實驗與理論相交替的物理教學(xué)設(shè)計探討

劉增澤 馮 杰(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

實驗與理論相交替的物理教學(xué)設(shè)計探討

劉增澤 馮 杰
(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

新課程對物理教學(xué)提出了更高的要求，實驗的地位逐漸提高，因此在這種研究背景下，根據(jù)新課程的要求，提出了一種交替式教學(xué)設(shè)計的方法，有助于新手教師較好地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計.總結(jié)給出了在物理學(xué)學(xué)科特征的指導(dǎo)下，遵循教學(xué)設(shè)計的共性而設(shè)計的一種實驗與理論相融合的課程設(shè)計，給出了實驗為主線和理論為主線的角度的實例，便于讀者理解應(yīng)用.

教學(xué)設(shè)計 交替 理論 實驗

物理是一門實驗科學(xué)，物理學(xué)源于現(xiàn)象和實驗中發(fā)現(xiàn)的問題，經(jīng)過實驗的探究，產(chǎn)生理論(假說)，并通過可重復(fù)性實驗的驗證，最終再應(yīng)用于實際生活.我國著名的物理學(xué)家張文裕教授曾指出，“科學(xué)實驗是科學(xué)理論的源泉，是自然科學(xué)的根本，也是工程技術(shù)的基礎(chǔ)”，伽利略同樣重視實驗的重要性，曾倡導(dǎo)理論與實踐相結(jié)合[1].那么實驗在物理教學(xué)中的地位顯而易見，如何處理實驗教學(xué)與理論教學(xué)間的關(guān)系，則關(guān)系到物理教學(xué)的質(zhì)量.下文將通過物理學(xué)是一門實驗性科學(xué)的這一特征為讀者介紹一種基于實驗的課程設(shè)計模式，這種模式是根據(jù)物理學(xué)的學(xué)科特征來編排的，并且結(jié)合中學(xué)物理課程的設(shè)計特點，明確共性與個性間的關(guān)系，總結(jié)得出的一套交替式教學(xué)設(shè)計方法.

1 中學(xué)物理教學(xué)原則

中學(xué)物理教學(xué)原則對教師的教學(xué)實踐具有重要的指導(dǎo)性意義，主要原則有：教育性原則、科學(xué)性原則、突出學(xué)科特點與注重觀察實驗原則、注重物理思想方法教育原則、注重科學(xué)探究原則、理論聯(lián)系實際原則等.物理教學(xué)原則在實踐的發(fā)展過程中將不斷的完善[2].

2 中學(xué)物理教學(xué)過程簡析

在教學(xué)原則的指導(dǎo)下，開始進(jìn)行教學(xué)過程的設(shè)計.我國古代思想家孔子就曾提出，教學(xué)遵循“學(xué)、思、習(xí)、行”的4個環(huán)節(jié)，現(xiàn)在也存在四段論(李秉得，1991)、五段論(王策三，1985)、八段論(田龍翔，1988)等理論[3].那么在實際教學(xué)中，通常遵循的是引入-新課講授-鞏固提高-課后習(xí)題(實驗)-布置作業(yè)這個模式,這是源自于教育學(xué)的教學(xué)設(shè)計模式，各個學(xué)科都可以遵循此格式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計.

但這種教學(xué)設(shè)計并不能體現(xiàn)出物理學(xué)的學(xué)科特點，因此很多新手教師無從下手具體的教學(xué)設(shè)計，沒有明確地給出實驗教學(xué)與理論教學(xué)之間的關(guān)系該如何處理，因此實際教學(xué)中經(jīng)常會出現(xiàn)“先理論后實驗的教學(xué)設(shè)計”，從物理學(xué)問題的發(fā)現(xiàn)到解決的過程來看，這種教學(xué)設(shè)計并不符合一個理論產(chǎn)生發(fā)展直至最終應(yīng)用的過程，因此會造成上理論課時學(xué)生對理論不理解，而之后的實驗課學(xué)生也僅僅是從形式上完成了實驗，而不知其科學(xué)意義，從而破壞了物理學(xué)教學(xué)的內(nèi)在邏輯性.這樣的課程僅僅是“授之以魚”，讓學(xué)生知道了基本理論，但沒能“授之以漁”，不能讓學(xué)生知道物理學(xué)是怎樣一步一步探究發(fā)展起來的，因此在教學(xué)設(shè)計時就要關(guān)注到實驗教學(xué)的位置.

3 實驗與理論交替式教學(xué)設(shè)計

如何進(jìn)行教學(xué)設(shè)計呢？必然的選擇是實驗教學(xué)與理論教學(xué)相融合.從學(xué)科的本質(zhì)特征來看，物理是一門實驗科學(xué)，源于實驗終于實驗，理論由實驗產(chǎn)生，并由實驗驗證，并最終通過實驗轉(zhuǎn)化進(jìn)行推廣應(yīng)用.因此實驗是貫穿于整個學(xué)科的研究發(fā)展過程之中的.物理學(xué)知識又隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷豐富完善，而人的學(xué)習(xí)精力是一定的，因此不可能將所有的知識在短時間內(nèi)都傳授給學(xué)生，因此物理教學(xué)要達(dá)到“授之以漁”，不僅要讓學(xué)生掌握最基本的物理學(xué)知識，更要在基本知識與技能的傳授過程中，讓學(xué)生領(lǐng)悟如何進(jìn)行物理問題的研究，培養(yǎng)科研能力與創(chuàng)造力，進(jìn)而提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生能夠掌握“漁”要領(lǐng).因此教學(xué)設(shè)計需要將物理實驗教學(xué)與理論教學(xué)相融合，并且要符合物理學(xué)研究特點，通過教學(xué)能夠讓學(xué)生了解實驗與理論間的關(guān)系，按照實驗與理論交替的形式進(jìn)行，遵循：實驗(現(xiàn)象)-基礎(chǔ)理論(假說)-探究性實驗-形成的理論或規(guī)律-驗證性實驗(轉(zhuǎn)化與應(yīng)用).本設(shè)計與傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計實際上是相對應(yīng)的，如表1所示，交替的每個部分又可成為一個模塊進(jìn)行設(shè)計.這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以進(jìn)行一節(jié)課的教學(xué)設(shè)計，也可以進(jìn)行一章節(jié)或某一模塊的教學(xué)設(shè)計，形成了教學(xué)設(shè)計的一個思路，在這種大的模式下，還可以從不同角度進(jìn)行教學(xué)設(shè)計.下面將從兩個角度對交替式教學(xué)設(shè)計進(jìn)行具體的解釋.

表1 實驗與理論交替式教學(xué)設(shè)計與傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計對比

3.1實驗為主線的角度

第一個角度以實驗為主線，貫穿課程設(shè)計，并以實驗為著手點去安排實驗對應(yīng)的理論教學(xué)所需的內(nèi)容，也可以說是一個“因果”交替設(shè)計.

3.1.1 從實驗在物理問題中所處階段去設(shè)計教學(xué)

根據(jù)實驗在物理問題的產(chǎn)生到解決的過程所起的作用、出現(xiàn)的先后順序，準(zhǔn)確把握教學(xué)過程中不同實驗所需要出現(xiàn)的位置，形成一條實驗的主線設(shè)計，再將實驗所引出的理論與之相對應(yīng)，通過實驗+理論+實驗+理論+實驗的基本模式去設(shè)計教學(xué).物理學(xué)的實驗基本按照問題的發(fā)現(xiàn)、探究、驗證到應(yīng)用的順序，在這里介紹一種最常規(guī)的方式，課程的基本過程是：現(xiàn)象類實驗引入→得出物理的概念→再通過實驗探究物理規(guī)律→得出規(guī)律與公式→實驗驗證→講解相關(guān)物理知識的應(yīng)用.

主線：初階現(xiàn)象類實驗+中階探究性實驗+高階驗證性實驗

例1：滬教版八年級上冊“2.3透鏡成像”

首先了解透鏡所要展現(xiàn)光學(xué)問題的研究過程，然后選擇典型實驗，形成一條實驗主線，然后把典型實驗所要得出的需要在八年級階段講解的理論穿插在對應(yīng)的實驗后面，便形成了以下的教學(xué)簡例.

放大鏡點燃紙片的演示實驗引入新課(初階現(xiàn)象類實驗)→舉出生活中其他透鏡例子，引出凸透鏡、凹透鏡的概念并介紹相關(guān)的物理概念→通過實驗室的標(biāo)準(zhǔn)透鏡與光源引導(dǎo)學(xué)生觀察凸透鏡與凹透鏡成像的規(guī)律(中階探究性實驗)→總結(jié)透鏡成像的規(guī)律→學(xué)生分組實驗探究凸透鏡成像規(guī)律(高階驗證性實驗)→并由此根據(jù)不同物距產(chǎn)生效果不同講解眼鏡、投影儀、顯微鏡等常用透鏡在實際生活中的應(yīng)用.

例2：人教版八年級上“第六章質(zhì)量與密度”

首先了解密度問題研究的物理過程，選擇研究過程中的典型實驗，形成主線，然后把典型實驗所展現(xiàn)的需要在八年級講解的理論知識穿插在對應(yīng)的每個實驗后面，便形成了以下教學(xué)簡例.

阿基米德測量皇冠真假的歷史故事引入新課(經(jīng)典物理實驗故事引入)→舉出其他生活事例并引出密度的定義→通過探究性實驗探究密度與哪些因素有關(guān)→得出密度公式與規(guī)律→學(xué)生實驗測量物體的密度→簡介密度在實際生活中的應(yīng)用.

3.1.2 從實驗的復(fù)雜程度去設(shè)計教學(xué)

根據(jù)實驗的發(fā)展規(guī)律，實驗從一個理論研究開始到結(jié)束，一般是經(jīng)歷實驗儀器由簡單到復(fù)雜，技術(shù)水平由低到高，那么從這個角度可以根據(jù)實驗的復(fù)雜程度去將實驗編制成一條主線，并將理論融于其中.可以遵循：由生活化的儀器和現(xiàn)象引入(問題源于生活)→得出物理概念或基本知識→使用經(jīng)典常規(guī)物理儀器進(jìn)行規(guī)律探究(標(biāo)準(zhǔn)化探究)→得出物理規(guī)律及公式→最后通過基于計算機技術(shù)的實驗驗證結(jié)論(高精度驗證)→聯(lián)系實際(生活化實驗現(xiàn)象的解釋).從這個角度便于把握實驗與理論相結(jié)合時正確選擇不同技術(shù)層次的實驗在課程設(shè)計中的位置.

主線：生活化實驗+標(biāo)準(zhǔn)化實驗+基于計算機技術(shù)的實驗

例3：滬教版八年級下“5.2熱量比熱容”

首先按照物理教學(xué)目標(biāo)選擇不同層次的實驗，按照主線順序?qū)嶒炿A梯設(shè)計好，然后將相對應(yīng)的理論知識穿插在對應(yīng)的實驗后面，便形成了以下教學(xué)簡例.

生活中海邊城市晝夜溫差較小引入→實驗：相同質(zhì)量的水與沙插入溫度計蓋上蓋子，放置于保溫射燈下相同時間觀察溫度計變化，解釋課前引入的實際現(xiàn)象(生活化實驗)→引入熱傳導(dǎo)、熱量、比熱容概念→通過實驗室標(biāo)準(zhǔn)化實驗儀器進(jìn)行比熱容與質(zhì)量、時間、熱量之間關(guān)系的探究實驗(通過控制變量法操作，變量主要為不同光照時間、不同質(zhì)量的煤油或其他物質(zhì)、不同功率的照射燈，控制其他量，進(jìn)而得出對應(yīng)規(guī)律)(標(biāo)準(zhǔn)化探究)→得出比熱容的規(guī)律→采用DIS比熱容實驗組合進(jìn)行精確地對應(yīng)關(guān)系研究(基于計算機技術(shù)的實驗)→進(jìn)而得出比熱容公式→講解比熱容在生活中的實際應(yīng)用(可以解釋課前沿海內(nèi)陸晝夜溫差的不同).

例4：滬教版九年級上“7.4并聯(lián)電路”

同樣的設(shè)計過程，在電學(xué)電路這部分也是適用的，首先按照物理教學(xué)目標(biāo)選擇不同層次的實驗，按照主線順序?qū)嶒炿A梯設(shè)計好，然后將相對應(yīng)的理論知識穿插在對應(yīng)的實驗后面，便形成了以下教學(xué)簡例.

拆開的插排展示給學(xué)生其內(nèi)部結(jié)構(gòu)引入新課(生活化實驗)→引入并聯(lián)電路的定義→通過實驗室標(biāo)準(zhǔn)化儀器探究并聯(lián)電路的電路特征(經(jīng)典實驗)→得出相應(yīng)規(guī)律并得出相關(guān)物理公式→學(xué)生通過電腦模擬建立電路模型觀察串并聯(lián)電路的不同功效及特征并設(shè)計生活電路，保證學(xué)生安全(基于計算機技術(shù)的實驗).

從實驗為主線的角度，還可以從很多方向去設(shè)計教學(xué)，以上兩個角度是與教材設(shè)計吻合度較高的兩個角度，當(dāng)然還有其他角度，不同角度會有不同的設(shè)計方案，比如操作主體角度，過程：教師演示實驗→引入新課得出概念→學(xué)生獨立實驗→掌握儀器使用→了解儀器的基本常識→小組合作探究→得出物理規(guī)律→介紹實際應(yīng)用→學(xué)生個體生活實驗→解決實際問題.此不一一列舉.

3.2理論為主線的角度

理論為主線的角度強調(diào)以理論為著手點去設(shè)計對應(yīng)的實驗，也可說是“果因”設(shè)計.當(dāng)然依然遵循實驗+理論+實驗+理論+實驗的基本模式去設(shè)計教學(xué)，但在設(shè)計的過程中需要優(yōu)先考慮所要講述的理論知識，然后根據(jù)所需的理論知識去匹配所需要的實驗.這個角度適合傳統(tǒng)以應(yīng)試為主的教學(xué)設(shè)計的轉(zhuǎn)型，基于理論尋找實驗，通過交替式的模式，可以較快地在傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N適應(yīng)新課程要求的教學(xué)設(shè)計.

主線：基礎(chǔ)理論+公式/規(guī)律+實際應(yīng)用

例5：高中《物理·選修1-1》“3.4法拉第電磁感應(yīng)定律”

首先從教材中選取所需講解的理論知識，形成理論主線，感應(yīng)電動勢+電磁感應(yīng)定律和公式+電磁感應(yīng)定律公式變式及應(yīng)用，進(jìn)而設(shè)計相對應(yīng)的實驗，形成以下簡例.

磁鐵劃過閉合線圈使連接的LED燈組亮起從而引發(fā)思考→引入感應(yīng)電動勢定義(基礎(chǔ)理論)→通過影響感應(yīng)電動勢大小的實驗探究→得出電磁感應(yīng)定律和公式(公式/規(guī)律)→公式推導(dǎo)→得出電磁感應(yīng)定律變式并講解實際應(yīng)用(應(yīng)用).

4 結(jié)論

交替式的物理教學(xué)設(shè)計是建立在教學(xué)設(shè)計的共性之上，基于物理學(xué)教學(xué)的個性實驗性而設(shè)計出的一種課程設(shè)計的模式，本模式還原了物理研究的原始過程，提供了一種可參考性的物理教學(xué)設(shè)計模板，可以使新手教師快速入手教學(xué)設(shè)計，同時理論角度為改革傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計提供了方法，同時遵循物理學(xué)科的特征，將實驗教學(xué)與理論教學(xué)相融合，便于學(xué)生知其因，知其果，使學(xué)生能深入了解物理研究的科學(xué)過程，提升科學(xué)素養(yǎng).實現(xiàn)“授之以漁”的教學(xué)效果.

1 安金輝.伽利略的方法論思想:[學(xué)位論文].武漢：武漢大學(xué),2002

2 馮杰.中學(xué)物理課程與教學(xué)論.北京：北京大學(xué)出版社，2011

3 張傳燧.教學(xué)過程新論.教育理論與實踐,1995(03):14～17

DiscussiononPhysicsTeachingDesignBasedonIntersectionofExperimentandTheory

Liu Zengze Feng Jie
(College of Mathematics and Science，Shanghai Normal University, Shanghai 200234)

The new curriculum has put forward higher requirements for the physics teaching and the status of the experiment.In the background of this research, according to the requirements of the new curriculum, an alternative teaching method is proposed, which is helpful to the new teacher.Based on the characteristics of physics, under the guidance of the characteristics of physics, this paper designs a kind of experiment and theory which is designed according to the commonness of teaching design. From the two angles given examples, respectively, the experiment as the main line and the theory as the main line for teaching design, the purpose is to better understand and apply to the reader.

teaching design; alternation; theory; experiment

2017-02-28)

劉增澤(1993- )，男，在讀研究生，研究方向為創(chuàng)新型課程、實驗設(shè)計和實驗?zāi)M.

指導(dǎo)教師：馮杰(1961- ),男，教授，研究方向為中學(xué)物理教學(xué)及大學(xué)物理教學(xué).