增强物理实验教学实效性的思考与尝试

1增强物理实验教学实效性的思考与尝试上海市宜川中学王汉清关键词：物理实验认知冲突经历探究拓展空间有效整合物理学科是一门以实验为主的基础学科，回顾物理学发展的过程，从伽利略的实验思想奠定了物理学的发展方向，再到爱因斯坦的“思想实验”成就了近代物理学理论的诞生，从中可以看出物理实验在发现自然规律、检验科学论断等方面自始至终都占有极其重要的地位。物理实验作为物理教学的基本手段，有其特殊的教学功能。一、物理实验在物理教学中的作用著名科学家钱学森说过：“教育工作的最终机理在于人脑的思维过程”。思维是人类特有的一种精神活动。同时心理学研究也表明，人的思维活动的起源是在对感性材料的认识基础上产生的，感性材料是思维活动的源泉和依据。物理实验为学习提供了丰富的感性材料，生动形象地展现物理概念和物理规律探究过程，促进学生形象思维、抽象思维和直觉思维的发展，对学生智力水平的发展起到促进作用。物理实验教学在促进三种思维“螺旋式上升、波浪式前进”的过程中，不断提高学生观察、想象、质疑、探究、抽象概括和表达说理的能力，逐渐养成勇于猜想、批判求实的科学态度，提升学生的科学素养。因此，物理实验在帮助学生理解物理概念和掌握物理规律、激发学生的学习探究兴趣、促进学生多元智能的和谐发展等方面有着重要的支撑作用和探究的价值。二、现阶段物理实验教学中存在的问题杨振宁教授分析我国学生学习物理的表现时指出：“东方学生长期受儒家哲学的熏陶，比较重视知识的系统学习，习惯使用演绎法，喜欢根据已有的原理进行推演，不太敢想前人没有想过的东西，总的特点是重继承；而西方学生不知道孔夫子，总的特点是重创新。”在我国，物理教学追求逻辑的严密性，过分强调分析、抽象、假设、理想化、精确性等科学所强调的抽象思维方式，忽视规律发现过程、背景以及知识与生产、生活联系的形象思维方式。忽略了物理实验是一种重要的探究方法和激发学生内在探知诉求、培养学生科学态度与价值观的有效手段。在物理教学中，充斥着教师“讲实验”，学生“听实验、看实验、练实验”等机械学习现象。这样的物理实验教学制约了学生直觉思维的发展，不利于抽象思维、形象思维及直觉(灵感)思维的相互转移和螺旋式上升，不利于提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，实验教学的有效性没有得到充分的体现。三、物理实验教学的基本策略建构主义提倡以学习者为中心的学习,教师为学生提供多样化的信息来源、创设良好的学习情境，学生通过独立探究和合作学习等方式，努力使自己成为知识的积极建构者,学会自主学习。这一理论对改进和优化物理实验教学具有实际的指导意义。教师要避免单纯为了学习知识、验证理论、学习操作技能的实验教学，注重创设“变化性和灵活性”的实验探究过程。通过学生自己选择实验器材、设计实验方案等方式引导学会收集证据、分析证明的科学方法；通过交流讨论、合作协助让学生体验学习过程的快乐；通过鼓励学生大胆猜想、敢于质疑培养学生科学价值观。因此，教师应以“形成态度、发展思维、培养情感”作为物理实验教学的基本策略，改进实验教学过程，优化实验教学设计，整合传统物理实验与现代性息技术（DIS实验），增强物理课堂教学的实效性。四、增强物理实验教学实效性的实践尝试21、挖掘物理实验直观演示功能，充分引发学生认知冲突，产生浓厚的探知兴趣瑞士心理学家让·皮亚杰因其认知发展理论而闻名，他认为：“激励学生最有效的一种方式是建立一种认知失衡状态，这样就会把学生带入一种认知冲突——他本来认为发生的事情却没有发生！”借助物理实验创设情境，直观地展示物理现象，使生动的物理现象与学生原有认识不一致而产生认知冲突，从而激起学习过程中探知兴趣和热情。例如在“闭合电路欧姆定律”的教学中，由于电源内阻看不见摸不着，对内阻的分压作用缺乏感性认识，为此我根据学生的认知特点，设计实验情境来引发学生的认知冲突，让学生感受到初中阶段所学知识的局限性和对电路进一步学习的必要性。我先让学生分析如图1（A）所示电路，学生根据原有知识，知道当电压一定时，逐步闭合开关S1、S2、S3后，灯L1的亮度不会发生变化。边做实验边设问；“先闭合开关S1，再分别闭合开关S2、S3后，灯L1的亮度是否会发生变化?”学生几乎都认为亮度不发生变化。图1我闭合开关S2接着问：“看到了什么现象?”学生惊讶：灯L1变暗了；再闭合开关S3，学生更惊讶——灯L2也变暗了，灯L1的亮度竟然更暗了！实验现象大大出乎学生的预想。他们无法用原有初中电路知识来解释新现象，自然产生了强烈的求知愿望，学生思维被激活。在学生思考讨论的基础上，教师出示图B和图C，让学生比较图A、B、C三个电路，猜想出电源内部是有电阻的！图C与图A就是等效的！生动形象的认知冲突源于对物理实验直观特性的挖掘，有效地激发出学生潜在的探知热情，为学生的进一步的闭合电路学习储备丰富的直觉思维素材和情感资源。2、挖掘物理实验主体探究功能，让学生亲身经历知识的形成、发展、应用的全过程。体验性的主体探究是现代学习方式的突出特征，在实际的学习活动中，它的一个重要表现就是强调身体性参与。学生不仅要用自己的脑子思考，而且要用自己的眼睛看，用自己的耳朵听，用自己的嘴说话，用自己的手操作，即用自己的身体去亲自经历，用自己的心灵去亲自感悟，促进直觉思维的发展。过去所谓的“验证性实验”往往只是验证了一些现成结论和对结论无疑的认可，学生学习的重点还在于接受知识。这种教育方式排斥了学生的思考和个性，它从源头上剥离了知识和多元智力活动的内在联系。探究性实验是学生在实验和观察的基础上，通过“发现问题—猜想假设—收集证据—科学抽象”的过程来实现，教师应该尽可能地关注学生对实验的探索过程，碰到问题及时引导点拨，重在引导学生学会方法、主动建构、丰富情感，充分体现发展学生的教育目标。如在“电磁感应”现象的教学中，我将“电能生磁，磁能否生电？”的问题引出后，把学生带到实验室，给各组准备了原副线圈、磁铁、电流计、两节l号电池、电键、滑动变阻器等器材，让学生动手操作，观察用“磁”能否发出“电”来的现象。学生动起手来，进行各种尝试。有同学先把线圈放在磁场中，然后接上检流计，看线圈中是否有电流。这恰好是法拉第等许多科学家在探求电磁感应现象中所犯的错，真可谓“英3雄所见略同”。还有同学把原线圈(带铁芯的)接电源，副线圈接电流计，在闭合、断开电键时看到指针偏转，很快找出了感应电流；闭合电键，把通电原线圈从副线圈抽出或插入时，也看到了感应电流。然而有位学生断开电键后，抽出或插入铁芯时，却也发现指针偏了。该生非常兴奋，于是向同学们宣布：“我不需要磁场，用铁芯代替磁铁也产生了电流！”同学们就此展开了热烈讨论：可是无论如何论述也得不到圆满的解释。经过我的点拨，学生终于明白：当原线圈通电时，根据电流的磁效应，线圈相当于条形磁铁，把铁芯磁化了，使它也相当于一个磁体具有了磁性，周围存在磁场。同学们认识到：曲径通幽——还是“磁生电”！那么产生感应电流的条件是什么呢?同学们陷入深深的思考之中。经过同学们对实验过程的分析讨论，逐步认识到：当磁铁插入线圈时，线圈的面积虽然不变，但线圈中的磁感强度变化了，由＝BS可知，变化了。当线圈在磁场中转动时，磁感强度不变，但线圈的有效面积却变了，也变化了。于是大家又动手，自己设计—个实验，绕制—个线圈，与电流计构成回路，把线圈放在磁场中(使磁通量最大)，把它拉长变扁时，发现检流计指针偏转，再把它的形状复原的过程中指针也偏转。由此得到结论：闭合回路的磁通量发生变化，回路中就有感应电流。在接下来两节“楞次定律”，“法拉第电磁感应定律”的教学中，我均采用主体研究式教学模式，来探求规律，我校实验室对学生开放，便于学生随时可以做实验，这样的学习方式受到了同学们的欢迎。学生学习知识的过程，实质上是一种科学探究的过程，选择的过程，创新思维的过程。借助物理实验让学生自己动手实践，在实践中体验知识的形成、发展、检验、应用的全过程，逐步学会思考，学会学习，日积月累，潜藏在学生心中“我要学”的愿望将得到有效激发。3、利用物理实验拓展学生合理猜想的空间物理教学中，教师常用实验来创设问题情境，引导学生开展科学猜想，培养学生勇于猜想的科学精神。如在“电流跟电压、电阻的关系”的引人教学中，为了引导学生认识电流跟电压、电阻的关系，教师在创设情境时一般都会演示如下的实验：将电源、电流表、定值电阻、开关用导线连接成串联电路，用电压表测定定值电阻两墙的电压，电流表测定电路中的电流．首先改变电阻两端的电压，引导观察电流表的示数，接着更换阻值不同的定值电阻，引导观察电流表的示数。教师质疑、引发学生思考：(1)看到了什么现象?(2)猜测电流的大小可能跟哪些因素有关，分析这种引入方法，教师把影响电流变化的两个因素直接演示出来，要求学生猜侧“电流大小可能跟哪些因素有关”，大多数学生完全可以根据教师“改变电压”、“更换电阻”的操作，顺藤摸瓜地理解教师的意图，说出教师期待的“猜测”，这实际上是一种缺少思维深度、低思考水平的猜测。因此，上述实骏设计并不能引发学生作有意义的高水平的思考与猜测，难以启动学生的积极思维和学习需要。为了让学生经历真实的猜想过程，教师可根据学生的“最近知识发展区”，让学生回忆已经做过的“用电流表测定电流”、“影响导体电阻大小的因素”和“用滑动变阻器改变电流”等实验，思考这些实验中什么因素引起了电流的变化，猜想“电流的大小可能跟哪些因素有关”．这里猜想的基础是过去已经做过的实验，但当时做这些实验时，学生关注的是如何使用电流表、滑动变阻器等技能性问题，现在要从另外一个角度去思考实验中引起电流变化的因素，学生感到新颖、有难度，学生在形象思维和抽象思维相互过程中，思辩能力得到了最大限度的呵护和锻炼，敢于猜想的精神得到了培养。4、整合现代信息技术（DIS）增强传统实验教学效果《上海市中学物理课程标准》指出：在实验教学中既要提倡运用现代信息技术，又要重视和发展传统的简易的实验手段和方法。这里的“重视和发展”不仅是指在构建教材实验系统时不能偏废传统的简易的实验手段和方法，也包含着用利用数字化实验系统（DIS）的优势和功能对传统实验的优化和改进。由传感器、数据采集器、实验软件、计算机以及实验附4件构成新型DIS实验系统，巧妙地做到了课程与信息技术的融合，具有强大的信息收集、处理能力，可以实时、高效处理各种数据，可以实现联网互通，具有便捷的交互功能。更为可贵的是：DIS实现了动态位移实时测量、受力状况实时测量、磁感应强度测量、声波测量、微小信号测量，多数据并行测量等．井显著提高了实验精度和质量，能够完成传境实验装置很难完成的实验．还可以设计出诸多借助传统试验装置想做而做不好的实验。如通电螺线管内部磁场测量，由于特斯拉计、高斯计极少应用于中学，所以中学阶段几乎所有涉及磁现象的实验均缺乏定量测量和直观表现，电磁关系得不到验证，电磁学也因而变得“抽象”、”生涩”，成为很多学生认知过程中的“坎”。使用DIS磁感强度传感器，不仅可以方便地完成通电螺线管内部磁场测量，还可以开展直导线电流磁场大小与距离的关系实验探究。在研究物体运动加速度等实验中，DIS技术作为教学的辅助手段，使实验准备和数据处理时间大为缩短，为师生的进一步学习节省了大量时间。DIS技术拓展了传统实验的有效教学空间，大大提升物理课堂教学实效。五、物理实验教学的进一步思考物理实验教学从思维能力、科学方法的培养到意志品质、科学态度的养成，从课堂教学主渠道到课外丰富多彩实验探究的拓展延伸，都能显示其强大的教育功能。特别是物理实验在倡导自主探究式学习方式的新时期发挥着重要的作用。但是，是不是每逢复杂物理过程就要设法实验直观演示，学生在头脑中开展思想实验的能力如何培养，是不是每节课都要以实验探究的方式开展教学，如何寻求到恰当的实验探究内容，探究过程中学生自主活动的重点是什么，教师重点指导探究的哪些方面，如何引导、何时介入、介入多少，如何解决课堂时间不够等问题都需要老师精心备课，周密思考，将预设与多种生成融汇于教学过程，让课堂生动而富有实效。实验是科学探究的重要组成部分，适当的“思想”实验也是培养学生科学探究思维