让物理实验回归物理探索的本义，本文主要内容关键词为：本义论文,物理实验论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
21世纪需要在个人素质、学识和经验、合作与交流、创新与决策等不同方面都有足够潜力与修养的人才。为了适应世界科学技术进步和可持续发展的要求，中学物理教学肩负着提高21世纪人才的科学素养、促进其全面发展的重任，其目标要求之一就是培养学生的科学探究能力，这也是新一轮基础教育课程改革的重要教学目标之一。物理实验是高中物理教科书中的重要内容，在某种意义上也是物理探究式教学的重要载体。物理学科的特点也说明，物理实验能力是科学探究能力的重要体现。为了适应时代和课改的召唤，各省市不同时期不同程度地进行教学改革，物理学作为一门伴随着人类社会实践的发展而发展起来的科学，是一门以实验为本的自然科学，必然走在了此轮教学改革的前列。但回顾物理学产生和发展的过程，可以看出物理实验自始至终都占有极其重要的地位。所有的物理知识，都是在实验的基础上建立起来的。高中物理实验及其教学是物理课程和物理教学的一个重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容、方法和手段，在培养学生科学素养的教育中具有独特的地位和全方位的功能。高中物理教学的改革自然要从物理实验教学开始。
一、高中物理实验教学的重要意义
《普通高中物理课程标准（实验）》明确提出：实验是物理课程改革的重要环节，是落实物理课程目标、全面提高学生科学素养的重要途径，也是物理课程改革的重要资源。其重要意义表现在以下两个方面。
1.物理学科意义
通过实验可以使物理教学理论联系实际，引起学生学习兴趣，引导学生发现问题，激发其求知欲望，从而调动他们学好物理的主动性和积极性；引导他们热爱科学。通过加强实验，不仅可以使学生具备一定的感性认识，更重要的是使学生进一步理解物理概念和定律是怎样在实验基础上建立起来的，从而有效地帮助学生形成概念，导出规律，掌握理论，正确而深刻地领会物理知识。
2.能力素质意义
通过实验培养学生的观察能力、思维能力、自学能力以及发现问题、分析问题和解决问题的能力；培养学生良好的实验方法以及基本的实验能力和动手能力，并且在此基础上进一步培养他们的独立工作能力和创新能力；通过实验培养学生从事科学研究应当具备的严格的科学态度，科学的思维方法，严谨的科学作风，逐步学会物理研究中基本的科学方法。
二、高中物理实验教学的现状及分析
物理实验教学现状还是不容乐观，归结起来，主要有教师、学生和评价体系三个方面的问题。
1.教师的主要问题
（1）学校和教师受传统教育的影响，普遍存在着重理论轻实验的思想
不少高中学校对物理实验重视不够，而且实验教学的效果也不理想。在部分教师的教育观念里，口头上讲素质教育，实际上还是重理论、轻实践，重分数、轻能力，只关心考纲考什么，学生考试分数如何，而很少问学生做了什么，能力如何。尤其是物理学科，由于教学中的“书本上讲实验”“黑板上开机器”现象的存在，本应在生动、有趣的实验中，通过学生自身的感受、自己动手建立和发展起好奇心和求知欲，在老师枯燥无味、晦涩难懂的理论说教中泯灭了。
（2）实验教学模式僵化，物理实验教学的基本原则没有得到充分和灵活运用，教学方式呆板
当前，实验教学从教学内容到教学方式都没有给学生留出足够的发展空间。就分组实验来说，教材从实验目的、实验原理、仪器、操作步骤到注意事项，写得面面俱到，然而每次实验课教师还要花相当长的时间根据教材讲实验目的、原理、实验步骤、注意事项、误差分析等，然后学生照着现成的实验步骤或跟着教师动几下，取几个数据，实验就算完成了。学生草率完成、凑数据等现象屡见不鲜。这样的实验课，实际效果是不言而喻的。
综上，教师在实验教学中的教学理念和教学行为出现的偏差，其核心是教师观念有待更新，素质有待提高。
2.学生的主要问题
（1）对基本测量仪器的使用不规范
学生在基本测量仪器的使用中，具体表现为，使用某些仪器不知道调零或者不会调零；不明确仪器的测量范围，不会正确选用合适的仪器进行测量；没有掌握仪器正确的使用方法；不能正确地读取数据。
（2）动手操作能力差
学生在实验仪器的操作过程中手忙脚乱，不知所措，程序颠三倒四。例如，测量未知电阻的阻值时，虽然能画出电路图，但实际连接电路时错误百出。
（3）以“背”实验结论“代替”实验操作
当一部分学生拿到实验题目后，首先做的不是根据题目要求设计实验方案进行实际操作、依据实验记录推出实验结论，而是只凭脑子里死记硬背的知识，机械地默写实验结论，以“背”实验结论“代替”实验操作。
综上，学生在实验中表现出的问题，其核心是学生操作技能明显滞后于理论知识的掌握。
3.评价体系的问题
现实教育中，学生实践能力的教育和培养还存在着诸如学生实验在一些学校没有让学生进行实际的操作，学生的实验能力也不能进行评价，实验操作评价理论与实践缺乏全面的深入整合，难以找到可行的评价标准。学校的教育评价很多时候只是简单的文化课的考试，即使是具有权威的“高考”也不能对实验操作、亲身实践等环节进行直接评价，我们深思这种状况，其结果是学校、老师和学生都忽视了实验的本真意义。
学生实践能力的评价缺失，其核心问题是缺乏科学的可操作性评价体系。
三、高中物理实验教学研究的现状
针对高中物理实验教学现状，广大学者和物理教师对高中物理实验已经开始着手分析和解决实验教学中存在的具体问题。研究的内容也比较丰富，但综合来看，主要有如下三个方面。
1.开始关注实验教学的功能
从具体的实验教学模式出发，提出各种实验教学模式，并探讨这些模式所能起到的对于学生发展的作用的提高。例如：“以实验为基础”的启发式教学法、高中物理实验探究教学的探索和实践、中学物理实验情境教学研究、中学物理实验探究式教学研究、设计性物理实验的设计与实施研究、高中物理实验探究式教学的实验研究、探索性物理实验的教育功能及其设计的研究、开放式中学物理实验教学研究等。
2.对学生实验能力的评估
实验能力是学生实践能力的重要组成部分。培养学生的实验能力是培养学生实践能力的重要途径之一。通过开展学生的实验能力评价和测试的研究，客观评价学生的实验能力，引导实验教学深入、有效和可持续的发展，进而推进实验教学的改革和教师的教学水平的提高。例如：中学物理实验误差分析能力的培养初探、中学物理实验能力评估研究等。
3.对中学物理实验的评价问题的研究和探索
根据高中物理课程内容标准明确对科学探究及物理实验能力的要求，依据课标对学生实验能力的要求，研究和探索中学物理实验的评价问题，例如：中学物理实验教学目标分类测量与评价体系、中学物理实验教学目标的分类测量与评价初探等。
毋庸置疑，以上各种研究和探讨，不论从哪一方面，对于中学物理实验教学改革都能起到很好的导向作用。但遗憾的是，很多研究还只是停留在如何在现状的基础上加以改善，使之更适合素质教育的要求，让学生通过实验实现“三维教学目标”。
要想从根本上改变现有物理实验教学的现状，我们首先要弄清楚物理实验教学的逻辑起点和终点。
四、高中物理实验教学的起点和终点
1.实验教学的起点：课题性问题研究
教学中的科学实验与科学研究实验，从本质上讲是基本一致的，对于实验者来说都是探索未知、检验假说、证实真理的实践活动。实验由问题或任务开始，需要经历提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估交流与合作等环节，这是一个探索的过程。实验是“实验者人为地制造现象，对产生现象的情境或影响现象的条件加以操纵、变化与控制，从而进行观察”，实验“不是始于观察而是始于问题，但又同观察有着密切的联系。一旦科学家对自然界的某种现象产生问题时，他就有一种强烈的探索欲望，试图通过有目的的观察加以解决”。可见，教学中的科学实验与科学家进行的科学实验一样，其起点应该是问题，但不是一般性问题，而是课题性问题。以课题性问题或任务作为实验教学的起点，意味着学生犹如科学家一样面对的是未知问题和困难，这是落实新课程标准倡导的“自主、合作、探究”教学的需要，也是实现“不给学生奉送真理，而要让学生发现真理”重要思想的必要条件。这种前提条件，有利于调动学生学习、探索的积极性和主动性，把猜想、假设、设计和合作、对话、交流融入实验之中，使学生真正成为教学的主体，能真实地参与科学实验的过程，主动建构知识意义。只有这样，实验教学才能有效地在“过程与方法”中促进学生的认知发展，促进学生对科学“知识和技能”的建构和掌握，提升学生的“情感态度和价值观”，培养学生全面而有个性的发展和创造性精神。课题性问题作为实验教学的起点，符合课程标准的新要求和新目标。
国家教育部颁发的科学课程标准突出强调“让探究成为学习的主要方式”，建议“教学中应注意对学生进行发散性提问题的训练，一般安排在探究活动的起始阶段；鼓励学生大胆猜想，对一个问题的结果做多种假设和预测；教育学生着手解决问题前先思考行动计划，包括制定步骤、选择方法和设想安全措施；能运用已有知识做出自己对问题的假想答案；能根据假想答案，制订简单的探究活动计划”等。因此，实验教学只有从问题开始，才能真正落实上述各项建议。以课题性问题作为实验教学的起点，不是简单的操作问题，而是转变教师教育理念的问题。“低估学生学习的潜能比高估更可怕”，“用教材教，不要教教材”，“让学生参与类似科学家所经历的过程”，这些论点都深刻地反映了先进的教育理念。只有具有这种教育理念，教师才能相信学生，正确评价学生的能力，才能从课题性问题开始展开实验教学活动。值得注意的是，在以往的实验教学中，我们过分强调实验教学的“目标”和“验证性”这两个特点，淡化了科学实验的“过程与方法”“情感态度与价值观”方面的目标特点。
2.实验教学的终点：在“知识与技能”建构的同时，提升学生的“情感态度与价值观”
教师往往从已知结论出发设计实验教学的起点，并监控整个教学过程。这类教学设计提供给学生的是一条既省时又省事的直达终点的捷径，学生只能经历一个没有问题、不需要猜想与假设、不需要制订计划与自主设计实验、不需要思维的操作性实验与收集证据。这种人为简化的线性教学失去了过程性、探究性的特点，久而久之，形成了以结论为逻辑起点，以知识与技能为本、以教师和课堂为中心的实验教学模式。这种不需要猜想、直觉、想象，不需要实验设计，不需要深层次思维过程的实验，失去了实验教学应有的意义和作用。
物理实验教学的终点与其起点和具体过程有直接的联系。“探究既是学习的目标，又是学生的学习方式。亲身经历以探究为主的学习活动是学生学习的主要途径”。以“过程与方法”为轴线开展实验教学，既重视学生“知识与技能”的建构，又强调学生“情感态度与价值观”的提升，应是开展实验教学的最终目标，即终点。换句话说，具体的实验仅仅是手段，是学生有效的认知工具，实验教学的根本目的在于培养有创新意识、创新精神和创新能力和全面发展的人。在当今时代，“研究被认为是人类的一种生存方式。每个人都可以像科学家那样发现新知识，生产新知识。教育应当使学生成为研究者，或者说让学生在学习过程中像研究者一样地去工作、思考和发展”。我们相信，只有这样的实验教学过程才能焕发师生的生命活力，促进他们生存方式的转变。
五、物理实验应回归物理探索
探索有多种理解，其中之一是，多方寻求答案，解决疑问。此处所说的探索就是让学生从实验教学的起点——课题性问题的研究出发，在教师指导下，充分调动学生的个体积极性，让学生去提出问题、设计方案、解决问题，并且在此过程中掌握科学概念，发现科学的基本规律，掌握技能，发展能力，同时培养学生良好的个性品质。
1.理论支撑：建构主义教学观
建构主义教学观的基本内涵可概括为以下三个方面。
（1）学习在本质上是学习者主动建构心理表征的过程
学习在本质上是学习者主动建构心理表征的过程，这种心理表征包括结构性的知识，也包括非结构性的知识或经验。学习不是把外部知识直接输入到心中的过程，而是主体以已有的经验为基础，通过与外部世界的相互作用主动建构新的理解、新的心理表征的过程。
（2）教学过程是教师与学生对世界的意义进行合作性建构的过程
教师和学生分别以自己的方式建构对世界的理解，其对世界的理解因而是多元的，教学过程就是教师和学生对世界的意义进行合作性建构的过程。
（3）建构主义学习环境由情境、协作、会话和意义建构四个要素构成，教学策略是以学生为中心
建构主义学习环境由情境、协作、会话和意义建构四个要素构成；建构主义的教学策略是以学习者为中心的。“以学生为中心，在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，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。”
通过以上三个方面可以看出：“知识的获取是一个主动的过程，学习者不应是信息的被动接受者，而应该是知识获得的参与者。”“认知是一个过程，而不是一个结果。”“教一个人某门学科，不是使他把一些结果记下来，而是教他参与把知识建立起来的过程。”因此，要重视学生的主动性，让学生自主的参加知识的获取过程，从中找出规律，探索性地追求知识、掌握知识。让物理实验教学回归探索中去，就是要使学生在学习过程中经历与科学工作者探究科学本质的相似历程。其核心思想是，以课题性问题为起点，以实验“过程与方法”为轴心开展教学，力求使学生主动建构“知识与技能”，提升“情感态度与价值观”。由此可见，让物理实验回归物理探索中去是符合建构主义教学观的，是对建构主义教学观在具体学科中应用的表现。
2.案例分析：实验回归探索的实施过程
（1）老师提供课题性问题
不论是课堂演示实验、学生分组实验，还是在物理教学中，老师发现的有利于提高学生“三维教育目标”的相关知识，都可以作为课题性问题提出来。例如在学习到人教版高中课程标准实验教科书物理选修3-1中的《恒定电流》一章时，老师可以提出“如何测定电池的电动势和内阻”这个课题性问题。
（2）学生独立思考设计解决方案
学生在原来知识和经验的基础上，如在《恒定电源》一章的第一节学过《电源和电流》，知道什么是电源以及其工作原理；在第三节学过《欧姆定律》，知道电压、电流和电阻的关系；在第七节学过《闭合电路的欧姆定律》，知道U=E-Ir的含义及其应用等。通过学生的猜想、想象甚至是直觉，形成各自的实验设计方案。在此过程中老师不可以作有提示性的讲解或暗示，以免造成“先入为主”、学生的思想跟着老师走的不利影响。
学生提出的方案可能良莠不齐，提出的方案可能有如下方案：
方案一：待测电源、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、电线若干，采用电流表外接法。
方案二：待测电源、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、电线若干，采用电流表内接法。
方案三：待测电源、电流表、电阻箱、开关、电线若干。
方案四：待测电源、电压表、电阻箱、开关、电线若干。
方案五：待测电源、多用电表。用多用电表的电压挡测电动势，用欧姆挡测内阻。
老师不要轻易否定或肯定学生的设计方案，要尊重每位同学的研究成果，可能他设计的方案是错误的，但其思考设计方案的过程就是其思维能力成长的过程。错误的设计方案在接下来的研究中，会使他无法解决问题，这时学生知道了他的研究方案错在哪里，也是宝贵的教学资源。
（3）了解器材，自由选择器材
在此过程中，让学生自己到实验室自由选择自己所设计的方案要用到的各种实验器材，老师要做的不是给出他们所用器材的类型，而是在学生选择好器材后，指导学生阅读实验器材说明书、实验安全手册等资料。自主学习各类器材的性能、构造、原理、注意事项以及使用方法。教师的角色是实验技术人员，为学生学习提供服务和帮助。普通干电池的电动势大约1.5 V，在了解电压表的使用规则后，如果他选择的是0～15 V的电压表，就知道要换成小量程的电压表了。方案五中用多用电表的欧姆挡直接测量待测电源的内阻，通过学习欧姆挡使用的相关规则后，就会发现欧姆挡只能大约测量被测电阻的阻值，在日常生活中，主要用来估测电阻。由此可见，通过评估后，方案五是不可行的。
（4）按照设计方案组装电路，尝试解决问题
学生按照自己设计的方案，在确保人身安全和器材安全的前提下，自己进行电路的组装、操作、数据处理、结论分析等一系列步骤。教师以提问和让学生操作表演的形式，把握每个学生对实验器材的掌握程度和使用情况，并及时纠正、指导、示范。教师也可以组织学生在小组内互设故障游戏，相互检查、互相交流，纠正不当的操作行为；在评估中让学生吸取经验教训，改进探究方案。
在设计方案或对实验器材组装、操作过程中，当学生无思路或思维受阻时，在判断学生困惑所在的基础上，教师要创设新的问题情境，再次帮助、指导和激励学生。如教师难以做出判断时，要查看学生的体态语言和所画的图、所写的关键词等，然后进行判断并创设新的问题情境。这种判断能提供子级问题，这些子级问题在交流循环中可能进行数次，如提供实验条件（包括实验器材使用说明书），鼓励学生自主设计实验方案，选择实验器材。教师介入过早会剥夺学生解决问题、发现答案的机会，但介入过晚也有可能使学生因为问题难以求解而失去探究的激情和兴趣。教师必须选择好时机让学生领会实验探究的意义，切忌轻易地告诉学生现成的设计方案和现成的结论。
（5）大胆质疑，对得出结论进行讨论
鼓励学生对实验结论进行质疑，或者进行讨论，在师生对实验评估的基础上进行学生之间的交流合作。以上五种甚至更多的探究方案都会得出相应的实验结果。这些实验结果可能各不相同，哪些是正确的，哪些是错误的，错误的方案错在哪里，老师应组织同学进行充分的交流讨论，各自阐述自己实验设计的思想，以及对他人实验方案的一些认识。老师在此过程中，其角色就是一位组织者，组织学生讨论交流、反思。只有当学生就某个问题争论不下，双方都不能将对方说服的情况，引导同学们向正确的方向再次讨论，例如方案一与方案二，选择的器材是一样的，但不同之处是采用电流表内接法与外接法，使得测量结果有较大的差异。如果同学们准确指出问题所在，那么老师只要做一名合作者。如果双方都不能正确解释两种方案的差异，老师则应引导学生分析电流表内接与外接的差异，指出：采用电流表内接法，电压表测的是滑动变阻器的电压，但电流表测量的只是流过滑动变阻器的电流，比干路电流要小；采用电流表外接法，电压表测量的是滑动变阻器的电压，比路端电压小，电流表测量的是干路电流。通过以上分析后，再次引导同学们进行讨论，由于电压或电流的偏差，得出的电源电动势和内阻会出现怎样的偏差。通过一系列讨论、引导、再讨论，师生共同努力得出如下分析过程：
测定电池的电动势和内阻，如图2所示为电流表外电路“外接法”，则有
我们也可以用图象法得出以上结论。同样道理，得出方案三与方案二是一致的，方案四与方案一是一致的。
让物理实验回归物理探索的本义，使课堂、学生、教师都“活”起来了。这样的物理实验，使学生的学习由被动学习变为主动参与探索，主动合作与交流，产生了积极的学习兴趣和探索知识的愿望，科学探究及物理实验的能力明显提高。在物理实验中，教师的职能从传授变为指导与参与者，学生的学习目标从单一到综合，学习的空间从封闭到开放，从课内向课外、向社会延伸，学习的过程从认识到实践，思维训练得以拓展，使学生的整体素质得到提高，使学习能够真正学以致用。同时，教师又能思考和发现教学中存在的问题，反思、改进和创新教学，促进学生全面发展。
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