中学物理实验探究性实验初探

中学物理探究性实验初探

[摘要]：

物理探究性实验教学的开设，激励了学生的个性和已有经验得到充分的发挥，改变了过去由教师包揽教学的局面，给了学生更多的思考、探索、实践的时间和空间。训练学生学会合作探究的能力，体现和提高学生的情感、态度、价值观，培养了学生严谨的科学思想和研究方法，提高了学生的建模能力，展示了学生的研究思路和才能，延伸了学生的学力。使学生的实践能力、创新精神和可持续发展的综合素质都有较大的提高。

[关键词]：

质疑探究能力、合作交流、学会研究、可操作性

课题背景

物理学是一门以实验为基础的学科，对物理教学来说其重要方面之一是实验教学与理论教学相结合，因为通过实验可以更有效地让学生体验科学发展和知识形成的思想和方法。通过联系实际问题，培养学生的实践能力、创新精神、可持续发展和适应将来社会的生存能力。“二期课改”总体要求，就是要确立在学习中以“学生为主体”的地位，关注学生已有经验、兴趣爱好和个性特长。实现知识与技能、过程与方法、情感态度价值观为一体的教学目标。

著名物理学家杨振宁说：“我在中国学的方法是演绎法，我发现这完全不是费米、泰勒等人的研究方法，他们是从实际实验的结果中归纳出原理，是归纳法。我很幸运这两种研究方法的好处都吸收了，这对我的研究工作有很大的影响。”这段话表明实验作为一种研究科学方法，对人的培养有着一种特别的作用。

探究性实验是努力改变学生“接受学习”的传统方式，建立一种让学生“主动参与、乐于探究、交流合作”的学习方式。配合“二期课改”中的拓展性课程和研究性课程，使之相辅相成。通过探究实验，有效地促使学生关注和联系实际问题，体验科学发展和知识形成的思想和方法，掌握知识的本意和正确的结论。使学生的意志、毅力、情感、价值观以及与他人的合作交流精神有所提高。也促进了学生在理论学习方面的学习效果，提高了学生的总体学习能力和学习水平。

一、探究性实验在教学中的作用

普通实验是在已有的规范程式下由教师指导、帮助完成的，主要为解决学生的基本知识、基本方法、基本技巧，要求学生达到会做规定实验的基本目标，但缺少培养学生创新精神的功能。为促使学生在新材料、新情境、新问题面前勇敢地质疑，提出问题。改变学生传统的“接受学习”方式，建立一种让学生“主动参与、乐于研究、交流合作”的学习方式。探究性实验教学的开展，能在已有的基础上有效地激励学生的个性和已有经验得到充分的发挥，改变过去由教师包揽教学的局面，给学生以更多的思考、探索、实践的时间和空间，训练学生学会独立和合作探究的能力。不但要能做引入性实验、验证性实验，还要能做探索性实验，不但要能做实验、巧做实验，还要能根据学习和社会生活中的碰到的事例提出问题、选择课题、设计实验，探究事物的运动规律。通过探究性实验的学习和研究，可帮助学生摆脱传统

教学思想的束缚，鼓励学生的独立意识和创新精神，培养学生严格的科学思想和研究方法，提高建模能力，提高学生的情感、态度和价值观，延伸学力，展示学生的研究思路和才能。使学生的动手实践能力、学习理论的内部需要、学习水平等综合素质有较大提高。

二、探究性实验应注意的原则

1、探究性实验课题的选择，有较强的开放性、实践性、探究性，所以要注意不同学生的学习群体的认知结构的差异、学生的基础水平，做到有所区别、有所侧重、有的放矢。既要体现学生的自主性，也要结合教师的指导、参谋服务作用，创设师生平等、互相尊重、合作交流的教学氛围。从学习、社会生活生产中选择具有实际意义的事例作为课题，但并不是每一项知识都适合学生用探究方法来实验的，应根据具体情况，作合理的选择，使课题有较强的科学性和可行性，突出知识本身的特点，安排探究方向和重点，由易到难，逐步提高。使学生从中既能学到探究的思想方法，实践操作的本领，又能通过质疑、反思、实践操作，交流、讨论、归纳、修正数据获得成果，得到成功的愉悦。

2、任何实验必须根据确切的物理原理，如天平就是根据力矩平衡的原理设计制作的，这些实验原理可以是物理定理、定律或规律。探究实验是在学生学习了一定的基本概念、定理、规律，掌握了一定的仪器使用方法，控制变量的实验方法等基础上进行的，所以，设计和进行一个实验，必须有清晰的物理原理。这也是一个对学生所学知识的梳理、选择、整合的过程。

3、由于探究性实验中涉及较多的仪器器材的应用，有些还需学生自己动手制作相应的实验构件，所以要注意几个设计原则。

(１)科学性，科学的方案必须有科学的理论依据和正确的表达方式。

(２)安全性，方案设计时必须考虑安全、可靠，不会对人和仪器、器材造成伤害或损害。学生由于生活实践经验不足，有时考虑会欠妥，所以，教师在安全方面必须予以指导、提醒和把关。

(３)可操作性，方案的设计应便于操作、观察、数据测定、数据处理，以便得出正确的科学的结果。

(４)精确性，所使用的仪器应选择相应的精密度，操作人员应把握正确的观察测量方法，如在测时、测距要能读取正确的数据。尽可能选择误差小的方案，并在实验具体实施前应对方案进行评估，使实验误差控制在允许的范围内。

三、探究性实验的教学过程

1、问题的提出

物理研究始于问题，问题的提出对物理研究意义重大。物理学家海森堡说：“提出正确的问题，等于解决了问题的一半”。从这个意义上讲，应培养学生的“问题意识”，鼓励学生提出问题，使学生在新材料、新情境、新问题面前勇敢质疑，这样学生就不再是消极的接受者，而是积极的探索者。在学生提出的问题中，可以选择探究性学习的课题，同时，作为指导性学习，教师可提出问题让学生讨论，从中选择课题方向或内容。实践中，学生提出的问题和方案很多，如：测弹簧玩具手枪子弹出口速度；测弹簧玩具手枪枪机弹簧的劲度系数；

自行车行驶中所受阻力和风阻对自行车的影响；家用电器实际功率的测定；不用卷尺测楼房高度；太阳辐射功率等等。

2、方案的确定

问题提出后，要进行选择评估，由于各人思路不同，同一问题会提出多个方案，有的方案在科学性方面，即理论上是成立的，但在探究性实验中，实际操作上不可行的，有的方案在科学性方面存在明显的缺陷，是不可行的，对于这类问题，我们不能简单地否定，而要给予适当的解释、引导，否则会影响学生的积极性。经过大家的合作交流探讨，确定方案后，就要制定计划，安排各人分工负职，准备测量器具，制作相关实验构件，记录实验数据，撰写探究实验报告等工作。

3、方案的实施

如：测弹簧玩具手枪子弹出口速度实验。

Ａ根据竖直上抛运动规律，只要测出弹丸上升到最高点所用时间ｔ，据ｖ =ｇｔ，就可测出弹丸的出口速度。该方案理论上成立，但在实验中发现弹丸处于动态中，从出口到最高点的时间ｔ测不准。于是改为测弹丸经最高点返回原出发点的时间，然后忽略空气阻力，据运动的对称性，得运动时间ｔ，计算出速度。实际上这是同一类问题，都是测运动时间ｔ时不能正确测定，不能得到正确结果。于是有学生提出，在枪口同一水平面上置一纸板，中间开一小孔，让弹丸从小孔射出，弹丸返回时击中纸板，听到响声立刻停表，这方法很好，解决了返回时刻不可测难题。但马上又发现新问题，听到响声立刻停表，这里还存在一个人的反应时间，即使用千分之一秒表替换百分之一秒表，也不能解决这难点。显然实测时间大于实际运动时间，实验误差太大，结果不理想。Ｂ根据平抛运动规律，利用平抛运动中物体的水平方向位移和竖直方向位移的等时性，摒弃了运动的时间量，只要测出落点高度和水平位移即可计算出弹丸的出口速度。用公式： h=1/2gt 2.s=vt,即可计算出v=s/t。我指出了方案的可行性，并为提高实验精度，提醒应注意的几个问题：1）用水平仪校正弹丸出口速度的水平方向。2）适当增加枪口离地高度，以增加运动时间，减少误差。学生们理解了实验中注意的要领，操作时互相探讨改进，提高了实验的精确度。对实验结果进行数据分析时，学生考虑的相当全面。由于空气阻力的影响，水平位移的实测值会小于理论值；弹丸运动的时间将大于理论值。据对公式v↓=s↓/t↑的分析，可知测量结果计算得到的值将小于弹丸的实际出口速度。又考虑到玩具手枪弹丸的运动速度不大，空气阻力对它的影响较小，故只对计算结果略作修正。经多次实验测定，取其平均值。最后学生得到了较为精确可信的玩具手枪子弹的出口速度。

这个探究性实验的结果较为理想，在此基础上我们又有意识地进行了问题的拓展，既然我们得到了子弹的出口速度，那么，相应地我们可以求得子弹出口时的初动能；根据动能定理，又求得了枪机弹簧对弹丸做功的值以及枪机弹簧被压缩时具有的弹性势能；进一步，我们又测出枪机弹簧被压缩时的形变量 X，据W=?KX2，又测出了枪机弹簧的劲度系数K。通过对实验中出现的问题，再一步步予以解决的过程，使学生了解到科学探究的过程中会碰到许多困难，不会象纯理论学习中那么简单，每一步都要经过艰苦的探索。

学生掌握的知识有感性具体阶段、理性抽象阶段和理性具体阶段，这三个阶段反映了三个不同的认知水平，它们既有区别，又有联系，并且呈递进关系。它引起学生认知结构的整

合和重组。而从认同到重组，从接受到探究，是学习心理质的飞跃，这种飞跃不是自然形成的，而是由外部的激励和内部需要的知识量的积累，而导致的质的变化。探究的过程，反映了学生由认同思维向创新思维发展的过程。探究性实验教学的目的，正是有意识地促进这一演变的进程。

我们又做了其它几个探究性实验，如测定自行车行驶时所受的阻力与车速的关系。车所受的阻力，包括轮子与路面间的阻力，自行车内部的机械摩擦阻力，相对于车速的空气阻力等，学生应用控制变量法，在路况、车子内部机械摩擦一定的情况下，空气阻力就较容易测出。对不同风速下的空气阻力的进行分析、处理，我们就可以得到风阻影响的关系及其图线。通过这些探索，学生们逐步掌握了科学实验的一般思想方法和技术方法。

四、探究性实验教学的评价

1、物理探究性实验的开设，加深了学生对物理概念和物理规律的理解。物理知识来源于实践，特别是科学实验的实践，通过创设一种类似于学术或学科研究的情境，使之与前人探索物理知识或规律的过程有许多相似之处，让学生在实验中发掘已有经验，运用已学知识，感悟和体会研究物理的思想和方法。通过问题的提出、方案的选择，培养了学生的扩散思维，通过方案的评估、确定，又培养了学生的聚敛思维。这整个讨论、交流、实验的过程，也正是学生对所学物理知识、物理规律的梳理、整合、重组的过程，通过探究实验，也使部分学习优秀的学生发现学习中存在的缺陷和不足，开始努力予以改进

2、探究性实验教学，培养了学生的科学态度和研究问题的探究能力，动手操作的实践能力。通过问题的提出、方案的选择、设计，仪器设备的选择操作，实验需用构件的动手制作，数据的收集处理，归纳推理等系列训练，使学生的个性、兴趣爱好和已有经验得到充分的发挥，观察能力、实践操作能力得到提高。建模能力和空间想象能力的提高，使学生能对不同设计方案进行可行性评估，舍去不科学的或虽理论上成立但实践操作上不可行或不精确的方案，这种灵活的思维方式，使学生跳出了死读书的怪圈。也为学生的后续学习、创新精神、实践能力和可持续发展打下了良好的基础。

3、探究性实验促成了学生的解题能力。学生学习物理，做练习题是不可缺少的重要一环，是帮助学生理解巩固物理知识的重要手段之一。有些学生往往有这种感觉，听教师讲解时懂了，自己解题时却又不行了。特别使碰到与实际联系密切的问题更是无从下手。究其原因，就是学生对自然现象和生活中的物理现象疏于观察，缺少联想，不会灵活运用已有知识。通过探究性实验的设计、操作，能引导学生把所学知识与实际现象联系起来，建立起清晰的物理模型和物理情境，提高分析问题的空间想象能力，有利于克服片面性，拓展解题思路。比照探究性实验开展前后，学生的解题思路和能力有了相当大的提高。

根据新的《上海市中学物理课程标准》（试用稿），要求学生能独立根据实验目的，设计正确的实验方案，科学地完成较复杂的实验任务。物理探究性实验的开设，给学生提供了相应的时间、空间和环境，学生在教师的指导帮助下，通过自主设想、合作交流，实验探究的学习方式，在实践过程中逐渐学会收集、处理和运用信息，合作交流选择方案，自己动手制作和操作实验器材，分析归纳得出正确结论，使理论和实践有机地结合起来。通过这样的训练，为学生的实践能力、创新精神和可持续发展打下了良好的基础，也为学生的后续学习、以及将来面对社会的生存能力打下了良好的基础，探究性实验教学，对于实现新课程改革的

教学目标，也是一个有效的措施。

[主要参考文献]：

1、《教学科学研究方法基础》上海教育出版社，1998年版。

2、《上海市中学物理课程标准》（试用稿），上海教育出版社，2004年10月版。

3、《中学物理课程研究》，唐国安、钱景华主编：百家出版社，1999年8月。

4、《中学物理教学概论》，阎金铎等：高等教育出版社，1991年5月