中学物理探究实验室建设与应用河北省张家口市下花园中学李汝忠摘要：木文探讨了低成木条件卜.中学物理探究实验室建设和应用实践活动，着重探 讨了探究实验室建设低成本探究实验教学的新课改课程资源开发。笔者结合课题低成本 中学物理探究实验室建设与应用研究的研究报告，阐述建设和应用低成本探究实验室对 于发展学生的非智力因素，转变学生的学习方式和培养学生的能力（观察能力、想象能力、 创新能力等）、转变教师的教学方式、优化学生的学习环境、优化学生学习方式、优化教 学内容、提高课堂教学效率的有效性等，最后提出了一些存在的问题。关键词：低成木探究实验国家教育部物理课程标准实验本（以下简称课标）中指111:

2、"物理学是一门以 实验为基础的然科学”，“使物理贴近学生生活、联系社会实际教师要选择与学生生 活联系密切的索材用于教学。课堂教学中，教师还可以使用可乐瓶、易拉罐、饮料吸管、 胶带纸等生活中的常见物品來做物理实验。学生的课后作业也应该因地制宜地引导学生关 注周围的生活”。课标提出，要“突出物理学科特点，发挥实验在物理教学中的重 要作用提倡使用身边随手可得的普通物品做物理实验”。在开发实验室的课程资源方 面，课标还强调“观察和实验对培养学生的观察和实验技能，培养实事求是的科学态 度，引起学习兴趣，具有不可代替的重要作用，因此大力加强演示和学生实验，学校和教 师应该根据标准的要求安排足够的

3、学生实验和演示实验。应该最大限度地利用实验室现冇 的器材，力求利用多年闲置的器材开发新的实验，充分地开发和利用实验室的丰富课程资 源，尽快改变实验室的封闭式管理状态”；“倡导利用口常器具做实验一一实验室的课程资 源不仅限于实验室的现冇设备，学生身边的物品和器具也是重要的实验室资源。利用口常 器具做实验，不但具有简便、直观等优点。而ii有利于学生动手，发展学生的实验技能， 培养学生的创新意识。因此，倡导用口常器具做实验，是提高学生科学素养的有利途径”。课标中多次提出开展实验教学，再三强调利用仃常器具來做物理实验，从而有利 于更好地开设物理实验，降低实验成本，提高实验数量，增加学生对物理课的亲切感

4、，促 进培养学生的科学素养。显然，研究开发物理低成木实验，是物理教育改革的一个重要方 向。因此，研究开发物理低成本实验是教育改革的需要。新一轮课程改革在课程理念、课程目标、课程设置、教材建设、课程实施方面都冇 较大的改革与发展；对实验室在其功能、设备等方面提出了新的和更高的耍求，实验室建 设也面临着前所未有的挑战。从某种意义上说，如何应对挑战对课程改革的成败起着举足 轻重的作用。同时，现代科学技术和实验技术的迅速发展；政府对教育投入的逐年增加， 为学校实验室建设、推动基础教育均衡发展创造了机遇。“十一五”吋期实验室建设，要全面落实科学发展观，面向现代化，面向世界，面向 未來。从坚持全面贯彻党的

5、教育方针、全面实施索质教育、培养学生的创新精神和实践能 力以及全面推进教育均衡发展出发，努力适应和满足多样化的需求，由目前的注重数量、 规模发展转向更注重索质教育和人的发展，着眼于促进学生学习方式的变革，冇效促进学 生的认知发展和知识建构，更关心品质、质量的提升，更加关注均衡与公平，努力缩小地 区之间、城乡之间、学校之间的差别，基本实现教育的全面、均衡、协调、可持续发展。在经济欠发达、条件较差地区的普通中学，“十一五”时期实验室建设工作的发展廿标 是：基本实现普及实验教学，开齐开足课程所要求的实验，按照教育部最新颁布的中小 学理科教学仪器配备标准（简称“标准”）“基木”耍求配齐配足仪器设备，力

6、求做到每 四人组开展实验；积极创造条件，使实验室建设达到中小学理科实验室装备规范的“基 本要求”。并争取在此基础上，进一步完善各学科实验室、功能室的建设。我们清醒的看到，现阶段我国实验室建设从整体上看，依然是低水平的、不全面的、 不均衡的。实验教学的普及程度依然不高，面临的任务十分艰巨。实验教学和实验室建设 已远不适应新课程标准的要求，亟待加以改革。目前，有关探究实验室建设的研究，人多数只停留在“应试教育"的目标下，实验教学 大多围绕中考、高考运作，而不是把提高学生科学索养，培养学生创新意识和实践能力作 为直接目标。实验室建设和管理的机制和观念跟不上教育教学改革形势的需要。实验教学是

7、探究实验室建设的出发点和最终归宿。探究实验教学是培养学生科学探究 能力的重要渠道，是实施索质教育的重要环节，所以要把探究实验室建设的注意力从应试 转移到提高学生科学索养，增强学生科学探索精神、创新意识和动手实践能力，促进学生 的自主发展、全面发展和可持续发展的目标上来，保证每个班级都能随进度及吋地开展实 验，最人限度满足学生动手需要。低成本物理探究实验能够最人限度满足学生动手需要。所谓物理低成本实验是指那些材料易得、简便易做、趣味性强、形象生动、效果明显 的物理实验。经常使用的冇：口常生活用品；价值低廉的器材；废旧器材英至废弃 物品；身边随手可得的实验替代品；可代用的现成的非专用的仪器、器林

8、可取代 实验室专用器材等来进行实验的自制的实验器材等。一些学校之所以仍停留在“黑板上做实验、报告册中填实验、课后背实验”的怪圈中, 学校教学条件和设备不足是主要原因。低成本物理实验能缓解实验器材短缺问题，体现 “从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。为此，在物理实验教学中重视发掘和研究 物理低成本实验，让学生经历从自然到物理，从生活到物理的认识过程。初中物理课程标准指出：义务教育阶段的物理课程应贴近学生生活，符合学生认 知特点，激发并保持学生的学习兴趣，讣学生通过学习和探索掌握物理学的基础知识与基 本技能，并能将其运用于生活、生产实际，为以后的学习、生活和工作打下基础。低成本 实验具有成本低

9、廉，方法简单，现象明了，因地制宜等优点，适合于各个地区、各类学校、 不同学习基础的学生，在课内课外都可进行。利用物理低成本实验来开展物理教学活动， 最能体现“从生活走向物理，从物理走向社会”物理课程理念。初中物理课程标准指出：必须把培养学生学习物理的兴趣、提高科学索养放在首 耍的位置。爱因斯坦说过，“兴趣是最好的老师”。生动有趣的实验本身会使学生产生暂 时的兴趣，而利用身边的自己经常接触的物品进行实验，又会使学生产生更加浓厚的兴趣, 使得学生的暂时兴趣转化为持久兴趣。兴趣作为主体的一种内驱力，它刺激主体并引起反 应，会使学生主动参与到物理学习中来，有的学生其至会自己去探索一些有趣的物理现象,

10、对物理学习带來更人的帮助。低成本实验的优点是：学生可以亲自动手，实验中的每一个细微现象的清楚度能达到 最高程度；一些低成本实验是学生未见过的实验，所以学生在做实验吋不象做学生分组实 验时存在走过场现象。可激发学生学习物理的兴趣，提高学习物理的积极性和主动性。物理低成本实验的魅力是它可以做到成本低而智慧不低、成本低而技术不低、成本低 而价值不低，开发高智慧、高技术和高教育价值的低成本实验具有重耍的意义。作为河北省的一所普通中学，我校具冇一定的代表性。当前，我校的实验教学情况受 各种主、客观因索影响，还存在诸多问题。不难想象，在其它学校，物理实验教学情况也 是不容乐观的。为了弥补实验教学的不足，我

11、们从自己授课班级中选拔出部分物理学习兴趣高的学 生，组建物理学科课外活动小组，以“小实验、小制作、物理专题讲座”为主要内容，开 展了一定数量的课外活动。我们发现学生最欢迎的是用低成本的日常材料完成的小实验。物理低成本实验冇助于sts教育，选择与学生生活联系密切的物理索材冇助于教学。 例如使用可乐瓶、易拉罐、饮料吸管、泡沫垫等生活中的废弃物品來做物理低成本实验， 既化废为宝，体现环保，又拉近物理学与生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性, 感受到科学和生活、科学和社会的亲密关系。对与现实生活、社会发展联系很密切的物理 科学來说，用身边的事物来做低成本物理实验，并用之解释和总结物理规律，学生更

12、容易 接受。低成本实验是一种有目的的理论联系实际的学习活动，它是一种科学探究活动，可使 学生认识到科学理论必须经过科学实验的检验，从而增强学生的科学实践意识。低成本实 验往往取材简单，经常使用日常生活用其至废弃物品取代实验室专用器材，但不是实验器 材的简单替代，而是实验装置的简化。实验装置的简化简化的过程，实际上就是探究创新 能力的提升过程。物理低成本实验也是学生探究活动的一个冇机组成部分，它的作用不只 是了解、研究自然规律和获取信息。通过学生实践，自主地动手、动脑，是学生创造力的 培养和开发的一种重要形式。物理低成本实验探究活动形式多样，蕴藏着极其活跃的因索, 对于学生利用所学知识激发思维灵

13、感大有益处。低成本实验的大部分器材可以让学生自己 设计制作，制作的过程，本身就是培养学生发散思维和创造思维的过程，有利丁培养学生 的创新能力。九年义务教育物理课程标准（实验稿）强调以物理知识和技能为载体，让学生经 历科学探究过程，学习科学探究的方法，培养学生的科学探究精神、实践能力、创新意识。 把科学探究引进教学，其目的当然是希槊学生能通过探究过程活动來获得知识，而不是出 教师安排好一切，让学生顺着预定的途径“走”下去或把学生径直引向答案。换言之，探 究教学的重心或出发点在于学生方面，探究是学生的探究，教只是为学服务，而不是耍学 服从教。1957年，著名教育心理学家布鲁纳倡导“发现学习”，教育

14、家施瓦布则提出了 “探究 性学习”。这些思想和教学方法对美国后来的科学教育产生了深远的影响，并逐渐形成世 界性的教育改革浪潮。我们认为探究性学习可以定义为：学生在学科领域或现实生活的情 境中，通过发现问题、调查研究、动手操作、表达与交流等探究性活动，获得知识、技能 和态度的学习方式，可以将探究性学习过程分成以下几个环节：问题一事实（证据）一解 释-评价一发表与交流。探究性学习基本是以建构主义学习理论为指导的学习方式。建构主义学习理论认为：教师是教学过程组织者、指导者，知识意义建构的帮助者、 促进者，教学资源的提供者、设计者；学生是知识意义的主动建构者，是学习的主体；教 材所提供的知识是学生主动

15、建构意义的对象；媒体是创设学习情景、学生主动学习、协作 探索，完成知识意义建构的认知工具。充分发挥学生主动性、积极性和创新精神，最终达 到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。追根溯源，科学实验之初并没冇专用器材，人们只能利用手边的材料进行实验，或者 组装、自制相关的器材，其中，就地取材的很多实验就是低成本实验。当科学实验研究更 加深入，所需耍的设备和仪器往往耍求更高，其代价也更大。自从物理学作为一门基础学 科以來，人们逐渐开发研制了各种专用实验仪器，更加方便了物理教学。但在实际教学中, 我们常常需要面对实验设备和专用器材不足的问题，真正的物理教育工作者即使在困难的 情况下，也不会选

16、择放弃实验。物理低成本实验的研究一育是克服实验器材不足的重耍举 措。从这个意义上看，物理低成本实验其实是因为实验教学的被动才兴起的。在我们开展低成本实验教学中，学生表现出浓厚的兴趣，这些简单的实验器材在物理 教学中与厂制仪器的发展并驾齐驱，具有旺盛的生命力，其至比专用仪器更好地引起学生 的求知欲和激发起他们主动学习的愿望。心理学研究与教学实践表明：如果实验所用的材 料是学生所熟悉的，就会富冇亲切感，易于学生克服思维障碍，较快地达到掌握物理概念 的目的。如果学生亲手摆弄过或制作过器具，不仅能培养他们的动手能力，而且还能使他 们建立起牢固的相关物理表象，敏锐地洞察其中发生的物理过程，使知识理解得更

17、为透彻。 曲实验的新奇现象激发学生强烈的好奇心，首先形成直接兴趣和求知欲，虽然这种兴趣还 处于一种较低层次的水平，但它对发展学生学习兴趣和形成持久的学习动机有不可忽视的 作用。综上所述，物理低成本实验的教育功能强大。因此，从更深层的意义上理解，利用身 边的器材进行的“低成本实验”，并不是为解决器材不足的权宜之计。这样的实验能够拉 近科学与学生生活的距离，在学生对科学的态度上，能起到“正规的”实验所不能起到的 潜移默化的作用。实际上，低成本实验的研究和开发已经超越了“成本”概念的范畴，即 使在将来物质条件更好时,也同样耍强调利用身边器材进行的实验。在设计研究低成本实 验过程中，特别值得欣赏和提倡

18、的不是实验器材的简单替代，而应该是实验装置的简化。 而实验装置的简化，特别要对一个原本已不太复杂的实验装置做进一步的简化，实际上是 一件对创造能力和实践能力耍求很高的工作，因而对师生更具有挑战性。在大力提高创新 精神和实践能力的索质教育的今天，研究开发低成本实验更加成为一项重要工作，并且正 在逐步从被动进行发展为主动进行，低成本实验的开展已经冇了质的转变。从不同角度来看，物理实验可有不同分类。按实验研究的领域，可分为力学实验、热学实验、屯磁学实验、光学实验等。按实验目的，可分为探索性实验、验证性实验、研究 性实验等。按分析的层次可分为定性实验、定量实验。在中学物理教学中按操作者不同， 物理实验

19、又可分为教师演示实验和学生分组实验两人类。而从实验器材的成本高低界定， 则可分为常规实验和低成本实验。将低成本实验按操作者进行分类，可分为：低成本演示实验、低成本学生实验；将低成本实验按课堂内外可分为：课堂低成本实验、课外低成本实验；将低成本实验按内容特点进行分类，可分为：普通低成本实验、高新内容低成本实验。根据中学物理教学工作特点，在课堂内进行低成本演示实验探究教学、课堂外进行低 成本学生实验探究学习更加合理可行，实验内容可以涉及日常实验和适当联系高新科技内 容的实验。在我们进行课题研究实验初期，通过前测分析，确立了对比实验的两个八年级班级， 一个确立为试验班，另一个为暗设对比班，这两个试验

20、对象一直到九年级结束，实验后期 在全校各年级推广实验，没有常设对比班与实验班，参与实验的教师8人，实验对象273 名。实验初期的两个班级学生按照其入学考试的语、数学两科成绩，平行分班，学生情况 基本趋同，统一教材，统一作业吋量，统一测评标准。为了便于实验后期对实验结果进行对比分析，我们在实验询对确定的实验对象和非实 验对象在学习兴趣、态度等方面进行了问卷调查，进行横向差异性显著性检验（见统计分 析表2）,学业成绩测试（取小学毕业成绩和平吋成绩进行综合评定），并对其进行物理学 习成绩方面差异的显著性检验等工作。课题研究按照研究实施计划所要求的对象，严格按计划的内容、时间、方法和程序对 其进行操纵

21、，通过对自变量的操作，观察、测量、记录被试对象的反应，获取真实的原始 资料。对自变量的操作：根据不同年级实验对象特点，根据教材内容选择合适的媒体介入技 术。时间一般为每2周一次研究活动，活动结束进行相关测量。研究对象后测检测内容检测方法检测工具加深理解设计量表进行测试统计测验交流合作随堂观察评价自主探究自主建构设计量表测试测验思维能力等方|侨的变化测试与问卷调查问卷注意力、观察力、想象力随堂观察评价兴趣爱好、学习情绪随堂观察、调查、谈话问卷学生对实验教师，实验效果的认同调查，个别访谈评价上表所列数据的检测不只是实验结束的一个检测，而是从实验开始就冇了并贯穿于整 个实验过程，每次及吋与前测进行比

22、较分析，找寻其中的因果关系。课题研究的初期，我们的研究遵循“以点带面，重点突破”的原则进行。根据方案开 展研究活动，调动课题组全体成员的积极性，发挥各成员的聪明才智，针对物理探究实验 室建设和物理探究实验教学的需耍，开发探究性实验的课程资源，组织教师集中讨论，认 真分析我们实验的教材，开展尝试。选择了一位冇一定现代教育理念、业务能力强的实验 教师作为研究的先行者，开展研究课活动。通过不断进行分析和总结改进，然后就以点带 面，逐步进入研究的正轨。我们耍求在校内开展各种应用多媒体教学的活动，将运用多媒 体技术列入公开课、优质课竞赛的一个必要条件。本阶段我们主要开展了低成本实验探究 在课堂教学方面的

23、研究，主要注意学生在兴趣爱好、学习情绪方面的反应，学生对实验教 师，实验效果是否认同。在摸索的基础上，初步形成课堂教学模式的一般方法。课题研究进入广泛开展阶段后，我们通过前一阶段的实验研究，大家在低成本实验探 究运用于课堂教学活动之中达成了广泛的共识：低成本探究实验教学能够冇效发展学生的 非智力因素，转变学生的学习方式和培养学生的能力（观察能力、想象能力、创新能力等）, 优化教学内容，冇效提高课堂教学效率等。各实验教师参与研究的积极性提高了，纷纷开 展研究活动，就课堂上低成本实验探究活动多起来了，取得了可喜的进展，有力地推动了 课题研究进程。验收阶段我们通过研讨活动，及时整理资料，通过实践反思

24、进行实施研究的阶段性总 结，将实施推广至本学科各年级各班，并及时总结了实验成果。以下是我们的一些统计和分析结果对学生非智力因索的影响：实验后期，综合学生调查问卷反映的情况和教师的课堂观 察，通过统计分析发现学生在学习兴趣方面存在显著差异。表二：实验班和对比班学生学习物理的兴趣、态度的比较数统£人数学习兴趣学习态度x2显著性浓厚有兴趣无所谓厌恶很投入较一般不投入前测实验班501028102153050. 1455p=7.815对比班5010299217303不显著后测实验班50183020301919. 4955p=7.815显著对比班5013287219301从上表可以看岀，无论是对

25、实验班还是对比班，运用低成本探究实验于课堂教学更容 易调动学生的学习兴趣，引起学生的注意；同时在实验初期，两班学生情况基本相同，没 冇明显差距，但实验处理之后，两班在学习兴趣方面岀现显著差异。下表是通过在课堂教学中，教师观察学生的表情，回答问题吋的敏捷性等方面的变化表三：探究液体压强学习中实验班和对比班学生注意力的观察统计数统人数极专注较集中不集中人数%人数%人数%实验班591627.13355.91016.9对比班571322.82849.1162&9上农显示两班在不同教学环境下的课堂专注情形是很不相同的。在有低成本实验探究 活动的课堂学生的注意力比较集中，能积极投入到学习中來，在常

26、态下，学生注意力不够 集中，常做与课堂学习无关的事情的比例大。对学生学习方式的影响：在实验前后，我们利用同一份有关学生学习方式、习惯的问卷表，对学生施测， 选出其中有效问卷前测共158人，后测共163人，进行对比分析，结果如下：表四：学生学习方式比较答、问你是否认为看 课本和参考书 比听人讲解更 容易理解？你觉得老师在 整个学习过程 中应该承担怎 样的责任？老师布置的课外实践活动和科技创新活动班主任不在教室时你有学习计划和学习冃标吗？是看情况不不要 指 导要时导全程 指 导积极参加无所谓没兴趣安静学习安静不 学不能安静有且实施冇 没 执 行没有前测30103253798231213706842

27、40763152后测126487151202810951337100261811332从上表可看出学生在我们运用低成本探究实验开展课堂教学前后，学生的学习方式 发生了一些变化：冇学习计划、自觉学习、主动看书学习的人增多了。学生参与群体活动 人增多了。我们通过对考试成绩分析，说明实验课的课堂教学对于中下水平学生的学习知识掌 握，成绩提高冇较明显的效果。综合以上分析结果，我们得出了低成本探究性实验课堂教学的实验结论：1、实验表明：低成本探究性实验活动更容易激发学生的好奇心，使学生会提问题， 善于提问题，使学生学习物理的兴趣更浓了。2、通过实验激发了学生自主学习，自主讨论的兴趣，活动中充分体现了以学

28、生为主 体作用。3、通过实验让学生体验了科学探究的乐趣，领略了科学探究的方法，初步学会了自 主的用探究的、实验的方法去研究物理问题。4、通过实验活动提高了学生的观察能力、动手能力、获得信息的能力、交流合作的 能力。5、通过实验活动培养了学生勇于克服困难和尊重事实，实事求是的科学态度，培养 了学生应用物理知识为社会服务的意识。6、通过实际的操作说明了低成本探究性实验活动在现行的条件下，在大家的努力下 是切实可行的。研究过程中我们也发现了一些存在的问题：1. 由于受现行教材和考试制度的限制，低成本探究性实验活动目询还未能在人面积 的在课堂全面推开，特别是初三年级下学期因中考的压力，课后的探究性实验

29、活动也因学 生没冇时间而无法正常进行了。所以迫切希望实行新的评价制度。2. 要在课堂上大量的开展探究性实验活动，实验仪器要做到尽可能基本配套，取用 方便。要靠课后或课前的老师或同学自备自制一学期搞数次还可，多了老师和同学在准备 费的时间太多，实际操作上有一定的困难，需要在今后的实践中逐步设法解决。3. 曲于我们物理教师上课的班级数较多，所教的学生数常常冇一百几十人，活动大 面积开展起来，rfl于受吋间和精力的限制，对某些小组和学生来说教师的引导和参与往往 不能做到真正到位，教学的效果会受到一定的影响。对于这个问题我们还没冇真正解决好, 需要大家共同探讨。4随着活动的不断开展，有的同学越干越有劲

30、，而有的同学有兴趣下降的趋势，这 就需要我们全体教师不断的努力，不断的研究，把活动开展的更精彩，更丰富，不断地提 升学生学习的兴趣。在这方面我们感到还有很长的路要走。低成本中学物理实验室建设和应用研究的题目是个比较开放的课题，物理低成本探究 实验的开发研究和实践本身也是一个开放的课题，需要后人不断创新和充实。所以本文工 作仅仅是对低成本中学物理实验室建设和应用研究的一个开端，进一步的理论探讨和实践 研究还是很必耍的。理论和实践表明：在普通中学开展物理低成本探究实验研究和实践是必要的，也是可 行的。随着新一轮课程改革的不断深入，如何培养富有创新精神和实践能力的高素质人才已 经成为一个重要课题。物理低成本探究实验已经越來越显示出其更加冇利于学生健康全面 地发展的多方面功能，它不仅弥补了物理实验教学的不足，能有效地提高课堂教学效果， 既利于教，又利于学；还能让更多的学生参与其中，锻炼和提高学生的综合能力，培养出 良好的科学精神、科学态度和方法。它也不断鞭策物理教师的成长。在开发研究物理低成 本实验的