中学物理实验教学研究(2014.9荆州)

中学物理实验教学研究北京师范大学物理系李春密[e-mail]一、实验教学的概念1、国外在使用美国英语的国家，实验教学是“laboratoryactivities”；在使用英国英语的国家，实验教学被称为“practicalactivities”。V.N.Lunetta等人认为学校实验是指在学校环境中，学生接触具体物体或数据，来观察和理解物质世界的经历（Thetermshavemeantexperiencesinschoolsettingswherestudentsinteractwithmaterialstoobserveandunderstandthenaturalworld）。这些活动既包括学生个人的实验、小组或班级的演示实验，也包括持续数周的探究或项目研究（project），以及在校外进行的相关活动。在韦氏大词典中，experiment的词义是为了揭示未知事物所进行的活动或过程；laboratory的词义是进行科学实验或研究的地方或建筑物；demonstration的词义是使事情变得明显、易懂的活动、过程或手段。2、国内意大利人、耶稣会士利玛窦（MatteoRicci,1552-1610）于明末（1582年）来华，以此为标志，我国的西学东渐活动开始，西方的科学技术知识开始传入中国，我国也进入近代科学的萌芽阶段。在我国物理学发展早期，对其影响最深的是由江南制造局翻译的《物理学》。这本书是日本的物理学家饭盛挺造编著，腾田丰八和王季烈翻译的。这是中国第一部全面系统的物理学书籍，我国的“物理学”这一术语也是在这本书中开始被使用的。在这本书中，experiment被译为“试验”。在洋务运动推动下，1862年清政府设立了京师同文馆，1866年同文馆增设天算馆，1888年增设格致馆，自此物理学在各级各类学校开始开课讲授。在解放前演示实验被称为“表演实验”或“示教实验”，直到解放后1956年，“演示实验”这一术语才出现在中学物理教学大纲中。雷树人最早使用演示实验这一术语。“演示实验”可能是由俄语翻译而来的。3、实验教学的概念物理实验是有目的、有计划地运用仪器、设备，在人为控制条件下，使物理现象反复再现，从而进行认真观测，获取大量资料的一种科学研究方法。物理实验的主要特点有二：一是可控性，二是可重复性。在物理教学中做的物理实验是物理教学实验。新课程注重科学探究，实质上是注重真正体现物理学研究过程和方法的物理实验。物理实验教学在新课程实施中占有重要地位。科学实验与教学实验的比较科学实验教学实验目的发现新现象，探索新规律帮助学生掌握知识和学习方法，培养能力，提高素质。内容由需要探索的新问题而定，内容是新的，一般是未知的。按一定的教学目的设计，根据教学实际的需要安排。比较成熟的。形式通过实验观察、测量、记录、计算和分析，总结出规律。通过探究等方法使学生形成概念，掌握规律物理实验在物理教学中的作用1、激发学生的兴趣和求知欲(演示电表)2、创设有效学习环境、促进学生对知识的掌握3、训练学生的科学方法4、培养学生的各种能力5、培养学生的科学态度和情感物理实验教学的主要任务1.获取和巩固物理学的理论知识，学会测量某些物理量。2.学会使用基本物理仪器。（如学生电源）3.明确进行物理实验的一般规范。4.能按要求正确完成实验操作，分析和处理所得实验数据。5.学习操作物理实验仪器、观察物理现象的基本技能、技巧。6.学习和初步运用误差理论。7.明了观察和实验手段研究物理现象的基本程序。8.培养学生在物理实验中的观察、思维和操作能力。9.使学生端正实验态度，养成良好习惯，培养探索精神。10.使学生感受学习物理的乐趣，激发求知欲和动手操作兴趣。1.近30年来我国物理实验教学研究的状况在近30年中，我国基础教育研究经历了三个明显的阶段，物理实验教学研究也经历了三个阶段的发展。第一阶段（1978～1989）：广大物理教育工作者整理出版了已有的研究成果，为一线教师提供了丰富的实验素材，满足了基础教育阶段物理课程的教学需要。这一个阶段的研究成果有：安忠、刘炳昇主编的《中学物理实验教学研究》、教育部（原国家教育委员会）教学仪器研究所组织人员编写的初高中物理实验教学系列著作（《初中物理学生实验》、《初中物理演示实验》、《初中物理自制教育》、《高中物理学生实验》、《高中物理演示实验》）以及王兴乃的三大本《高中物理实验大全》。这些书籍不仅系统梳理了中学物理实验的已有研究成果，并且对这些成果进行了高度的总结。这些书籍解决了当时物理教学的需要，成为物理实验教学的里程碑，为物理实验教学的改革和发展奠定了基础。二、我国物理实验教学研究的现状第二阶段（1990～1999）：我国物理实验教育工作者针对中学物理教学实际，开始了本土化研究，对实验的原理进行细致的分析。这一阶段的成果包括陶洪主编的《物理实验论》、罗星凯的《中学物理疑难实验研究》、李春密等主编的《中学物理教学法实验研究》等著作。这些研究从理论上深入地分析了物理实验的作用和功能，从更深层次剖析实验，解决了中学物理教师在教学中遇到的实际问题，起到立竿见影的效果。在这一时期，我国物理实验工作者在教学实际中，发挥聪明才智，针对原有验证性实验不足的问题提出了探索性实验、开放性实验、设计性实验。在演示实验、学生实验、课外实验，并在此基础上进一步提出了边教边实验的方法（或称为边学边实验）。第三阶段（2000年至今）：我国开始了新一轮基础教育课程改革，我国的物理实验教学研究开始与国际接轨，探究式教学引入到物理教学中，实验教学与其融合在一起。实验教学与前概念、建构主义学习方式、概念转变联系在一起。在这一阶段，刘炳昇主编了《中学物理实验与自制教育》、撰著了《继承与创新－初中物理新课程建设的理论与实践研究》，广大物理教育研究者和一线教师也发表了大量的实验研究论文。2、我国实验教学研究的优点和存在的不足优点在实践中探索出多种实验类型对实验教学功能进行了翔实的研究研究内容从笼统到具体文章类型从经验总结到理论研究不足之处实验教学策略缺乏细致的研究忽视对学生学习、教学效果的研究教师专业化发展研究不足中外实验研究交流缺乏三、国外实验教学效果研究在建构主义理论的影响下，从上世纪70年代末、八十年代初开始，国外研究逐渐显示实验的教学效果与教育功能之间存在一定的差距，由此引发了科学教育界对实验教育功能与实验教学效果之间的不匹配、及其产生原因和对策的研究，这一研究主题成为30年来实验研究的热点问题。这一浪潮对实验教学和实验教学研究产生了重要影响。当然，这一波浪潮的目的并不是动摇或削弱实验的地位和作用，更不是把实验从科学教育中清理出去，而是为了重新评估实验的教学功能，找出影响实验效果的因素，为提高实验教学效果献计献策。自从科学教育进入学校以来，对实验教学就存在着两种对立的观点。一种观点认为实验是科学教育中理所当然的事情，实验对于科学教育就象厨具对于厨房一样是不可置疑的。另一种观点认为“花那么多的时间、人力和物力用在实验上值吗？”从上世纪七十年代开始，对学生认知结构的研究不断揭示了学生前概念的顽固性和科学教育效率低下这一现实。在这一大背景下，从七十年代末、八十年代初人们开始对实验教学效果、对实验的教育功能提出质疑。题目研究内容结论建议或对策科学教学中实验的功能：研究中所忽略的方面（1982）对有关实验功能的研究进行总结和评述在教学中，虽然实验对实现多方面的目标起着重要的作用，但是由此断定实验对实现所有的目标都是高效的是不合理的；实验的功能几乎与科学课程的目标一致，实验能实现科学课程的所有目标，实验好象是万能的。应该根据实验的具体贡献来界定实验的功能。演示实验对学生理解大气压的影响（1994）演示实验对小学五年级学生理解大气压的影响。观察实验和课堂活动并没有对学生的理解产生很大的影响，有三分之一的学生仍然用自己以往的知识和经验解释实验现象，演示实验反而强化了他们原有的认知。有多个实验演示时，选取的实验应围绕一个主题；应该避免让学生看到无关的变量；所有的学生都能清楚观察到实验现象；不能为了实验而实验，实验应该对学生的认知有检验作用。有代表性的研究：题目研究内容结论建议或对策把实验作为科学方法：三十年的混乱和扭曲（1996）分析从上世纪60到90年代，在发现学习、程序导向学习（process-led）和个人建构学习中，实验在各种教学中的实质在发现学习、程序导向学习（process-led）和个人建构学习中，实验是对科学探究的歪曲；科学研究不存在适合于任何情况的方法、规则或步骤。做科学（doingscience）能实现科学教育的学习科学（learningscience）、了解科学（learningaboutscience）和做科学（doingscience）的目标。演示实验达不到教学目标的原因是什么？物理学习中的社会活动观（1997）探索演示实验达不到目标的原因原因是：学生不拥有从“噪音”中筛选出教师所发信号的理论知识；物理课程中其它概念的干扰；表面相似的其它物理现象的干扰；与实验有关的知识评价少；学生不能把实验所给的分散信息联系起来；学生缺少机会评价自己对实验的描述和解释。讨论实验设计、做实验、解释现象、建立新概念等所有活动都应该是社会活动，是师生共同讨论的结果。题目研究内容结论建议或对策实验的教学意图是什么？学生能从实验中学到东西吗？（2000）在实验教学中学生是否意识到教师的意图实验教学目标是实验活动所要达到的结果，实验意图是实验活动安排的原因。当学生了解到教师安排实验活动的意图时，在认知和情感方面将到达预期的目标。教师在把实验目标告诉学生的同时，也应该把实验意图清晰地告诉他们。演示实验：是教学工具还是娱乐之物？（2004）验证演示实验的效果，探讨预测、讨论对演示实验的作用被动观察实验并不比没有观察教学效果好，预测和讨论能提高演示实验的教学效果预测和讨论能提高演示实验的教学效果。题目研究内容结论建议或对策科学教育中的实验教学：21世纪的基础（2004）对从1982年到2002年20年间的实验研究进行总结和评述“菜谱式”的实验教学材料导致学生机械的操作；忽视学生的实践知识和能力的考核；教学人员和教学管理人员对合格的实验活动标准不了解；教师缺乏与探究相适应的实验资源。实验在促进学生科学学习方面具有潜力；要使学生不仅动手，而且动脑，教师需要有知识、技能和资源方面的保证；学生的行为和感受受教师的期盼、评价和教学资源导向的影响；教师要有能力了解学生在实验中的表现。实验活动真的有用吗？科学教育中实验活动效果的研究（2008）了解实验教学在操作领域和思维领域的效果实验教学对学生操作实物有效，而对用所学知识指导实验等“操作”观念的效果不好；研究还为评价和探讨实验的效果提供了一实用模型。无论多么仔细地指导，理论不会从观察中浮现出来。教师只要认识到这一点，实验的教学效果将会提高。从上面的代表性研究可以看出，研究人员大多来自美国、澳大利亚、加拿大、以色列、英国等科学教育研究较发达的国家。研究方法有教学实验、课堂观察、师生访谈、文献综述和思辩研究等。在这些研究中，除了一篇研究认为实验对学生的学习有积极作用外，其余的观点或研究的基础都是实验的功能与教学效果不匹配。具体的表现是：学生不能观察到教师想让学生观察的现象；演示实验反而强化了学生原有的错误认知；在实验中，学生按照“菜谱式”的实验步骤，寻找答案；学生在实验活动时只操作仪器，而没有“操作”思维等等。改进实验教学效果的措施包括以下方面：在课程上，要根据实验的具体贡献来确定实验的功能。在教学中，要把实验的教学目标落在实处；通过利用预测-观察-解释演示策略把实验与学生的前概念联系起来，使学生原有的认知与所学的科学对话；通过讨论使实验与学生个人原有认知、同伴的观点发生共鸣，最终实现学生概念的改变等等。对我们的启示：（1）国外实验教育功能与教学效果之间存在差距，在我国也应该具有同样类似的现象。（2）在我国，对实验制作和改进等硬件方面的研究较多，而对实验的教学和教学过程等软件方面的研究却不多。（3）国外的实验研究浪潮告诉我们应该关注实