物理实验教学多元创新中的几个关系问题，本文主要内容关键词为：几个论文,实验教学论文,物理论文,关系论文，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。
进入21世纪以来，我国的中学物理教学改革进入一个新的阶段，课程理念发展，教学内容丰富，关注物理学的现代发展，关注与生活、社会的联系，学生学习的选择性有所体现，学习方式多样。物理实验教学也发生了许多变化，强调探究过程和培养探究能力，教材中的活动内容相当丰富，现代技术与数字化信息系统在实验中的应用极大地改变了实验教学的面貌，可以说实验教学在多元创新中发展。但实践中存在的问题也是显而易见的，一方面普遍存在不做实验、少做实验、以动画、视频替代实验的现象；另一方面在实验内容、教学方法、教学手段的创新上需要面对继承与发展的关系问题。
一、再论物理教学必须以实验为基础
在物理学建立前，人们就在不断地对自然现象进行探究，但还算不上是科学探究，直到以伽利略、牛顿为代表的科学家取得一系列成就以后，才奠定了物理学形成和发展的基础。实验、理论思维、数学工具的应用，这是物理科学方法的重要特点。实验作为重要的科学方法，可简化、纯化、强化、加速或延缓、重复与再现物理过程。科学实验具有发现规律和检验假说的功能。认识到实验的这些特点和科学功能，就不应当把实验与科学探究割裂开来。再从物理教学的角度看，加强物理实验是我国物理教学的历来主张。实验能有效激发学生学习物理的兴趣和求知欲望；能为学生创设生动的物理学习情境；能发展学生的能力，使学生掌握科学方法；实验还有利于培养学生的科学态度和科学精神。因此物理教学必须以实验为基础。这里就以下两点阐述物理实验对发展学生科学素养的重要作用。
1.激发学生的好奇心和求知欲
有位老师送我一个玩具，如图1所示，在一个大的金属圈上套有5只小环，让小环旋转起来，不一会小环就停止转动了。怎样能使小环旋转不息？让图中的大圈逆时针方向旋转，圈上的小环就能不停地转动了。我非常喜欢摆弄这个玩具，但我更想搞清楚其中的道理。为了简化条件，我把一只小环套在一根竖直铁杆上端，小环的内径比铁杆的外径略大，释放后可以看到小环沿直杆旋转着下落，下落加速度小于重力加速度。为什么小环不取纯下滑的方式运动？考虑到情景的复杂性，我选择一种更简单的情况着手讨论，即将一只小环放在斜面上，正视和俯视的情况如图2所示。由于重力的下滑分力使小环有下滑趋势，由于重力对支持点的力矩，要使小环转动，又因为小环对转轴的转动惯量最小，因此小环不是沿斜面下滑方向滚下，而是沿图中α方向滚下。若将小环套在直杆上释放，我们可把直杆的圆柱面想象为细密的螺旋形斜面轨道，小环就套在螺旋斜面轨道上滚动，其法线在不停地进动，下落过程中小环的重力势能转换为转动动能和平动动能（图3）。如果小环是套在金属大圈上的，小环在旋转下降过程中，对大圈轴的压力会增大，摩擦对小环机械能的损失也加大，最终小环会停止转动。如果让大圈顺时针转动，小环就会在圈轴的摩擦力作用下提升高度，使小环的重力势能增大，从而保持小环转动不息。
举上面的例子，想说出我亲身的感受，那就是我们的身边有许多令人好奇的事物，探究它们的奥秘是令人兴奋的。好奇是与生俱来的，但不可能自然而然地保持和发展好奇心。好奇心在一定条件下可以转化为求知欲，进而发展为科学的兴趣，由此形成的动机是一种内部的驱动力，通过观察和实验能有效激发学生的好奇心和求知欲，应当引起物理教师的充分重视。2010年诺贝尔物理学奖得主安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫给我们的启示——好奇，创新性人才的重要品质。目前的现实是，有许多学生对物理不感兴趣。培养学生的学习兴趣，应当关注学生直觉兴趣、操作兴趣和理论兴趣的协同发展。需要为不同的学生提供有利于发展个性特长的学习平台。例如，我们为学生提供课题“尝试制作一种非常规的直流电动机模型”（见《物理教学》2011年第6期），提供的器材有小型圆柱形磁铁（纽扣形磁钢）3～4只、铜丝（直径0.8～1.5 mm）、干电池1只，工具有手钳和小刀，请设计和制作一个直流电动机模型。要求制作的这种电动机没有换向器，没有支架，没有专用的底板。喜爱动手的学生可能通过尝试的方法，在不断解决问题过程中动手动脑，获得成功。
2.培养求实的科学态度
敲击酒杯会发出声音，加水后音调会发生改变。不少习题和试题中，要求学生回答声调是变高了还是变低了。学生回答不出来，于是问家长、老师或同学，他们从各种参考书中找答案，但答案不同，有的说音调变高了，有的说音调变低了，唯独没有去试一试。因为敲击酒杯是一种脉冲型的策动，初始声音包含的谐波很丰富，比较难鉴别音调。我们可以取高脚酒杯，用手指蘸水摩擦杯口的方法使酒杯发声（图4），增加杯中水量，发出声音的音调明显变低，实验使学生感到很惊讶，印象深刻。我们的学生十分缺乏“试一试”的习惯。
经过实验的训练，要求学生观察测量，如实地记录现象和数据，客观地分析发现的问题，不弄虚作假。经过实验的训练，要求学生考虑问题从事实出发，运用理性思维，靠事实检验，不轻信“权威”。这会影响一个人做人的根本，影响决策的思维模式和行为准则。
可以说，实验在培养学生的这些重要品质上的作用是不可替代的。
二、强化探究与基础性实验的关系
1.物理教学需要自然地引入探究的内容
上世纪80年代以前，我们的物理实验多半是为学习物理知识服务的，探究的缺失使实验失去了本来应有的生命力。加强实验的探究性是使实验向科学本质的回归，也是激励学生学习动机和培养创新品质的需要。物理教学需要自然地引入探究的内容。例如，探究小灯泡的伏安特性，先让学生猜测图象可能有什么特点，要求将电压从零开始逐渐升高，在低电压区采点密集一些，思考用什么电路，再进行实验，画出图象，分析图象特点：低电压区，中电压区，高电压区的特点，然后尝试解释这种图象的特点。再如，实验“用多用表探测黑箱中的电路元件和简单电路”，让学生思考：多用表如何使用？不同元件有什么不同的特征？应当用什么样的程序来探测？如何保证测量安全？如何判断电路的连接方式等。这样将使用多用电表的技能训练融入到探究中去，实验的效果就会更好。教学中还可为有余力和兴趣的学生提供不同的探究课题，如“探究辉光球周围的电场”，引导学生观察现象，运用探究的方法获得更多的信息，并用所学的知识解释现象（见《物理教学》2011年第1期）。
2.强化探究但不应忽视基础性实验
我们应当继承传统学生实验的优点，关注物理实验的基本思想和技能要求：包括使用基本仪器的规范要求；测量与间接测量的思想；控制变量的方法；等效替代的方法；黑箱方法；处理与评价数据的技能；偶然发现的追踪等。
【案例】用单摆法测量重力加速度。这是一个传统的经典实验，有许多巧妙的思想方法和技术细节必须通过学生的动手操作而体现出来。如：用间接测量的方法测量物理常数；用多次测量的方法减小偶然误差；用图象的方法处理实验数据等。实验中有一些不容忽视的技术细节：①如何悬挂单摆的悬线？②怎样测量摆长？请评价图5中的悬挂方式和摆长测量方法。③在什么位置开始计时和终止计时？为什么？为什么要测多次全振动的时间？④各直接测量量对加速度值误差的影响。还有用油膜法估测分子的大小、打点计时器实验的数据获取和处理方法等。这些基础训练都是必要和有益的。
三、关注探究的程式还是关注探究过程本质特征的内涵
在当前的实验教学改革中，对探究的认识存在一些误区，行为上有形式化的倾向，关注的是探究活动的程式。实际上，探究过程的本质特征是体现在一些重要的观念和科学方法上的，科学探究没有一成不变的模式，是灵活多样的。因此，应当关注探究过程本质特征的内涵。
1.给学生提出问题的机会
问题是探究的始点，发现一个有价值和可探究的问题关系到探究的意义。学生提出探究问题的价值在于揭示自我认知的冲突和开始意义的建构。教学中，应当创设情景给学生发现问题的机会。在实验观察中，可常向学生提出：你能否提出几个感兴趣而又不能回答的问题？
【案例】发现电池的内电阻
学习初中物理之后，往往给学生形成了一种错误的思维定势：电源给定后，电源的电压就是不变的了。它对学习闭合电路欧姆定律带来障碍。为此可以按下列设计进行教学：
演示与讨论：按图6连接电路，将开关逐一闭合（选用旧的干电池），观察现象，提出一个你感兴趣而又不能回答的问题。
学生1：U一定，并联电阻变小，电流变大；电流变大，为什么灯泡变暗呢？
学生2：U一定，通过每一个灯泡的电流不变，每个灯泡的亮度应当不变。
那么，什么情况下可能使灯泡变暗呢？
可能电源的输出电压变小。
验证与讨论：测量电源两端的电压，验证了上述猜想。
那么，为什么并联灯泡增多（并联电阻变小）时加在灯泡两端的电压（电源两端的电压）会减小呢？如果在电路中串联一个电阻（图7），能解释灯泡变暗的现象吗？灯泡合电阻变小，导致串联电阻上的电压变大，灯泡两端电压变小，所以灯泡变暗。
再猜想和验证：原来电路中的串联电阻可能在电池内部，即电池内有电阻存在（图8）。
用可调内阻电池实验，验证了内电压的存在，由此可知，电池有内电阻。
2.在形成假设上下工夫
科学发现的过程，自始至终都有思维的积极参与，问题提出后，常常需要预测问题的答案，即做出猜想和假设（假说），并以猜想和假设为探究的纽带。探究中有不同层次的猜想和假设：①猜一猜：随机猜想；②发散性的猜想：搜集一切可能有关的因素；③推断型猜想：以一定的经验事实和已有的理论为基础，经过逻辑推理，做出一定判断；④创造型的猜想：以表象为基元，通过联想、想象，运用直觉和灵感等非逻辑思维，并与逻辑思维结合，做出一定的猜想和假设。为中学生提供的探究课题，更多的是运用推断型猜想，既让学生提出猜想，还要让学生思考和学习依据一定的经验和理论提出猜想的方法。
【案例】探究求合力的方法
（1）教师演示：用3、4个砝码牵引橡皮筋，求两分力成直角时的合力（图9）。
（2）学生猜想：合力和分力可能有什么关系？
（3）学生实验：用两个弹簧测力计拉伸橡皮筋，验证你的猜想（图10）：
①让两个力之间互成120°，且与橡皮筋伸长方向成60°，实验并作图，你能看出合力与分力的关系吗？
②改变两个力的大小和方向，重复上述实验和作图，可以得到同样的结论吗？写出你的实验结论。
案例评价：探究互成角度的两个力的合力，由于学生缺少必要的经验和矢量合成的理论（运动的合成还没有学习），因此很难提出猜想，怎样为学生猜想提供铺垫，是本方案设计考虑的重要问题。该方案首先用演示实验，而且只演示一种特殊情况（成3：4的两个互成直角的力的合成），实验难度降低，通过它说明力的合成的概念，同时给出一些信息，为学生提供猜想的依据，而不是实验的结论。通常学生由此演示得到的猜想是：合力与两分力成直角三角形的关系或合力用矩形的对角线表示，如果两分力不成直角，则合力可能用平行四边形的对角线表示。这种猜想是有道理的，但也只能是一种可能性的猜想。然后，选用一种有较大尝试空间且操作难度较小的实验方案，让学生动手实验。首先尝试在另一特殊情况下实验，进一步支持了“平行四边形对角线”的猜想，然后验证这种法则的普遍性。
3.把验证性实验都改成探索性实验吗
实验验证是物理学研究的重要环节。实验有归纳和验证两种，都是探究的不同方法。科学探究中常常出现：同一个问题，同一个现象，可以用两种对立的假说来解释。所以验证的结果常常是对对立假说的判断。通过实验验证使真理得到肯定，使谬误得到否决，既支持科学家的远见卓识，又帮助科学家向着正确的方向去发现真理。因此，我们不能一概地否定验证性实验，具体采用哪种实验模式需要具体分析。例如，把历史上自由落体运动的探究引入课堂，自由落体的学生实验就没有必要改变其验证的性质。在阐述了伽利略的研究过程后指出，当年由于实验条件所限，伽利略用斜槽实验间接验证了自由落体规律，而无法直接对落体运动进行定量研究，今天即使在中学实验室里，我们也已经具备了足够的技术条件，让我们直接验证落体运动的规律。再如，牛顿第二定律的实验可以作为探究性实验，让学生探究加速度与外力和质量的关系。对于动能定理，完全可以从牛顿定律推导而来，因此没有必要改为“探索性”实验。
四、实验技术创新与传统实验手段的关系
1.将现代技术与物理教学整合是物理课程发展的必然趋势
在物理实验教学中应用现代技术是时代性的反映与要求，现代技术与物理实验教学整合主要有如下几方面：数字化信息实验系统的应用；摄影、摄像技术在实验中的应用；网络支持探究实验的应用；其他现代技术的应用等。《物理教学》上发表了许多应用现代技术于物理实验的研究成果，极大地推动了实验的发展，提高了实验教学的质量。传感器技术、计算机技术、摄影摄像技术、多媒体技术、网络技术等进入实验教学领域，使实验教学的面貌发生很大的变化。我们在关注新技术应用的同时，也应注意扬长避短、优化实验教学。教育是以人的发展为目标的，因此应用新技术必须考虑学生的心理特点、认知特点、具体目标等因素。现代技术有自动化的特点，如果滥用，可能会削弱学生的思维活动和动手活动。因此应充分发挥和利用现代技术的优势，优化实验教学，同时也要处理好应用现代技术与学生特点、传统实验手段的关系。
2.提倡随手取材、应用自制教具实验
随手取材和自制教具的实验不是权宜之计。这是由它的特点决定的，因为用这种资源实验使学生感到亲切，能吸引学生积极参与；常常出于教师的创造，能满足教学的需要；常常体现“小实验，大智慧”，蕴涵着创造教育的因素，另外成本也比较低廉，易于普及。这些特点体现了教育现代化的思想精髓。因此，这类资源会随着技术的发展而发展，不会随现代技术的发展而消亡。
“非常规实验资源”的研究和应用，思路可以很广阔，可以改造一些难做的实验，可以增加一些学生的课堂和课外活动，可以提供一些小型的探究课题，也可以创建各种实验校本课程。《物理教学》2010年第12期至2011年第5期，每期都有一个“非常规”物理实验专题的介绍，说明开发随手取材、应用自制教具实验的教学功能是很有意义的。