提升物理學(xué)科實驗素養(yǎng)
——課題化改造物理實驗的策略研究

沈 哲

（浙江省杭州市蕭山區(qū)第二高級中學(xué)，浙江 杭州）

物理實驗實施課題化改造能充分發(fā)揮學(xué)生的主動性、積極性和首創(chuàng)精神，最終達到使學(xué)生有效地實現(xiàn)對當(dāng)前所學(xué)知識的意義建構(gòu)和一種探求、嘗試、體驗的過程的目的，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)，擴大自己的思維，打破原有的思維定式，真正實現(xiàn)互動，產(chǎn)生雙贏的效果，這是一種真正的開放式實驗?zāi)Ｊ剑且粋€動態(tài)生成的過程，是提升物理學(xué)科實驗素養(yǎng)的有效教學(xué)方式之一。物理實驗與研究課題之間存在著差別，那么物理實驗如何進行課題化改造？我們覺得可以從下面幾個方面入手：

一、開放實驗的設(shè)計

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

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

2.根據(jù)實驗室所能提供的實驗儀器情況設(shè)計實驗方案，并進一步選擇合適的儀器。

3.根據(jù)自己設(shè)計的實驗方案確定實驗步驟，完成實驗。

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

二、開放實驗的研究范圍

1.拓展延伸實驗的研究內(nèi)容

把實驗的研究內(nèi)容進行拓展和引申，是使實驗更具有探索性的有效方法，因為引申和拓展的內(nèi)容相對來說自主性更強，需要學(xué)生獨立完成。如“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗，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。如果實驗只是到此為止，那么我們認(rèn)為無論是實驗的內(nèi)容還是實驗的探索意義都顯得狹隘了一些，為此我們可以進一步給出下列任務(wù)來讓學(xué)生完成：

給出一段電爐的電阻絲，通過實驗畫出它的伏安特性曲線。

給出一定量的食鹽水，通過實驗畫出液體導(dǎo)電時的伏安特性曲線。

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

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

很顯然，當(dāng)我們把實驗的內(nèi)容進行引申拓展，實驗的探索意義會明顯增強。

（2）遷移實驗的研究方法用以解決新的問題

當(dāng)教材中規(guī)定的物理實驗完成之后，若能將實驗中所用到的研究方法通過遷移用以解決新的實際問題，不但能有效地豐富實驗的研究內(nèi)容，而且為學(xué)生提出了一個十分合適的研究課題。這樣的物理實驗?zāi)軤I造出一個十分濃厚的探索氛圍。

如“測量平行玻璃磚的折射率”這一實驗，由于教材已對實驗的設(shè)計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，但實驗的設(shè)計思想?yún)s是值得稱道的，如果實驗就此結(jié)束，無論是對學(xué)生探索能力的培養(yǎng)還是研究思想的體驗都是欠缺的。為此，我們可以把實驗的研究思想進行遷移，提出一些新的課題來讓學(xué)生進行探索和研究，在該實驗中，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。

物理實驗中這樣的例子很多，如畫了等量異號電荷的等勢線之后再設(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線等等。

三、開放實驗儀器選擇

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。如果我們在實驗的過程中不加分析地排斥使用實驗室以外的高新技術(shù)儀器，一味地強調(diào)“土法上馬”“瓶瓶罐罐”做實驗，那么我們的學(xué)生以后如何面對日新月異的科技發(fā)展？事實上，一臺新的儀器設(shè)備，從對它不熟悉到能熟練使用的過程，是一個非常有意義的學(xué)習(xí)過程，這種學(xué)習(xí)能力，正是我們的學(xué)生以后走上實際工作崗位所必需的，但這一點正是我們的學(xué)生，甚至于我們的老師都缺乏的。因此，在鼓勵學(xué)生應(yīng)用簡陋的設(shè)備進行物理實驗的同時，也要十分重視鼓勵學(xué)生積極應(yīng)用新的技術(shù)和新的設(shè)備來進行物理實驗。

如“研究平拋物體的運動”，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、一個小鐵球加一支鉛筆就是實驗的全部儀器。從實驗的設(shè)計思想來看，當(dāng)然是十分可取的，但實驗教學(xué)的能力培養(yǎng)應(yīng)該是多元的，因此，我們完全可以鼓勵學(xué)生用其他的儀器來研究這個問題。如我們可以把數(shù)碼攝像機和計算機配合起來進行研究，這樣可以讓學(xué)生熟悉數(shù)碼攝像機的使用、怎樣把數(shù)碼攝像機和計算機連接起來、怎樣利用計算機進行數(shù)據(jù)處理等等。很明顯，在這樣的過程中，實驗的研究方法才能呈現(xiàn)出多樣性，研究的氛圍也會更加濃厚，學(xué)生可以學(xué)會很多在常規(guī)實驗方法中學(xué)不到的技術(shù)。

四、開放實驗的組織形式

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

1.允許學(xué)生有自由支配實驗的時間。

2.允許不同層次的學(xué)生完成不同層次的實驗。

3.以成立課后實驗研究小組的形式，鼓勵學(xué)生在課后進行拓展性實驗。

五、讓學(xué)生參與演示實驗的設(shè)計與操作

對于演示實驗，學(xué)生本來是一個“旁觀者”，實驗儀器的選擇和實驗方案的確定都是現(xiàn)成的或者是教師設(shè)計的。但如果把這個任務(wù)交給學(xué)生，將會成為一個非常好的“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驗，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，但這樣的知識對實踐的指導(dǎo)作用不會很大，因為學(xué)生對研究自感現(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)象等實際問題以及相關(guān)的方法性知識將會一無所知。但如果把它作為一個課題研究，讓學(xué)生直接參與實驗的設(shè)計和操作，這不但提高了學(xué)生的實踐能力，而且可使學(xué)生獲得大量的直接經(jīng)驗。雖然學(xué)生設(shè)計的實驗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)生在自己動手實踐的過程中逐漸認(rèn)識和加以改進。一旦我們把實驗的主動權(quán)還給學(xué)生，其積極性和創(chuàng)造性就會得到充分發(fā)揮。

六、拓展課后小實驗，拉近物理實驗與生產(chǎn)生活的距離

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

如學(xué)習(xí)了電容器的知識后，我們可以布置下面的課外小實驗：

1.自制一個平行板電容器，研究平行板電容器電容與哪些因素有關(guān)。

2.通過實驗說明增大和減小電容器電容的方法。

在上面兩點實驗要求的基礎(chǔ)上，我們進一步做如下拓展：

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

4.請設(shè)計一個怎樣將機械秤改為電子秤、將機械油量表改為電子油量表的方法。

七、開放實驗的評價

當(dāng)實驗成為研究課題后，對實驗的評價應(yīng)是“重過程、輕結(jié)果”，不能簡單地依據(jù)實驗的結(jié)果，至少應(yīng)考慮從幾個方面來進行綜合評價：

1.學(xué)生在整個過程中對實驗的情感與態(tài)度

在實驗過程中的情感與態(tài)度包括兩個方面：一是對實驗的興趣，二是對實驗的投入。

2.實驗的思想與創(chuàng)意

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

3.實驗過程中相關(guān)能力訓(xùn)練的力度

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