从几则学生实验看英国物理实验教学，本文主要内容关键词为：英国论文,实验教学论文,物理论文,学生论文，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。
2008年秋天，笔者有幸随江苏省物理骨干教师培训班赴英国，在曼彻斯特(Manchester)参加了为期4周的学习考察培训活动。这期间，在英国同行的安排下，到曼彻斯特城市大学(Manchester Metropolitan University)物理实验室亲身体验了英国学阶2（Key stage 2,7～11岁）、学阶3（Key stage3,11～14岁）、学阶4（Key stage4,14～16岁）及16级后的几个不同学段的学生实验，感受到了英国物理实验设计的独到之处。现介绍如下，供各位物理同行鉴赏，或许能从中汲取有益养分供我国物理教育之营养。
一、几则学生实验案例
学阶2（Key stage2,7～11岁）实验：
力使物体产生运动或试图使物体运动。你面前的这些器具中哪些能产生力？解释所产生的力的种类以及与它们相对的力是什么。房间里还有哪些其他物体也受到你所发现的这些力的影响？写出房间中10件物品的名称并且判断他们是否受到力的作用，如果受到力的作用，那么这些力产生了什么效果或试图产生什么效果。
提供的器材：条形磁铁2块，粗细弹簧各1只，铁架台（包括铁夹）1只，橡皮筋，硬纸板，纸张，塑料尺1只。
学阶3（Key stage 3,11～14岁）实验：
核心（每人都必须掌握）：让一束光依次通过这些塑料模具。你发现当光线进入不同物质时都有什么不同表现？运用你的工具来演示光线在(a)潜望镜中以及(b)自行车或者汽车后视镜中传播的路径。
延伸（优秀学生需掌握——由你自己决定）：把两面镜子按照一定角度放在一起，测量角度的大小。把一枚大头针放在镜子前面，你从两面镜子中都能看到它的虚像的位置。弄清你所能看到的虚像的数量跟两面镜子间角度大小之间的关系。在生活中哪些地方能见到类似用法的镜子。
提供的器材：光源（激光光源，平行度很高），红、绿、蓝等各色滤光片，条形遮光光栅，半圆形、梯形玻璃砖各1块，平面镜片2块，大头针1枚。
学阶4（Key stage4,14～16岁）实验：
用大头针在50cm刻度处支撑起一根米尺。把一个不明质量的物体挂在支点的一边，用一个100g的物体在另一边使其保持平衡。弄清不明质量物体，100g物体以及他们各自离米尺中心的距离这几个量之间的关系。算出不明质量物体的质量。优秀的学生应该运用图表来找出这个值。
用烧杯装一杯水从不明质量物体下方匀速上升直到物体被完全浸没在水面之下，发生了什么现象？为什么会发生这种现象？从相关的各种力的角度解释。
提供的器材：铁架台（含铁夹）1只，木制米尺1只（中间有一小孔），光滑硬铁钉1只（可穿过米尺中间小孔），100g钩码5只，细绳圈4个，未知质量铁块1只，烧杯1只（装有水），坐标纸。
16级后实验（16岁后）：
建立一个电阻两端连接有电压表的串联电路。写出一个方程式来模拟这个回路。读取合适的读数以测量未知电阻的值。你应该使用图表来帮助进行实验。
如果用旧电池取代现有的电源可能出现什么情况？
提供的器材：稳压电源12 V，（电阻值可变）滑动变阻器1只，（电阻值固定不变）滑定变阻器1只，数字式电压表、电流表各1只，开关1个，导线若干。
二、几点个人看法
从几个实验的文字表达已经可以看出许多不同于我国物理实验之处，笔者通过做这些实验，听英国教师的讲解并与他们交流，体会其设计之精妙：这些实验有相当的难度，从严格意义来说，知识深度不一定高于我们，但在能力、实验方法、探究性、开放性、创造性等方面的要求却不在我国学生实验之下。现谈谈个人的看法，供同行们参考。
1.实验设计的探究性
探究作用是物理实验在物理学发展历程中最基本的特点，自伽利略明晰了实验在物理学研究中的基本角色以来，从经典物理到近代物理乃至于现代物理对基本粒子的研究——采用高能粒子撞击的方式研究物质结构，物理学中的很多理论、规律均由实验探究而来。如库仑定律、法拉第电磁感应规律、杨氏双缝干涉实验、查德威克发现中子的实验等等。从上述4则英国学生实验可以看出，他们重视并继承了物理实验的探究功能，从学生时代就学习、体验、领会运用物理实验探索自然规律的科学方法，培养学生的科学素质。
在学阶4实验中，测出不明质量物体的质量，没有实验原理、实验步骤提示，由学生通过实验寻找其中的规律性，然后通过“自己发现的规律”求取物体质量。面对不明质量物体、已知质量为100g的5只钩码，是同时改变它们的距离，还是改变钩码的数量和钩码的距离，两种方案中的变量是哪些等等，需要学生自己发现、选择和判断。实验的第2部分“匀速上升直到物体被完全浸没在水面之下”，操作难度、解释要求都比较高，实验现象及解释需要通过观察、研究从而探索得出自己的“科学”，自己的“物理规律”。
16阶后实验（相当于我国的高中阶段）涉及恒定电流问题，要求写出一个方程式模拟实验回路，而明确研究对象，界定问题，明晰已知、未知，变量与函数的选择则由学生自主探索。假设稳压电源电压
，则
，那么，哪一个是自变量，谁是函数要根据具体问题决定。英国教师建议较为准确的电路如图1，为什么不直接测量
两端电压呢？也给学生提出了问题，测量出实验数据后，怎样作图分析？坐标物理量是什么？标度等等需要学生自主探究。其实，作出
图像，再求出对应的斜率即为，这一过程难度比较大，经历这样的过程，对学生实验能力在理论与实践两方面的训练都有效果。“如果用旧电池取代现有的电源可能出现什么情况”，与原来的实验电路有很大区别，要考虑电源内阻，不再是稳定值，探究难度加大（转化为伏安法测电阻）。
图1
物理探究就要求采用自主、合作的学习方式，从实验探究性看出，英国中小学物理学习方式的追求与物理学科教育目标完全一致。我们在观摩英国其他中小学课堂教学时也有相同印象：小学二年级计算机课堂上，教师就是不告诉学生每台电脑的密码，小孩子倒腾了5分钟后才去教师那里取相应机器的密码卡片，教师和学生有足够的时间、耐心、信心去探究，教育理念有独特的思维方式。
2.实验过程的开放性
上面几个实验有共同特点：提供了一些器材，没有说明哪些器材需要，哪些器材多余，实验装置如何组成，完全开放，由实验者自行决定；实验步骤是开放的，由学生自行决定各小组做哪些实验，自己确定实验前后顺序，甚至各组做的实验数目都不相同。可见，在实验的各个环节学生思维开放性很强，只要围绕主题就行（主题是什么、怎样围绕主题也由学生自行决定），有较大的自由思考、操作空间。
学阶2实验中“你面前这些器具中哪些能产生力”，学生可能首先想到磁力，然后是重力、弹力，有些想到了摩擦力，更有些学生让纸片从空中飘落，分析物体受到空气阻力、浮力。可见，开放性与人的发散思维能力、操作能力紧密相连，“房间里还有哪些其他物体受到你所发现这些力的影响”，实验操作开放性达到了“仁者见仁，智者见智”的境地。学阶3实验：“延伸（优秀学生需掌握——由自己决定）”，是否选做此部分都由学生决定，从另一侧面反映了实验开放程度。
学阶3实验中“运用你的工具来演示光线传播的路径”，运用什么工具？怎样演示？有哪些传播形式？直线传播、反射现象、折射现象、全反射现象、色散现象都要演示吗？这些开放的实验问题提供给学生自主思考、合作交流、实验探索，广阔而有深度的学习空间，学生的求知欲、探索兴趣由此而产生，知识因此而得到综合，能力借此得到培养和提升。较大的开放性对学生要求比较高，在学阶4实验中有4个细绳套，不少学生只用到1个，没有思考另3只有无作用。其实，实验设计是需要的，因为，米尺悬挂点不一定是重心位置，两边不一定平衡，绳套是用来做初始平衡的，实验描述中没有提及，实验过程设计开放，由学生自主探究。
3.定性讨论与定量计算的有机结合
数学是研究物理学最有力的工具之一，无论是物理理论的表达，还是物理概念的形成，直到实验数据的分析、讨论都离不开数学工具，但是，数学归根结底只是工具，是为揭示物理本质服务，突出物理本质、解决实际应用问题才是目的。定性的讨论，定量的计算都是需要的，两者各有自己的作用，不可互相代替，没有定性讨论，不足以明晰物理本质，没有定量计算则缺少精密、逻辑和简洁。
这几则学生实验，比较全面地反映了英国物理教学对定性讨论和定量计算同样重视的鲜明特点。学阶4实验中“弄清不明质量物体，100g物体及他们各自离米尺中心的距离这几个量之间的关系”，实验时，学生可能经过探索得出诸如：“两物体距米尺中心的距离同时变大或同时变小”的定性结论，这些结论虽然重要，却不够完备。“算出不明质量物体的质量”——一个定量的要求拓展学生的实验探索，学生用两个物体与中心点间距离的倍数，可能找出物体质量，但属于包含较大猜测成分的定量关系。“优秀学生应该运用图表来找出这个值”——要求学生运用更为准确合理的图像方法求取物体质量。比如，画出未知质量物体
与
物体到中心点距离x与
关系，再画出
物体的x与
关系图像进行比较，可以更准确地求出数值。
从这几个实验看出，英国物理教学特别重视运用定量处理方法——图像方法分析处理数据，要求通过图像定性指出相应的物理意义，求出相关物理量。图像与物理过程紧密结合，数学的工具地位与揭示物理本质的作用紧密结合。另外，数学中的方程方法也得到了充分的探索性运用，比如在16级后实验“要求写出一个方程式模拟实验回路”。
4.教学要求的层次性
英国各级各类学校特别重视因材施教，使低层次的学生转变成合格学生，让优秀学生的潜能得到充分释放，“每一个学生都很重要(Every child matters)”，都应该有所发展，不能因为班级授课制而使学生变成统一规格，这样的教育理念在物理教育中得到充分体现。
学阶3、学阶4两个实验都明确：“优秀学生需掌握”“优秀学生应该运用图表来找出这个值”。从实验文字表达体现出对不同素质学生教学要求的层次性，在学生、教师、家长、社会之间准确表达了教学要求层次性，不回避、不闪烁其词。
此外，每一个实验都有递进的实验目标，比如学阶4实验：“几个量之间关系？”“算出不明物体质量”“运用图表找出这个值”“发生了什么现象？”“为什么会发生这种现象”，这几个实验目标难度从易到难，对知识、能力的要求也是从侧面到全面，从孤立到系统，体现教学要求的层次性，其他每一个实验也是如此，有多个递进的实验要求。这种层次性学习目标也是对学生的启发、引导，起到阶梯路标的作用。在探究、开放的同时，给学生以基本的方法或方向性暗示，避免一些无谓的毫无目标学习，节省有限教育时间，体现物理教育的引导作用，实验不至于成为学生的盲目探索。
5.重视学生的安全教育及其防护
英国学校十分重视学生的安全教育、防护，一切教育活动首先是在安全前提下开展的，例如，在中学物理中将“粒子，射线和量子现象”(Particles,Radiation and Quantum Phenomena)这部分学习内容放在了电场、磁场等教学内容的前面，让学生首先了解辐射危险和如何防护。
在实验室醒目位置都贴有“实验室守则”（“Laboratory Rules”）、“火灾发生时怎么办”（“Action in Case of Fire”）。其中，明确规定：“必要时要带护目镜”“实验内容有燃烧时，应该确保把头发梳结好”“液体实验时应该站立，确保流出时能快速离开”“在实验室内不允许将任何物品放入口中”等等详细安全要求和操作规程，在上面学阶3光学实验中配有护目镜，保护学生的眼睛。
学生安全技能、安全意识的建立和提高是学校教育的一部分，保证学生在校安全是学校的责任，物理实验在安全教育和安全防护这一领域理应有相应义务，英国中小学校的物理实验在安全方面的做法充分体现了以学生为本的理念，值得借鉴。
英国中学物理教学实行实验室授课，在专用实验室学习，教学过程以学生和实验为中心的方式展开，包括实验操作观察、记录现象或数据、回答问题，实验时间占全部教学时间40%～70%以上，教学以学生实验为主，演示实验为辅。会考有占总分20%左右的实验能力试题，包括在实验中测试学生的基本实验和观察能力，物理实验在英国物理教学中受到了高度重视。上面几个不同学段的实验反映了这一事实。
英国这块科学的沃土有浓厚的物理学底蕴，更有重视物理实验的传统，涌现出牛顿、法拉第、卢瑟福、焦耳、瑞利等等众多物理学大师，卡文迪许实验室更是闻名于世，人才辈出，当今的英国物理教育很好地将这一传统发扬光大，融实验技术和理论思维，大胆假设、探索与反复验证，敏锐的观察，独特的设计，与数学有机结合等等物理实验思想于物理教育之中，将学生实验素养的提高扎根于物理教育之中，值得我们学习和借鉴。