高中物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的實(shí)踐與探索

摘要：科學(xué)探究既是學(xué)習(xí)物理的一種方法，也是物理課程的目標(biāo)和重要內(nèi)容。本文作者通過自己多年在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，歸納出新課程實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的一般思路，并結(jié)合相關(guān)的教學(xué)案例加以說明。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；交流；評估

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)4(S)-0069-3

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科。物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中占有重要的地位，它既是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的內(nèi)容、方法和手段，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的教育中具有獨(dú)特的地位和全方位的功能。新課標(biāo)下的物理教學(xué)倡導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)，加強(qiáng)科學(xué)探究。而物理實(shí)驗(yàn)既能為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、科學(xué)探究打下基礎(chǔ)，又能為學(xué)生的自主探究提供物質(zhì)保證。所以實(shí)驗(yàn)在新課標(biāo)下的物理教學(xué)中的地位更加重要。

為實(shí)現(xiàn)物理新課程目標(biāo)，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》在“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”里明確指出了“高中學(xué)生應(yīng)該在科學(xué)探究和物理實(shí)驗(yàn)中達(dá)到的要求”：將科學(xué)探究分為提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作七個(gè)要素，并對每一要素提出了對科學(xué)探究及物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕疽蟆１疚母鶕?jù)筆者多年在新課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)，提出新課程實(shí)驗(yàn)探究課的教學(xué)思路，并結(jié)合具體案例加以說明。

1 實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)思路

根據(jù)上述課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，在實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)中，應(yīng)以學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，學(xué)生主動(dòng)參與為前提，團(tuán)隊(duì)合作探究為組織形式，教師的適時(shí)指導(dǎo)為引導(dǎo)手段，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)探究問題為重點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合物理學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、問題分析、歸納總結(jié)的能力。因此一般實(shí)驗(yàn)探究課堂教學(xué)思路可分以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

1．1 探究準(zhǔn)備階段（提出問題、猜想與假設(shè)）

這是科學(xué)探究的起始環(huán)節(jié)，教師根據(jù)教學(xué)需要確定科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)題目，編寫一份的科學(xué)探究預(yù)案。內(nèi)容有（1）探究的題目。（2）探究的目標(biāo)任務(wù)。探究預(yù)案在課前兩天發(fā)給學(xué)生，引導(dǎo)其在課前自學(xué)研究。學(xué)生在課前認(rèn)真學(xué)習(xí)探究預(yù)案，明確探究的目標(biāo)任務(wù)，結(jié)合自身情況復(fù)習(xí)相關(guān)知識，并積極思考研究。學(xué)生根據(jù)自愿原則，組成實(shí)驗(yàn)小組（每組4~6人）。小組成立后，各組員根據(jù)自己課前研究思考情況相互交流討論，根據(jù)討論結(jié)果，各小組確定一個(gè)初步實(shí)驗(yàn)方案，內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)器材、步驟、注意事項(xiàng)等。

1．2 探究初步階段（交流評價(jià)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)）

教師和學(xué)生一起對設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評價(jià)。各小組長上臺(tái)簡單介紹本組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，針對不同的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生可以提問討論，指出各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。教師對學(xué)生未發(fā)現(xiàn)的問題加以補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)方案討論以后，各小組針對自己組的實(shí)驗(yàn)方案調(diào)整改進(jìn)，尋找實(shí)驗(yàn)中關(guān)鍵之處。這一階段的探究，主要是讓學(xué)生在自學(xué)研究的基礎(chǔ)上，通過小組討論對研究的問題有一個(gè)更清楚全面的認(rèn)識并確定實(shí)驗(yàn)大致方案。

1．3 探究深入階段（進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集證據(jù)）

這一階段是整個(gè)科學(xué)探究的關(guān)鍵。小組成員根據(jù)研究的問題，確定解決問題的實(shí)驗(yàn)方案，然后開始按實(shí)驗(yàn)步驟作實(shí)驗(yàn)。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，先在組內(nèi)討論思考解決，如實(shí)在解決不了可以要求教師參與到小組討論中，師生共同探討解決。有時(shí)實(shí)驗(yàn)方案在實(shí)際操作上會(huì)出現(xiàn)一定的問題，有時(shí)與預(yù)期效果不太一致，這都需要及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，重新實(shí)驗(yàn)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)后，得出系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1．4 探究終結(jié)階段（猜想與假設(shè)、分析與論證和評估）

學(xué)生得到系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并開始嘗試在數(shù)據(jù)中總結(jié)結(jié)論。在大多數(shù)的小組完成實(shí)驗(yàn)以后，教師引導(dǎo)全體學(xué)生進(jìn)行總結(jié)。各個(gè)小組將各自的數(shù)據(jù)處理方法由組長為代表作一個(gè)簡單介紹，并說明實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果。教師再次引導(dǎo)學(xué)生討論各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，幫助學(xué)生找出對于該實(shí)驗(yàn)最優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方式，得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。最后教師作整體總結(jié)，總結(jié)從下面幾方面進(jìn)行。（1）從知識的角度：讓學(xué)生回顧知識是如何產(chǎn)生與發(fā)展的，讓學(xué)生回顧與所學(xué)實(shí)驗(yàn)方法相對應(yīng)的物理事實(shí)；（2）從研究方法的角度：讓學(xué)生去領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)研究的總體思路，讓學(xué)生去領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)研究過程中的物理思想和方法。

2 實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)案例

下面以人教版選修31教材P70的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”為例，展示實(shí)驗(yàn)探究課堂教學(xué)的全過程。

2．1 探究準(zhǔn)備階段

教師根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的具體情況編寫一份科學(xué)探究預(yù)案，內(nèi)容包括：（1）實(shí)驗(yàn)課題名稱；（2）實(shí)驗(yàn)任務(wù)和目標(biāo)。 預(yù)案中要求學(xué)生課前完成的任務(wù)有：①閉合電路歐姆定律知識；②根據(jù)自愿4至6人組成一個(gè)小組，并確定組長；③每組至少設(shè)計(jì)一個(gè)“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)方案，內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)的過程和方法，要用到的器材；④評價(jià)你的方案的優(yōu)缺點(diǎn)；⑤熟悉數(shù)據(jù)處理的多種方法。

探究預(yù)案作為作業(yè)在實(shí)驗(yàn)前兩天發(fā)給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)預(yù)案要求自行分組研究。

2．2 探究初步階段

教師在實(shí)驗(yàn)室板書課題“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”后，與學(xué)生們（按事先組合好的組就座）進(jìn)行如下探究交流。

教師：在同學(xué)們的桌上都有一節(jié)這樣的干電池，我們已學(xué)過用來描述電源的性質(zhì)的物理量是E，r，今天我們要用實(shí)驗(yàn)手段來測量一節(jié)電池的E，r。

根據(jù)我們學(xué)過的知識，你可以用幾種什么方法來測出這一節(jié)干電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻呢？

教師：請同組同學(xué)一起再研究一下，看可以通過測量哪些物理量來測電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻，然后把你們設(shè)計(jì)出來的電路圖畫在白紙上，列出求解方程式。

教師：下面請各組派代表把方案跟大家交流一下？要求上講臺(tái)畫出電路圖介紹你們的實(shí)驗(yàn)方案。

學(xué)生交流：……；各組方案歸納如下。

方案1 實(shí)驗(yàn)電路如圖1：

使用一個(gè)電流表、一個(gè)電壓表、一個(gè)滑動(dòng)變阻器：E=Ir+U（板書）。

方案2 實(shí)驗(yàn)電路如圖2：

使用一個(gè)電壓表、一個(gè)電阻箱：E=U+URr（板書）。

方案3 實(shí)驗(yàn)電路如圖3：

使用一個(gè)電流表、一個(gè)電阻箱：E=I（r+R)（板書）

教師：根據(jù)同學(xué)們得出的“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”的三種方法，現(xiàn)在分析對比一下。

（投影：方案1:E=Ir+U；方案2:E=U+URr;方案3:E=I(r+R)。）

教師：同學(xué)們探究得出三種不同方案，盡管這三種方法所列的方程形式不同，但他們的本質(zhì)是一樣的，都是閉合電路的歐姆定律。三種方案中哪種方案最好？

師生共同研討：（1）方案2和方案3與方案1相比，最大的區(qū)別在于方案2和方案3只用了一個(gè)電表，外電路上的電阻必須是已知的，這就給外電路上的電阻帶來一定的限制，滑動(dòng)變阻器是不能用的，為此我們選用方案1；（2）方案1中， E、r是欲求的，除了采用方案2、3相同的數(shù)據(jù)處理辦法外，還可以采用一種獨(dú)特的處理方案，前面練習(xí)時(shí)我們有碰到過的方法——圖像法。

教師：基于上述原因，我們選用方案1。但是，即便是選擇方案1，同學(xué)們也有如圖4、5的兩種的連接方式，那么我們在做實(shí)驗(yàn)時(shí)是否兩個(gè)都可以，還是哪一個(gè)更好？

師生共同研討：選用哪種方式，要根據(jù)實(shí)際測量的需要確定，現(xiàn)在要想測出電源的內(nèi)阻，如果采用圖4方式，最后得到的結(jié)果相當(dāng)于電源內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻的總和，而兩者相差又不太多，這樣一來誤差就會(huì)比較大，所以應(yīng)采用圖5的電路圖。

2．3 探究深入階段

教師：在大家桌上都有電流表、電壓表、0～50Ω滑動(dòng)變阻器各一個(gè)，電鍵一個(gè)，導(dǎo)線若干。

教師：電流表、電壓表選擇什么量程？

學(xué)生：電流表0～0.6A，電壓表0～3V。

教師：接下來同學(xué)們可以開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)，要多測幾組以便取平均，至少測6組。在實(shí)驗(yàn)以前先請同學(xué)們做好電學(xué)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)。

學(xué)生：①按電路圖先串聯(lián)后并聯(lián)。

②連接電路時(shí)，電鍵必須斷開。

③電流必須從電表的正接線柱流入，負(fù)接線柱流出，并且要注意量程的選擇。

④滑動(dòng)變阻器必須處于安全的位置。

⑤因電池較舊，每測量一次斷開電源，調(diào)節(jié)后再通電，保證電流較大。

⑥實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先斷開電鍵。

2．4 探究終結(jié)階段

教師：得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，你有幾種辦法處理數(shù)據(jù)得出正確的電動(dòng)勢與內(nèi)阻？

學(xué)生：我們可以利用公式：E=Ir+U兩組數(shù)據(jù)就可以建立方程組解出E和r，然后取平均值；也可以采用圖像法，利用UI圖像求電源電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r；根據(jù)閉合電路歐姆定律U=E-Ir可知，U是I的一次函數(shù)，則UI圖像應(yīng)該是一條直線。

投影：UI圖象如圖6。

教師：如何得到這條直線，在坐標(biāo)紙上建立UI坐標(biāo)系，依據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中畫出相應(yīng)的點(diǎn)，怎樣連接這些點(diǎn)呢，是否兩兩相連？

學(xué)生討論：……

教師總結(jié)：兩兩相連得出的折線不符合理論分析的結(jié)果，應(yīng)該作一條直線使之通過盡可能多的點(diǎn)，并使不在直線上的點(diǎn)盡可能均勻的分布在直線兩旁。離直線教遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)該舍棄，這實(shí)際上也是取平均的思想。

教師：那么大家觀察圖象，直線與U軸、I軸各有交點(diǎn)，這兩個(gè)交點(diǎn)分別代表什么物理意義，直線的斜率又代表什么呢？

學(xué)生討論：……

教師總結(jié)：直線與U軸相交點(diǎn)的值，I等于零，此值即為斷路時(shí)的路端電壓應(yīng)等于電源電動(dòng)勢E；這條直線與I軸的交點(diǎn)表示U=0（外電路短路）時(shí)的短路電流I0，而且I0=Er；由U=E-Ir，可知直線斜率為-r，計(jì)算內(nèi)阻時(shí)，要在直線上任取兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的點(diǎn)，用r=｜k｜計(jì)算電池的內(nèi)阻r。

教師：下面同學(xué)們把實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)描到書上的坐標(biāo)系中，作出圖線，從而得出測量結(jié)果，稍后請同學(xué)來說一下你們的測量結(jié)果。

學(xué)生：結(jié)果表達(dá)。

……

教師反思：本節(jié)的設(shè)計(jì)意圖是讓學(xué)生在教師的引導(dǎo)下掌握“測定電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻”的原理和方法，教師的引導(dǎo)只是為了讓學(xué)生更加高效的學(xué)習(xí)，把重點(diǎn)放在原理、電路的獲得，以及探究過程的實(shí)際操作，再到后面的數(shù)據(jù)處理，特別是利用圖象法處理數(shù)據(jù)，課堂內(nèi)容的設(shè)計(jì)環(huán)環(huán)相扣，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。不足之處在于課堂的容量偏大，有些環(huán)節(jié)，如歐姆定律的三種形式和相應(yīng)的電路圖可以改成教師引導(dǎo)，重點(diǎn)放在電表連接方式的討論上來。總之，一節(jié)課要有所偏重，想把每個(gè)方面都做好很難，教師只有根據(jù)自己學(xué)生的情況做一些必要的調(diào)整才是最合理的。

實(shí)驗(yàn)探究課堂教學(xué)是否能取得實(shí)效，是否達(dá)成新課程對科學(xué)探究的要求，歸根到底是以學(xué)生是否參與、怎樣參與和參與多少來決定的。同時(shí)只有學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)，才能改變課堂教學(xué)機(jī)械、沉悶的現(xiàn)狀，讓課堂充滿生機(jī)。這就要求教師在領(lǐng)會(huì)科學(xué)探究實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，隨機(jī)應(yīng)變，靈活處理教學(xué)過程中出現(xiàn)的各種問題，設(shè)計(jì)好合理可行的探究教學(xué)方案，使學(xué)生的知識獲得、積累與能力發(fā)展始終處于一種良性循環(huán)狀態(tài)，這樣就可以使我們物理實(shí)驗(yàn)探究課堂教學(xué)進(jìn)入理想的境界。

參考文獻(xiàn)：

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［3］安忠，劉炳晟.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［M］.高等教育出版社.1985.1

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(欄目編輯張正嚴(yán))

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文