实验教学研究的两个案例

实验教学研究的两个案例

物理学以实验为基础，所以实验教学在物理学科教学中应该占有重要的地位；物理实验及其教学无论是设计或者是操作均具备着一定程度的复杂性，所以针对实验以及实验教学而实施的研究便具有先天性的必要；教师是教育教学的行为者，所以从教师的角度而提出的实验研究以及实验教学研究便自然地选择了符合教师职业行为特征的案例研究。本文从笔者的教学实践出发，呈现针对实验教学而实施相应研究的两则案例，试图以此实现对同行形成启迪，更试图以此请教于大家。一、关于“演示实验装置有序呈现”的研究案例场景教学现场（教室）课题实验：探究加速度与力、质量的关系教学片断在探究性演示实验“探究质量确定时加速度与力的关系”的教学过程中，教师对如图1所示的演示实验装置以“叙述性行为”和“操作性行为”的方式进行合理配置而有序性地呈现出来，相应的教学运作流程如下：叙述1接下来我们在“质量确定”的条件下，借助于实验手段探究“加速度与力之间的关系”。我们把相应的演示实验安放在水平位置、且一端带有一个小定滑轮的这块木板上来完成。行为1将木板水平安放在讲台上，如图2所示。叙述2实验中我们的研究对象是这辆实验小车，实验过程中我们将保持其质量不变。行为2将实验小车安放在木板的一端，如图3所示。叙述3把线系在实验小车上，并水平牵引而绕过定滑轮挂上重物，在一定条件下可以把重物所受到的重力大小作为实验小车所受到的合外力大小，而实验中可以通过改变所悬挂重物重力的大小来实现对研究对象——实验小车所施加的合外力大小的控制。行为3将线系在小车上，绕过定滑轮挂上重物，如图4所示。叙述4挂上重物由静止释放后，作为研究对象的实验小车将做匀加速运动，而通过改变所悬挂重物的重力大小，将使得实验小车的加速度大小发生变化。相应的加速度大小可以通过在小车后端连接纸带，并将纸带穿过打点计时器，然后利用对纸带上所打出的点作相应的“纸带处理”而计算出相应的加速度大小。行为4在实验小车后端连接纸带，并将其穿过安放好的打点计时器，如图1所示。评析实验仪器与装置是实验得以完成的物质基础。由教师在教学现场以主体性操作的演示实验，其相应仪器与装置的呈现过程便先天性地蕴含着一定量的教育教学功能。由于在特定的实验目的的引领下、在相应的实验原理制约下，演示实验需要借助于特定的实验装置、按照特定的实验方法、实施有序的实验操作步骤来完成，而在实验装置的合理配置和有序呈现中，往往就会蕴含着与所谓的“实验目的指向”“实验原理制约”“实验方法设置”“实验步骤安排”以及“实验教学功能”等各个侧面相关的因素。在这一认识的基础上，针对实验装置作合理的有序性呈现，显然就应该能够对充分展示实验操作的各种要素和充分发挥实验教学的各种功能而起到积极的作用。上述案例中，通过对演示实验装置的有序性呈现，对作为演示实验观察者的学习主体将能够自然产生诸多积极影响：第一，能够使得学习主体在认识层面上自觉地按照演示实验装置的呈现次序而有序梳理演示实验的操作流程；第二，能够使得学习主体在认识的深度上通过演示实验的有序操作流程去明确实验目的、深刻领会操作意图、准确理解实验原理、整体把握实验运作；第三，作为教师的一种行为示范，上述案例中对演示实验装置作有序性呈现的教学行为，其深远的价值和意义还在于使得学习主体在非意识的状态下经受了一次科学精神的洗礼；第四，作为教师的一种理性行为，上述案例中对演示实验装置所示有序性呈现的教学行为，折射出的是作为教学行为者的教师的一种理念：教学现场中教师的一举一动、一颦一笑均应该视为严肃的教学行为。基于教学活动的任何一个行为片段都应该能够负载着一定量的教学功能，整合每一个行为片段所负载的相应功能而服务于教学目标的达成，是教师针对职业行为研究的不懈努力与追求。二、关于“变压器演示实验改进”的研究案例1.教科书中演示实验的呈现在“人教版”高中新课程教科书“选修3-2”模块的第五章《交变电流》第四节《变压器》中，教科书设置了一个关于变压器的演示实验。相应的设置在“思考与讨论”栏目中以如下方式呈现：“思考与讨论”“把两个没有导线相连的线圈套在同一个闭合铁芯上，一个线圈连到交流电源的两端，另一个线圈连到小灯泡上（如图5所示），小灯泡可能发光吗？说出你的道理。”“连接电路，接通电源，看看你的判断对不对。”2.对演示实验的改进在教学实践过程中，考虑到教科书针对上述演示实验的设置其相应的教学功能尚显不足，所以笔者对教科书中所设置的上述演示实验作了如下相应的改进：实验仪器分别选用J2423型教学用可拆变压器、J1202型学生低压电源和规格为“4.8V，0.5A”的小灯泡，原、副线圈匝数分别为200匝和100匝，交、直流电源电压均为8V。演示分为三个步骤依次进行：步骤1如图6所示，拆去上端条形铁轭而使变压器的铁芯不闭合，原线圈接低压直流电源，副线圈接小灯泡。现象1接通电源后小灯泡不发光。步骤2如图7所示，拆去上端条形铁轭而使变压器的铁芯不闭合，原线圈接低压交流电源，副线圈接小灯泡。现象2接通电源后小灯泡发弱光。步骤3如下页图8所示，装上条形铁轭并把其压紧，旋紧螺钉而使变压器铁芯闭合，原线圈接低压交流电源，副线圈接小灯泡。现象3接通电源后小灯泡发强光。注意针对演示实验实施改进的前两个步骤中，由于原线圈接直流电源时副线圈“空载”，同时由于原线圈接交流电源但变压器铁芯不闭合时副线圈“弱载”，均将可能造成变压器原线圈“过载”而烧毁，所以相应的实验改进操作是：先通过分压电路对原线圈供电而逐渐调高供电电压，在取得能够确保安全的数据后再实现相应的改进操作。3.演示实验设置与改进后的对比分析（1）演示实验设置的主观意图可以从设置演示实验的文本呈现方式中了解其主观意图，应关注如下要点：第一，教科书将设置的演示实验呈现于“思考与讨论”的相应栏目中，其主观意图是：教学运作应该以演示实验的相关现象来佐证“思考与讨论”中的相应判断。第二，对设置的演示实验中所涉及的两个线圈作文本表述时强调“没有导线相连”，其主观意图是：引起对能量传递方式、传递途径及相应原理的足够关注。第三，对设置的演示实验可能呈现的现象以直白的设问“小灯泡可能发光吗？”而引发学生思考，其主观意图是：期望学生能够给出“小灯泡可能发光”的判断。第四，对设置的演示实验所引发的讨论以“说出你的道理”而提出相关要求，其主观意图是：期望学生在讨论中能够意识到在两个没有导线相连的线圈中实现能量传递的基本原理是“电磁感应”。第五，相应的文本表述中对“电源”指明为“交流”、对“铁芯”强调要“闭合”，相应的主观意图应该分别是：“交流—变化”而满足发生电磁感应现象的“磁通改变”的相应条件；“闭合—导磁”而符合理想变压器的“忽略漏磁”的理想化条件。第六，至于“连接电路，接通电源，看看你的判断对不对”的相应表述，无论其主观上的意图如何，鉴于演示实验在设置上的局限，只能在客观上起到验证对“小灯泡是否能够发光”的相应判断是否正确，而不能对讨论中所阐述的“道理”起到强有力的支撑作用。（2）演示实验改进后的相应思考鉴于对演示实验在设置上的主观意图的揣摩与理解，针对该演示实验的改进在主观上被纳入下列合理的思考之中。思考1考虑到演示实验的设置，其主观意图是将所设置的演示实验作为“思考与讨论”中所作判断的“验证性实验”，因而其相应的教学功能就将受到较大程度的抑制；而针对演示实验所作的改进，是针对相应的实验条件实现有梯度、分层次的控制，其意图是将演示实验改造成为启发性、相应的教学功能更强的“探究性实验”。思考2考虑到演示实验的设置在客观上只能起到对“小灯泡是否可能发光”的设问所作判断的验证作用，在逻辑上并不能起到支撑着讨论中所阐述的“道理”的作用，所以相应的改进便设置了“接直流电源”与“接交流电源”的比较，并通过比较而凸显出在两个没有导线相连的线圈中实现能量传递的基本原理是“电磁感应”。思考3考虑到演示实验的设置在相应的教学流程中仅仅是借用变压器的实际运用而引入课题，却未能够在引入课题的同时而将变压器的实际运用直接切入课题所讨论的较为深入的具体问题中去，所以相应的改进便设置了“铁芯不闭合”与“铁芯闭合”的比较，并通过比较而凸显出闭合铁芯的“导磁”效应，从而在引入《变压器》课题的同时有效地直接切入课题所讨论的理想变压器的理想化条件问题。思考4之所以对教科书所设置的演示实验作上述改进，实际上就是抱定了所谓“旨在放大相应的教学功能”的既定宗旨。把改进后的演示实验融入教学的流程，则相应的教学过程将自然会强调如下几个教学要点：第一