在物理實驗選修課中開展研究性學習的實驗與體會

魏 華

(北京市第四中學 北京 100034)

在物理實驗選修課中開展研究性學習的實驗與體會

魏 華

(北京市第四中學 北京 100034)

研究性學習是指在教學過程中，為學生創設一種類似于科學研究的情境和途徑，讓學生以類似于科學研究的方式去主動獲取知識、應用知識、解決問題、獲得發展.它是傳統課堂教授式教學的延伸和補充.多年來，我們在北京四中高中部開設了“物理實驗選修”課，在選修課中開展研究性學習，結合物理實驗探索研究性學習對學生能力的培養.

研究性學習 探究能力 物理實驗

課程標準中，在對綜合實踐活動做出規定時，把研究性學習作為必修課的主要內容之一.我們結合學生的實際情況和物理學科的特點，開設了“物理實驗選修”，進行了一些這方面的探索.

1 開展研究性學習的必要性和物理實驗選修的意義

1.1 開展研究性學習的必要性

長期以來，在必修課的教學中，形成以教師為中心，教師講授、學生接受的教學模式.這種教學模式有利于知識的傳授和積累，有利于課堂教學的組織和實施，有利于學生在已有的知識范疇內解決同類問題.它強調調動學生的積極性，強調課堂教學的精心設計、精心組織、精心實施.在基礎教育階段，無疑這是一種很好的、很重要的教學模式.對學生來說，它能很好地建立起系統化的知識，為將來繼續學習打下良好的知識和能力基礎.但是與“以德育為核心，以培養創新精神和實踐能力為重點”的素質教育要求相比，教授學習型模式還有許多不完善的地方，甚至還有許多弊端.比如，在平常教學中，學生總是跟著教師在思考，教師也總是千方百計地將學生的思路引導到事先設計好的路子上來，這樣幾年學下來，回顧過去，學生不禁會問：我們學了什么？為什么要學這些知識？這些知識除了參加高考選拔外還能怎么用？這些現實問題一提出，總是讓人覺得很泄氣，回答這些問題時，教師也會顯得底氣不足.為了改變這種局面，在我們的課堂上已經發生了一些變化，諸如強調知識的來龍去脈以及在實際中的應用，在某些環節上開始放手讓學生自己去探索研究，但這些是遠遠不夠的.在人的一生中最重要的學習階段承擔教育責任的學校，有必要，也有義務自覺地培養學生自主學習的能力，培養他們積極大膽地思維、想象、提問、猜測、探究的意識和能力，培養他們多角度、多方位思考問題的思維習慣.因此，這種研究性學習的開展就提到了日程上來.

研究性學習是以學生的自主性、探索性學習為基礎，從學生生活和社會生活中選擇和確定研究專題，以個人或小組合作方式進行的學習.通過親身實踐獲取直接經驗，養成科學精神和科學態度，掌握基本的科學方法，提高綜合運用所學知識解決實際問題的能力.它與教授學習型模式有所不同，二者的比較如表1所示.

表1 教授學習型與研究學習型對比

可見，研究性學習與教授學習型模式并不矛盾，它不是對教授學習型的否定，從某個角度講，后者是前者的一種延伸，一種重要補充.

1.2 物理實驗選修的意義

“物理實驗選修”是我們開設的一門研究性學習課程.之所以選擇這樣一個載體，主要源于物理知識的廣泛性，物理教育功能的多面性，物理教學中理論與實踐的統一性，這些為研究性學習提供了廣闊的空間；而實驗作為物理學科的基礎，也同樣是物理知識教學的基礎，通過訓練有素的實驗教學，能使學生在獲取物理知識的同時，潛移默化地形成良好的科學素養，如嚴謹的科學態度，實事求是的科學作風等；同樣，只有加強實驗教學，才能培養出具有較強動手能力的學生.

在實驗教學目標中就有很多與研究性學習目標不謀而合，所以我們選擇“物理實驗”，還有一個重要目的，就是最大限度地挖掘實驗教學對學生各方面能力培養的教育功能.而且這是一個學科內的研究性學習，從某個角度講也是降低了研究性學習的門檻，便于學生開展，也便于教師研究“研究性學習”的特點.

下面結合開設這門課中遇到的一些問題，筆者將談一點體會.

2 物理實驗選修開設的過程

2.1 物理實驗專業知識的學習

研究性學習的課堂上，不是撒開手讓學生自己去“玩”.為了順利進行實驗研究，首先還是需要一些專業知識的輔導.

(1)儀器的操作和使用.我們在輔導過程中強調搞清楚每個儀器的簡單工作原理、測量原理、測量數據的記錄以及儀器本身帶來的系統誤差.比如在初次使用螺旋測微器時，就讓學生將螺旋測微器小心拆開，研究內部構造，從而加深了解它的測量原理和使用規范；在研究自由落體運動時，給每小組發兩本產品說明書，一本關于自由落體儀，一本關于數字計時器，讓學生自己學會使用.

結果表明，學生對這種方式非常感興趣，拿到一個新儀器，學生由原來的漠不關心，或“粗暴”操作，等著老師講怎么用，用完就忘，變為主動地去學，去研究怎么使用.這種意識上的轉變其實很簡單，就是來自于他自己探索過程中的成就感，但是卻很重要.

一旦有了這種興趣，學生的創造力也將是無窮的.例如研究電容器的放電規律時，傳統的方法：將電容器充電完畢，使兩端電壓達到10 V，開始放電時，同時計時，在到9 V時記錄一個時間，到8 V時再記錄一個時間……再去擬合、探索電容器兩端電壓隨時間的變化規律.但很現實的一個問題，當你記錄電壓降到9 V的時間時，讀數，記錄，再抬頭已經過了8 V，于是得重新充電到10 V，再記錄到8 V所用的時間，這種方法進行的實驗，一次數據采集需耗時達半個小時，而且由于初始狀態有一定的差別，實驗數據不是很理想.后來有學生去體育老師那兒借來秒表，這種秒表的特點是一次能連續記錄99個數據！然后學生坐在那，電容器開始放電，到9 V時，摁一次，到8 V時，摁一次……整個實驗下來，4～5 min完成.這種創造力是學生的特色，他們是一張白紙，所以能不拘泥于傳統，在研究課上他就可以盡情發揮他們的創造力，當然，前提是有一定的專業知識.

(2)Excel處理數據.實驗中很讓學生犯怵的就是實驗數據的處理.學生對實驗的熱情，往往會由于數據的處理繁瑣、數據結果的偏差而逐漸喪失掉.而實驗選修中很多是需要大量記錄、處理數據的，于是我們結合學校的條件和學生自身的素質，大膽地在實驗數據處理中引入Excel和Matlab，利用它們進行數據擬合.我們教給學生關于實驗數據處理的方法，數據誤差的分析，以及一些電腦方面的知識，然后由學生自己探索使用.在初期使用過程中，甚至有一階段，學生“迷戀”這種處理方法而自己主動要求做一些額外實驗，取得一些數據，然后利用電腦處理.

利用電腦輔助處理數據還有一個好處，就是可以把學生解放出來，更多地去思考如何設計實驗，提高數據質量，這些是學生最關注的.也有人會問：這樣做會不會讓學生沒真正經歷其中的過程，而喪失某些應該培養的能力呢？我想這些擔心不無道理，但也應該看到，相對能提高學生積極性、興趣，能使他們有精力一直專注于實驗來說，這點損失還是值得的，而且在課堂實驗中，這點損失完全可以被彌補.

2.2 平常研究課程模式

在平常的選修課上，我們采取的模式是：教師精心創設情境，啟發引導學生參與，形成實驗方案，學生完成實驗數據采集、處理，最后得出實驗結論.也就是“提出問題(研究專題)-探索研究-總結提高”過程.

舉兩個例子來說明.

實例1：給一個長木板，一個方木塊，一把米尺.要求粗略測量木塊與木板之間的動摩擦因數.

生甲：如圖1所示，將木塊置于長木板上，然后將木板逐漸傾斜，直到木塊開始滑動，此時木塊受到的滑動摩擦力，大小等于重力沿木板方向的分力，即

μmgcosθ=mgsinθ

得到

μ=tanθ

圖1 實驗設計方案

生乙：剛開始滑動時，應該是木塊受到的最大靜摩擦力等于重力沿木板方向的分力，所以你只能由這種方法得到最大靜摩擦力.根據最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力，可以將剛才的板略放平一點，給木塊一個初速度，目測大致能勻速直線運動，則此時重力沿木板方向的分力才等于滑動摩擦力，即μ=tanθ.

(眾人紛紛贊同后面同學的說法)學生甲舉手要求繼續回答.

生甲：我覺得我那種方法也行，因為最大靜摩擦力只是略大于滑動摩擦力，它引起的誤差與你目測的誤差應該差不多，所以我那種方法也行.

(眾人中部分學生被他說服，開始互相爭論，場面激烈)

師：很好，這兩位同學的想法都很好，那我提示同學們，最大靜摩擦力也與接觸面粗糙程度有關(場面安靜下來)，與動摩擦因數一樣，有一個靜摩擦因數(這個知識，課本不要求，學生沒學)，同學們可以去圖書館查查相關資料，然后想想甲、乙這兩位同學的方法分別測得是什么量.至于二者誰更接近于實際值，這一點大家在做完實驗后，再去思考這個問題.另外一個問題，如何測tanθ？

(思考片刻)

然后由學生自己做實驗完成，最后完成實驗報告.

實例2：研究單擺的擺動.

提出問題：一個單擺，讓它做小幅振動，給大家一塊秒表，請你測出懸點到單擺小球球心的長度.

(眾人紛紛做欽佩狀)

師：很好.(擺出不同擺長的單擺，并讓它們擺動)可以看出，不同擺長的單擺，擺動快慢是不同的，很顯然擺長越長，周期越大.那現在的問題是，如果我不知道周期公式怎么辦？

剛剛興奮的學生又陷入思考，這時有學生舉手.

生丁：可以先找周期與擺長的關系，取不同的擺長，測出周期，然后利用Excel找它們的關系.

師：很好，今天的實驗題目就是“探索單擺做微小擺動時周期與擺長的關系”要解決的問題，就是這個單擺擺長……

學生的作業舉例：學生所測數據如表2所示，作業的圖像如圖2所示.

表2 單擺的實驗數據

圖2 關系圖像

以上是我們在平常訓練時的兩個小片斷：一個是學生已有的知識，有關摩擦力.靜摩擦力，最大靜摩擦力與滑動摩擦力的關系，比如說最大靜摩擦力比滑動摩擦力略大，但又在計算中總是忽略它們之間的差別，那么到底二者差多少？這實際上也是很多學生學完后的疑惑.一個是未學的知識，有關振動周期.要想解決提出的問題，就會要求學生自己去查書，提前研究相關知識；要求學生去設計解決從沒研究過的問題，而且這個實驗也有一定的難度，屬于“跳一跳，夠得著”的類型，會讓學生很有成就感，能很好地激發學習興趣，訓練動手解決實際問題的能力.有關單擺振動還有很多可研究的地方，比如不規則單擺測重力加速度，不同擺角下周期與公式中計算出的周期的關系等等，都在后面的課中，或由教師提出，或由學生提出進行了實驗.

2.3 自主選擇研究性課題開展研究

在學習一個階段后，我們會讓學生自主選擇一個課題開展研究.基本模式：學生提出課題+討論可行性+列(儀器)清單=獨立完成實驗，得出結論.

開始時，很多學生提出了一些很難完成，或不太切合實際的題目.如研究刀從高處下落，扎在西瓜上，研究西瓜對刀的阻力作用.很有創造性的題目，我從沒想過西瓜還可以用來做實驗！不過，這個實驗還是很困難的，比如如何保證刀刃朝下進入西瓜而不會偏出，或不會扎進去，如何測量進入深度，如何討論各部位進入深度不同等等因素.

筆者想好的課題應該具有以下特點：課題具有價值性、明確性、創新性、可行性.對于低年級學生來說，可行性、明確性是最重要的！

師生共同確定的幾個課題：

(1)研究向心力演示器；

(2)用氣墊導軌測重力加速度；

(3)梁的彈性形變量與所受壓力的關系;

(4)電壓表和電流表的改裝；

(5)測定溶液的電阻與物質的量濃度的關系；

(6)組裝望遠鏡.

這些課題有的是由上課老師一句話，學生們想到的.比如“測定溶液的電阻”，就是上課時學生聽化學老師說了一個想法，于是在物理課上提出.當時筆者一聽到這個題目，眉頭一皺，“愁”上心來！覺得很難，覺得這個題目有點大，因為溶液導電性能與太多因素有關，跟實驗選材、方案、測量工具都有一定關系.經過充分討論，把題目定小了一點，定性討論“測定溶液的電阻與物質的量濃度的關系”，為這個實驗，學生不斷請教化學老師、物理老師、實驗員，看書，查資料，克服重重困難，研究出了一些成果，并在全校交流會上做了很好的發言.再如“研究向心力演示器”，這個題目也很好，很適合，學生就是想知道這個演示器是怎么工作的，有什么優點好處，及哪些可以改進的地方，最后學生還類似地提出可以采用液壓+連通器的原理，設計出一個新型演示器.

在整個過程中，我們發現現在的學生比較注重課題的價值性，經常會在討論中問，“你做這個有什么意義嗎？”那個提出課題的學生也早做好準備，有條不紊地說出一個一個好處、前景.其實這些也只是他們一個比較美好的想法，并不是我們的目的所在，研究性學習更重要的是“體驗過程”，結論只是附產品，所以當有一個學生被大家追問得無法回答時，筆者會搶過話題說，“最大價值就在于這個課題能提高我們解決實際問題的能力，提高我們的動手能力”.

3 結束語

從一個學年“物理選修”課來看，研究性學習還有很多是需要我們去探索研究的，不過它對我們師生的要求還是很明確的.它要求學生有興趣(包括對研究性學習和選修的課程)、能認真對待、能面對困難敢于迎難而上，在此基礎上，才能積極參與、自主學習、獨立思考.它要求學生有敏銳的觀察與思考能力，要有搜集與積累資料的能力，要有綜合運用各科知識解決實際問題的能力，要有一定的人際交往能力和合作精神——這些同時也是我們開設它的根本目的.

它要求教師有超前的教育觀念，快速接受新知識的能力，高超的教學技能：能充分發揮學生的全體作用的能力、能熟練使用現代教學手段的能力、嫻熟的德育技能，具有開拓創新精神和較強的科研能力.這些也是我們實施過程想要提高的.

在“研究性學習”的過程中師生雙方的收獲都是很多的，我想所謂“教學相長”就是這個道理了.“研究性學習”也確確實實是一項很值得研究，很值得付出的工作.

1 劉建華.構建“自主創新學習”教學模式.教育實踐與研究,2001(11)：5～7

2 劉彬生.高中物理選修實驗課本.北京：教育科學出版社，1993.9

3 王興乃.高中物理實驗大全.北京：電子工業出版社，1988

2016-05-10)