從物理學習的認知過程看物理實驗研究

張德笠

【摘要】物理實驗是物理教學的基礎，是物理教育研究的重要組成部分。物理學習中進行實驗演示、實驗操作能使使學生對物理事實獲得具體而又明確的認識從而真正理解概念物理規律的基礎，達到預想教學效果。實驗還可以培養學生的觀察能力和實驗能力，這也是高中物理學習大綱要求的一個重要目標。為此，本文從物理學習的認知過程來看物理實驗研究。

【關鍵詞】物理學習 認知過程 物理實驗

1物理學習的認知過程

物理知識的學習有通過感知物理現象之后，經過簡單的科學抽象就可以理解，也有通過感知物理現象之后，必須通過認知結構的轉化或調整才能理解。為了讓大家知道到底哪些知識的學習需要認知的調整和轉變，哪些不需要，筆者對物理學習的認知過程進行如圖1所示的分類。從圖1中可看出物理知識按學生認知特點可分為4種不同的過程。對于沒有相關經驗的知識的學習，必須通過實驗來創設物理學習的情境，增強學生的感性認識，才能理解，這類實驗稱為增強感性認識實驗。而對于學生已有相關經驗且這些經驗與科學知識完全相同時，只要喚起學生頭腦中的感性認識，就可以順利地理解。對于已有經驗與科學知識部分相同的知識學習，必須通過實驗來促進學生認知的調整才能理解，這類實驗稱為認知調整實驗。對于已有經驗與科學觀念相違背的知識學習，必須通過實驗來促進學生認知的轉變才能完成，這類實驗稱為認知轉變實驗。

2物理實驗操作策略

2.1實驗操作中的元認知策略

（1）計劃：開始實驗操作之始，策劃整個實驗過程，在實驗知識、技能、心理等方面做足準備。

（2）調控：在實驗操作過程中，時時監控自己的操作，如發現實驗現象不明顯或與驗證結論不一致時，要探尋問題的原因（如儀器是否正常工作、自己的操作是否得當等），重做實驗。

（3）評估：操作結束之后，對整個實驗操作的過程進行反思。如：對計劃制定是否合理、實驗中操作是否正確、實驗記錄是否準確、詳實、數據分析及處理是否恰當、實驗報告的設計及填寫是否合理等問題進行思考和評價。

2.2實驗操作技能策略

實驗儀器的連接及調試；觀察記錄；儀器整理。

2.3實驗操作認知分析策略

分析——運用列表法、圖像法等對實驗數據進行處理；整合——把分析獲得的信息進行有機的組合，得出結論；結論分析——對實驗結論的正確性、實驗中存在的誤差、實驗中出現的故障進行分析、總結。

2.4實驗操作中的資源管理策略

（1）求助策略是指在實驗操作中遭遇困難時，向周圍的人尋求幫助的策略。例如，不同學生分工協作操作實驗，當儀器出現故障或實驗現象不明顯自己又解決不了問題，可尋求老師或者周圍同學的幫助等。

（2）情感管理策略是指在實驗操作中對個人情緒的調控，注重激發自身積極的動機，培養自身求真務實的科學態度。尤其在實驗操作不成功或者實驗數據不理想時，不放棄，調整情緒，認真分析問題原因，或求助于教師或同學。

2.5實驗方法歸納概括策略

（1）放大法。例如顯示微小形變時，可以利用毛細管中的細液柱來顯示手擠壓玻璃時的微小形變。卡文迪許利用放大法測出了引力常量：庫侖也利用同樣的放大法測出了靜電力常量。

（2）比較法。它是將被測量與標準量進行比較而得到測量值的。例如，將物體的長度與直尺、游標卡尺或者螺旋測微器的標準量進行比較，得到物體的長度。

（3）累積法。累積法就是將難以直接測量的物理微小量進行累積測量的方法，累積法的優點是可以減小誤差。

（4）補償法。

（5）模擬法。

2.6自己設計實驗的策略

自己設計實驗的策略是指打破現成的設計方案，在一些特定的要求和條件下，自行設計一些新的實驗方案和步驟，完成其實驗要求的方法。設計型實驗是一種培養創新能力和實踐能力的一些實驗，由于設計型實驗儀器的可選擇性、設計方案的多樣性、應用知識的靈活性和解決實驗問題的新穎性，因此學生要經過長期訓練才能具備自己設計實驗的能力。自己設計實驗的策略實施包括一些幾個方面。

（1）搞清實驗的目的和要求，弄清每一種儀器的基本用途和使用方法。

（2）尋找可行的方法，將實驗目的和要求與儀器所能測量的物理量聯系起來，找出中間的必然的規律性的聯系，從測量的物理量出發，通過什么樣的過程，達到實驗的目的和要求，寫出整個過程的全部內容就是設計方案，并通過分析選出最佳方案。

（3）設計實驗步驟，根據實驗的方法確定恰當的實驗步驟。

（4）設計減小實驗誤差的方案。實驗誤差不可避免，但是設計實驗必須考慮使誤差最小，選用更精密的儀器或更準確的方案。例如，電阻的測量，可以使用伏安法測電阻，但該方法由于電表本身的影響，有明顯的電路不完善的系統誤差；可以改進為等效替代法，就解決了電路不完善的誤差，但還存在電表不準確的誤差；如果使用惠斯通電橋法，電表不準確的誤差就解決了，但還存在電表靈敏度的問題。

3結束語

物理學習不是由教師向學生傳送知識，而是學生根據外在的信息，通過物理實驗進行操作、觀察、總結，不但能夠激發學生的學習興趣，更能夠通過每一步的仔細實驗提高學生的注意力，從而保證學生有效的學習。通過一系列的實驗后學生對試驗中的思維能力、操作能力等都有所提高，并且能夠通過實際操作加深學生對操作設備、步驟影響等方面的印象，并通過最終分析相關數據得到結果，從而讓學生能有效的完成學習目標。因此，根據學生物理學習的認知過程來研究實驗可以使實驗真正成為能促進學生理解的活動，同時也為物理實驗研究提供了一個嶄新的思路。endprint