提升物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)
——課題化改造物理實(shí)驗(yàn)的策略研究

沈 哲

（浙江省杭州市蕭山區(qū)第二高級(jí)中學(xué)，浙江 杭州）

物理實(shí)驗(yàn)實(shí)施課題化改造能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和首創(chuàng)精神，最終達(dá)到使學(xué)生有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前所學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)和一種探求、嘗試、體驗(yàn)的過程的目的，是一種能將自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)有機(jī)地結(jié)合在一起的較高層次的學(xué)習(xí)模式，可以使認(rèn)知沖突更容易產(chǎn)生，也更加深入和廣泛，在此過程中還可以相互啟發(fā)，擴(kuò)大自己的思維，打破原有的思維定式，真正實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，產(chǎn)生雙贏的效果，這是一種真正的開放式實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑且粋€(gè)動(dòng)態(tài)生成的過程，是提升物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的有效教學(xué)方式之一。物理實(shí)驗(yàn)與研究課題之間存在著差別，那么物理實(shí)驗(yàn)如何進(jìn)行課題化改造？我們覺得可以從下面幾個(gè)方面入手：

一、開放實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

開放實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，是開放實(shí)驗(yàn)的首要環(huán)節(jié)，具體的操作可以這樣：

1.讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室去了解本校實(shí)驗(yàn)室的儀器配備情況，知道實(shí)驗(yàn)室能提供哪些儀器。

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所能提供的實(shí)驗(yàn)儀器情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)一步選擇合適的儀器。

3.根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案確定實(shí)驗(yàn)步驟，完成實(shí)驗(yàn)。

如“測定金屬的電阻率”實(shí)驗(yàn)中，教材中給出的方法是用電壓表和電流表進(jìn)行測量，但如果我們要求學(xué)生自己來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)的探索性就會(huì)明顯加強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)的方案也會(huì)變得多姿多彩，他們會(huì)將自己已有的那點(diǎn)直流電路知識(shí)應(yīng)用得淋漓盡致。我們認(rèn)為，這樣做總比一切都是現(xiàn)成的機(jī)械模仿要好得多。同時(shí)也證明，只有開放實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，突破教材中給定的實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生的自主性才能得到充分的發(fā)揮，實(shí)驗(yàn)才具有課題研究的意義。

二、開放實(shí)驗(yàn)的研究范圍

1.拓展延伸實(shí)驗(yàn)的研究內(nèi)容

把實(shí)驗(yàn)的研究內(nèi)容進(jìn)行拓展和引申，是使實(shí)驗(yàn)更具有探索性的有效方法，因?yàn)橐旰屯卣沟膬?nèi)容相對(duì)來說自主性更強(qiáng)，需要學(xué)生獨(dú)立完成。如“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實(shí)驗(yàn)，教材的要求是只要根據(jù)給定的電路和儀器畫出小燈泡的伏安特性曲線即可。如果實(shí)驗(yàn)只是到此為止，那么我們認(rèn)為無論是實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容還是實(shí)驗(yàn)的探索意義都顯得狹隘了一些，為此我們可以進(jìn)一步給出下列任務(wù)來讓學(xué)生完成：

給出一段電爐的電阻絲，通過實(shí)驗(yàn)畫出它的伏安特性曲線。

給出一定量的食鹽水，通過實(shí)驗(yàn)畫出液體導(dǎo)電時(shí)的伏安特性曲線。

給出一支大功率二極管，通過實(shí)驗(yàn)畫出半導(dǎo)體導(dǎo)電時(shí)的伏安特性曲線（正反兩種情況）。

如果有教師的指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)條件的允許，還可以研究氣體導(dǎo)電時(shí)的伏安特性曲線。

很顯然，當(dāng)我們把實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行引申拓展，實(shí)驗(yàn)的探索意義會(huì)明顯增強(qiáng)。

（2）遷移實(shí)驗(yàn)的研究方法用以解決新的問題

當(dāng)教材中規(guī)定的物理實(shí)驗(yàn)完成之后，若能將實(shí)驗(yàn)中所用到的研究方法通過遷移用以解決新的實(shí)際問題，不但能有效地豐富實(shí)驗(yàn)的研究內(nèi)容，而且為學(xué)生提出了一個(gè)十分合適的研究課題。這樣的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軤I造出一個(gè)十分濃厚的探索氛圍。

如“測量平行玻璃磚的折射率”這一實(shí)驗(yàn)，由于教材已對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和具體的操作方法交代清楚，一般的學(xué)生都能按部就班地完成，但實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想?yún)s是值得稱道的，如果實(shí)驗(yàn)就此結(jié)束，無論是對(duì)學(xué)生探索能力的培養(yǎng)還是研究思想的體驗(yàn)都是欠缺的。為此，我們可以把實(shí)驗(yàn)的研究思想進(jìn)行遷移，提出一些新的課題來讓學(xué)生進(jìn)行探索和研究，在該實(shí)驗(yàn)中，我們可以提出下面一些新的問題讓學(xué)生來研究：

給出一塊三棱鏡，請(qǐng)測出棱鏡玻璃的折射率。

給出一塊半圓柱形玻磚，要求測出玻磚的折射率。

物理實(shí)驗(yàn)中這樣的例子很多，如畫了等量異號(hào)電荷的等勢(shì)線之后再設(shè)法來畫帶電平行板間的電場或帶電同軸柱面間的電場的等勢(shì)線等等。

三、開放實(shí)驗(yàn)儀器選擇

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的儀器設(shè)備越來越多地走入我們的生產(chǎn)生活。如果我們?cè)趯?shí)驗(yàn)的過程中不加分析地排斥使用實(shí)驗(yàn)室以外的高新技術(shù)儀器，一味地強(qiáng)調(diào)“土法上馬”“瓶瓶罐罐”做實(shí)驗(yàn)，那么我們的學(xué)生以后如何面對(duì)日新月異的科技發(fā)展？事實(shí)上，一臺(tái)新的儀器設(shè)備，從對(duì)它不熟悉到能熟練使用的過程，是一個(gè)非常有意義的學(xué)習(xí)過程，這種學(xué)習(xí)能力，正是我們的學(xué)生以后走上實(shí)際工作崗位所必需的，但這一點(diǎn)正是我們的學(xué)生，甚至于我們的老師都缺乏的。因此，在鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用簡陋的設(shè)備進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也要十分重視鼓勵(lì)學(xué)生積極應(yīng)用新的技術(shù)和新的設(shè)備來進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)。

如“研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”，教材中使用的儀器可以說是簡陋得不能再簡陋了：一塊木板、一張白紙、一塊帶缺口的鐵片、一個(gè)小鐵球加一支鉛筆就是實(shí)驗(yàn)的全部儀器。從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想來看，當(dāng)然是十分可取的，但實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力培養(yǎng)應(yīng)該是多元的，因此，我們完全可以鼓勵(lì)學(xué)生用其他的儀器來研究這個(gè)問題。如我們可以把數(shù)碼攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)配合起來進(jìn)行研究，這樣可以讓學(xué)生熟悉數(shù)碼攝像機(jī)的使用、怎樣把數(shù)碼攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)連接起來、怎樣利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等等。很明顯，在這樣的過程中，實(shí)驗(yàn)的研究方法才能呈現(xiàn)出多樣性，研究的氛圍也會(huì)更加濃厚，學(xué)生可以學(xué)會(huì)很多在常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法中學(xué)不到的技術(shù)。

四、開放實(shí)驗(yàn)的組織形式

作為課題研究形式的物理實(shí)驗(yàn)，原有的實(shí)驗(yàn)組織形式難以適應(yīng)開放后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，所以，我們必須開放實(shí)驗(yàn)的組織形式，具體來說，可以采取下列措施：

1.允許學(xué)生有自由支配實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

2.允許不同層次的學(xué)生完成不同層次的實(shí)驗(yàn)。

3.以成立課后實(shí)驗(yàn)研究小組的形式，鼓勵(lì)學(xué)生在課后進(jìn)行拓展性實(shí)驗(yàn)。

五、讓學(xué)生參與演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與操作

對(duì)于演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生本來是一個(gè)“旁觀者”，實(shí)驗(yàn)儀器的選擇和實(shí)驗(yàn)方案的確定都是現(xiàn)成的或者是教師設(shè)計(jì)的。但如果把這個(gè)任務(wù)交給學(xué)生，將會(huì)成為一個(gè)非常好的“研究課題”。

如探索自感現(xiàn)象，如果學(xué)生只是觀察一下課本中的演示實(shí)驗(yàn)，然后通過理論分析得出自感的概念，這樣自感的概念是建立起來了，但這樣的知識(shí)對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)作用不會(huì)很大，因?yàn)閷W(xué)生對(duì)研究自感現(xiàn)象的方法究竟有哪些，什么樣的線圈能產(chǎn)生明顯的自感現(xiàn)象，用什么方法、什么儀器能觀察到這種現(xiàn)象等實(shí)際問題以及相關(guān)的方法性知識(shí)將會(huì)一無所知。但如果把它作為一個(gè)課題研究，讓學(xué)生直接參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作，這不但提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，而且可使學(xué)生獲得大量的直接經(jīng)驗(yàn)。雖然學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案可能不是最佳方案，甚至可能還帶有明顯的缺陷，但這完全可以通過學(xué)生在自己動(dòng)手實(shí)踐的過程中逐漸認(rèn)識(shí)和加以改進(jìn)。一旦我們把實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生，其積極性和創(chuàng)造性就會(huì)得到充分發(fā)揮。

六、拓展課后小實(shí)驗(yàn)，拉近物理實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)生活的距離

課后小實(shí)驗(yàn)的功能至今還沒有被大部分教師所認(rèn)識(shí)。首先，課后小實(shí)驗(yàn)從原理的設(shè)計(jì)、材料和儀器的選用、實(shí)驗(yàn)的操作都是學(xué)生自主進(jìn)行的，因此對(duì)學(xué)生自主探索能力的培養(yǎng)有著極大的意義，同時(shí)課后小實(shí)驗(yàn)所用的大部分知識(shí)與學(xué)生在課堂上所學(xué)的知識(shí)有著密切的聯(lián)系，它既是理論聯(lián)系實(shí)際的一種有效方式，又十分有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和鞏固，因此對(duì)課后小實(shí)驗(yàn)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行拓展之后，便能成為一個(gè)相當(dāng)有價(jià)值的研究課題。

如學(xué)習(xí)了電容器的知識(shí)后，我們可以布置下面的課外小實(shí)驗(yàn)：

1.自制一個(gè)平行板電容器，研究平行板電容器電容與哪些因素有關(guān)。

2.通過實(shí)驗(yàn)說明增大和減小電容器電容的方法。

在上面兩點(diǎn)實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步做如下拓展：

3.根據(jù)電容器電容變化的特點(diǎn)，請(qǐng)你制作一個(gè)簡單的電容傳感器，將不便于測量的非電物理量轉(zhuǎn)化成電學(xué)量。

4.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)怎樣將機(jī)械秤改為電子秤、將機(jī)械油量表改為電子油量表的方法。

七、開放實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)成為研究課題后，對(duì)實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)應(yīng)是“重過程、輕結(jié)果”，不能簡單地依據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，至少應(yīng)考慮從幾個(gè)方面來進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：

1.學(xué)生在整個(gè)過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)的情感與態(tài)度

在實(shí)驗(yàn)過程中的情感與態(tài)度包括兩個(gè)方面：一是對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，二是對(duì)實(shí)驗(yàn)的投入。

2.實(shí)驗(yàn)的思想與創(chuàng)意

對(duì)學(xué)生來說，只要在某些方面設(shè)計(jì)比較巧妙或者有一定的新意，我們都必須給予鼓勵(lì)和表揚(yáng)，如在“研究平拋物體的運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)中，有學(xué)生用幼兒練寫字兼游戲用磁性畫寫板來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以十分方便地畫出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，實(shí)驗(yàn)很有新意。再如，在設(shè)計(jì)電磁振蕩演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，電容器要不斷地交替進(jìn)行充放電，因此需要一個(gè)能持續(xù)工作的單刀雙擲開關(guān)，這個(gè)開關(guān)的選擇也正是本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，有的學(xué)生巧妙地選用了電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器并稍加改裝，十分完滿地解決了這一難題，設(shè)計(jì)可謂巧妙。所有這些教師都要給予積極的肯定。

3.實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)能力訓(xùn)練的力度

一個(gè)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，關(guān)鍵是看學(xué)生是否在實(shí)驗(yàn)的過程中各種能力得到了充分的訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)雖然失敗了，但在實(shí)驗(yàn)的過程中學(xué)生獲得了很多經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從而明白了在解決實(shí)際問題時(shí)什么樣是可行的，什么樣是不可行的。那么實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能仍然是具備的，或許它的意義可能會(huì)更大。