當前高中物理實驗教學的困境與突破

鄧壽根

(上海市控江中學 上海 200093)

1 造成高中物理實驗教學困境的原因

一直以來物理作為一門實驗學科，大量物理現象的解釋和規律的驗證都依賴于物理實驗，在課程標準中也一再強調科學探究實驗的重要性.由此可見物理實驗是物理教學中舉足輕重的一環.雖然我們一直說：“講十遍(練習)不如做一遍(實驗)”，但是由于受到應試和升學的影響，在日常教學中普遍存在著重理論教學、輕實驗教學的困境：講十遍往往是常態，而做一遍有時都會難以落實.造成這種困境的原因，筆者認為可能在于以下3個方面.

(1)教師動力的不足

雖然物理教師都承認物理實驗在物理學科中的重要地位，但是能夠在日常教學中真正把實驗教學放在一個重要位置的教師還不是大多數.多數教師面對實驗教學的態度基本上是完成規定的教學內容，而較少愿意在實驗方面投入更多的時間和精力.造成教師開展實驗教學動力不足的原因是多方面的.

首先，教師在準備實驗時要付出許多額外的辛勤努力，而這些付出學校往往不會給予相應的報酬，教師只能默默地作出無私的奉獻.同時由于教師除了準備實驗無形中增加了大量的工作外，還要盡可能做滿課程設置上的“滿工作量”，導致教師身心交瘁，很難應對.

其次，由于存在應試的壓力，一線教師往往非常看重教學效率.在部分教師眼中實驗教學效率往往低于理論教學.一堂實驗課所能完成的教學內容遠不能與一堂理論課甚至是習題課相比.

再次，由于實驗研究過程中涉及到的因素眾多，若要分析透徹，對學生的要求甚高，因此部分教師對于實驗教學能否有效培養學生邏輯思維和分析能力心存疑慮.

加之當下信息技術飛速發展，大量實驗都可以通過軟件模擬來實現，不僅視覺效果出色而且過程精確可控，因此使很多物理教師選擇“虛擬實驗”代替真實的實驗操作.

(2)學生的喜新與厭煩

一般認為，對于實驗教學，學生的態度應該較教師更為積極.但是當我們仔細觀察實驗課堂時，會發現很多時候吸引學生的只是那些新鮮的實驗器材、有趣的實驗現象和自由的操作環境，對于教師要求的實驗規范、流程、結果以及探究實驗面臨的許多困難卻常常沒有太大的興趣.造成這種現象的原因也是多方面的.

一方面是學生具有與生俱來的對一些新鮮事物和奇特現象的好奇，但對一些常規的要求不愿付出更多的努力，對一些好奇現象背后一些深層次的原因缺乏勇于探究和不斷追求的毅力和擔當.

另一方面是教師總是過多強調實驗操作的規定流程.為了提高學生實驗的效率，教師往往在實驗操作前，會將實驗的所有操作程序和注意事項詳細陳述，并要求學生嚴格按照實驗步驟操作.這樣的指導其實剝奪了學生試錯的過程，并將原本豐富靈活的實驗研究變成了僵化固定的程式化模仿.

再一個是教師過多關注實驗結果的正確性.為了培養學生的探究精神和學習興趣，物理教材中安排了大量的探究實驗.但是在實際教學中，學生對于實驗的結果通常早已知曉.在這種情況下，若教師依然強調要求學生按照規定操作得出正確的結論，由此學生便難以真正體驗到實驗探究的樂趣，自然難以激發學生對實驗探究的興趣.

正是由于我們的學生毅力與擔當不強，教師對于實驗操作和標準結論的過分關注，形成了較為機械和刻板的實驗教學模式，從而導致了學生對物理實驗的厭煩.

(3)評價標準的單一

現階段對于高中物理實驗考核形式有兩種，一種是針對學生實驗操作能力的實驗操作考試，另一種是理論考試，也就是平常所說的“實驗題”.雖然兩種考核形式覆蓋了實驗操作和理論分析，但是現階段的實驗操作考試和理論考試，都還不能全面檢測學生的實驗能力.例如實驗操作考試中所涉及的考題均為基礎課程中規定的學生實驗，所考察的內容主要是實驗操作步驟和注意事項.部分學生即使在不理解實驗原理的情況下，也能通過機械記憶和反復操練完成整個流程.因此，教師在日常教學過程中才會高度關注實驗的操作步驟和注意事項.

再如理論考試所涉及的問題，往往都是基于理論分析的推測，有時可能與學生在實驗室看到的現象有所差異甚至完全不同.因此面對這些紙面上的“實驗”，師生通常會更傾向于通過理論分析和反復做題來應對，而忽視了對真實實驗的直接研究.

正是因為當前物理實驗評價標準存在重流程輕設計、重結果輕過程、重理論輕實際的傾向，促使師生通過應試模式來應對物理實驗考核.

2 突破物理實驗教學困境的幾點構想

突破上述3方面的困境當然不會是一朝一夕的事情，我們不應只看到困境，而更應思考對策.我們應該通過一些方法和措施去突破這些困境.結合近些年的工作實踐，筆者有了以下一些粗淺的構想.

(1)調動教師堅持物理實驗教學的積極性

一方面，對我們物理教師來說，搞好實驗教學是我們的天職，但對學校來說，要能夠看到物理教師大量的額外付出，要對教師在實驗教學中作出的大量辛勤付出給以安慰，要調動教師堅持物理實驗教學的積極性，不要以為你應該理所當然.同時應考慮到教師準備實驗要付出大量的工作，學校在安排教師課時時是否可以在原來課程設置的“滿工作量”上作適當的調整，以便可以讓教師能精力充沛地搞好實驗教學.

另一方面，要改革評價實驗教學的評價體系，就要從側重于從應試的角度評價教師教學效果的束縛中解脫出來，減輕應試教育的壓力，著遠于從學生長遠發展、培養學生核心素養的觀點出發，全面地恢復實驗教學的本位，極大地提高實驗教學效果.

(2)加強對學生的科學素養和責任擔當的教育

我們的學生是國家的未來，肩負著民族復興的重任，要有不怕吃苦勇于追求真理的獻身精神和責任擔當.國家興亡、匹夫有責，當前美國打壓我們的科技也給了我們一個很好的警醒.實驗是科技的搖籃，科學技術是第一生產力，我們要發展科學技術，大大提高生產力，必須從實驗抓起.榜樣的力量是無窮的，給他們多講一些像錢學森、郭永懷等老一輩科技工作者為了祖國的崛起奉獻了自己光輝一生的頑強毅力和責任擔當.教育他們不要感興趣的事情就去做，遇到枯燥繁瑣的事情就躲避.天將降大任于斯人也，必將苦其心志，勞其筋骨.我們只有提高我們的核心素養，肩負起中華崛起、民族復興的重任，不怕困難、勇往直前、堅韌不拔、頑強刻苦地去奮斗，我們的民族才有希望，才能屹立于世界民族之林.

筆者有一個學生，他發現早晚上下班高峰期，地鐵站內人潮涌動，乘客上下地鐵擁堵，地鐵運行速度慢等現象，萌生出憂患意識，表現出勇于為社會擔當、為民解難的難能可貴的品質，挺身而出愿意為社會貢獻出自己的聰明才智，決心去努力探究“解決軌道交通站內的擁擠問題”的方案.在堅持完成平常學習任務的同時，他不畏艱苦，夜以繼日地利用一切空余時間去調查研究，反復試驗.最終探究出一個專家非常認可的方案，在第十六屆上海市百萬青少年爭創“明日科技之星”評選大賽中，獲得上海市“明日科技之星”二等獎.如果我們的學生中有許許多多這樣的他，我們中國夢的實現就指日可待.

(3)變“答疑”為“激疑”

物理實驗教學的目的，不應僅是為了加深學生對某個物理結論的記憶和理解，更應該培養學生綜合運用知識分析問題的能力.而實驗研究中出現的矛盾和沖突正好為培養學生的綜合能力提供了契機.

物理教師可能都曾有這樣的經歷：一個原本認為非常簡單的實驗，當真正操作時卻發現和預想有較大差異.原因在于那些在理想化模型中被忽略的因素，對真實實驗造成了不可忽略的影響.當教師遇到這樣的問題時，若能深入分析研究實驗偏差的原因，就會幫助教師對實驗的原理和設計有更深入的理解，甚至可以激發教師團隊的集體討論.

實驗中產生的問題對教師能產生這樣的效果，對學生又何嘗不是如此呢？其實當學生們走進實驗室時，往往對課本上的結論深信不疑，是以一種“一切盡在意料之中”的心態在按部就班地進行實驗操作.若在實驗中遇到了意想不到的問題，反而會激發他們的興趣.這些問題可能是由于實驗操作不當造成的，也可能是因為某些實驗前未考慮到的因素造成的.此時若只是指導學生改正錯誤，或是將問題都歸結為實驗誤差，結果往往會使學生草草完成實驗，甚至編寫一些實驗數據來完成任務，這樣便完全失去了實驗的意義.

其實當學生通過實驗發現上述問題時，若能引導他們對問題進行分析和探究，并最終提出自己的解釋和證明，學生的自我意識就會被激發，學生的潛力就會被調動，而且會體現出超越我們想象的學習和分析能力.

例如，筆者曾經執教一節“滑動摩擦力”的實驗課，課上有一組學生根據課本實驗方案進行操作時，發現在壓力大小不變的情況下，以不同速度抽拉底板，測量出的滑動摩擦力大小有一定不同.于是認為滑動摩擦力大小可能與接觸面間的相對速度存在關系.因為學生在初中時學過滑動摩擦力大小與相對滑動速度無關的結論，因此這一觀點在課堂上引起了激烈的爭論，但是該組學生的實驗數據確實支持了他們的觀點，同時發現當時課堂上其他小組拉動底板時速度都比較緩慢，實際上控制了速度的穩定，因而沒有反應出速度的影響.

為了解決這個問題，筆者便鼓勵該組學生設計實驗方案并利用課余時間進行進一步探究.經過大約4周時間，他們利用DIS系統先后設計了3個實驗方案，繪制出了滑動摩擦力大小與接觸面間速度的實驗圖像，并最終得出了他們的結論：滑動摩擦力的大小與接觸面間的相對速度存在一定的關系.這個結論同時也在經典力學教材中找到了一定的支持.

更讓筆者感到意外的是，當完成實驗后，這幾位學生很興奮地向教師介紹他們的感悟：“滑動摩擦力公式f=μN，確實是個極其聰明的公式，它將許多會影響滑動摩擦力的因素都歸并入一個系數中，這樣不論是溫度還是濕度或是接觸面，甚至是相對滑動速度其實都可以被解釋為對μ的影響，從而把問題大大簡化了.”這便是學生的潛力.

通過上述例子，我們不難發現實驗中的很多問題其實都蘊含著豐富的物理知識.教師若能轉變視角，改變以往對標準結論的片面追求，通過挖掘物理實驗中各種“激疑”的素材，引導學生進入物理實驗的方方面面，讓學生充分發現問題、提出問題并進一步探究，學生的興趣和潛力便會得到激發，實驗教學的魅力便會得以展示，課堂的活力便會迸發.

(4)“放”課內“抓”課外

前面提到的，一線教師非常重視教學效率，由于擔心實驗課花時間、效率低，因此造成大量實驗課被理論課取代.但我們也經常會發現對于很多重復了多遍的問題，學生依然在犯錯.即便是高三經過大量重復訓練，學生還是會在很多基礎問題上反復出錯.這樣的經驗提醒我們，僅僅把眼睛盯在課內講授上，看似節約了時間，實際卻未必能保證較高的教學效率.很多時候教師講得很多、講得很細，換來的只是自己的心理安慰，因為學生在缺乏主觀動力的情況下，機械重復無助于他們對物理概念和方法的理解.

因此筆者建議“放”課內“抓”課外，其中“‘放’課內”包含兩層含義，一是放理論課還實驗課，二是實驗課上要放手讓學生實驗.

學生在實驗課上可以獲得比理論課更真實的直觀體驗和過程體驗，更能將理論知識與實際的物理現象聯系起來，從而幫助其提升物理建模能力.同時通過放手讓學生做實驗，利用實驗課中學生遇到的問題作為“激疑”素材，引導學生利用課外時間自主學習并思考分析出現問題的原因.從而用一節實驗課的時間換來學生投入更多課外時間和主動的思考，其實際教學效率遠高于單純的灌輸.看似放松了課內，實則抓住了課外.

能夠得到這樣的結論，學生們在課外一定是投入了大量的時間和精力，而這不正是我們所期望的嗎.可能會有教師擔心這樣的問題：學生自己能做嗎？最后會不會變成還是教師包辦呢?其實在整個過程中，教師的作用關鍵在于引導和鼓勵.對于實驗中的問題，很多研究中的問題，筆者通過參與討論提出自己的觀點，給學生一定的方向指引，但過程不包辦、結論不認定，讓學生有自己的思考空間和觀點確立.在這個過程中筆者發現很多超出課本的知識，學生都會通過討論或者網絡查詢加以解決，雖然對于某些知識理解可能還不夠清晰，但是卻能夠應用到自己的實驗和分析中去.其實教師自己在學習過程中，不也經歷過這樣一個從模糊到清晰的過程嗎.

真正的“物理高手”們，學習物理的時間都不局限在課內，甚至課內僅僅是他們學習或“思考”物理的很小一部分時間.課外大量的“自主思考”時間才是他們學習的主要過程.正是因為他們的學習自主性被調動起來，不僅學習是高效的，而且思考是深入的.而實驗教學正是引發這一過程的良好契機.

(5)變“考查”為“激勵”

在實現前面的改變后，教師還將面臨一個大問題：如何推動學生完成那些難度較高且沒有考試壓力的課外探究實驗呢？

筆者認為其實可以考慮借助“外力”實現對學生的激勵，推動學生克服困難不斷前進.例如近年來各級創新大賽蓬勃興起，有些學科競賽也提出了科研小論文的要求，這些活動平臺其實為我們的實驗教學提供了一個很好的展示平臺.例如前面提到的關于滑動摩擦力與接觸面相對滑行速度關系的實驗研究，筆者便鼓勵學生依據實驗結果，撰寫小論文參加當年的創新大賽，經過市區兩級評審最終學生的論文獲得佳績.

這些獎項對學生而言是學業成績以外的另一種肯定和激勵，這樣的成功體驗可以大大增強學生對物理學習的興趣和自信心，促使學生在物理學習上投入更多的時間和精力，從而形成良性循環.對于前面的例子，有的教師可能會提出：并非所有的實驗課都可以撰寫出這樣的論文參賽，那么在日常教學中還可以采取什么方式激勵學生呢？

其實激勵的方式多種多樣，筆者曾組織幾位學生對于電動機效率測定實驗進行改進，并讓他們攝錄下整個實驗過程，制作了一個實驗短片在年級中播放，為此幾位學生興奮不已.此外筆者還讓他們幫助修復一套陳舊的密立根實驗儀，并撰寫使用說明書，最后為它們拍照作為成果的獎勵.雖然這些工作并沒有得到什么獎牌或獎狀，但他們從中收獲了成就感，這對于高中生而言具有極大的意義.其中一位學生高三畢業后考入復旦數學系，卻在大學獲得了大學生物理競賽一等獎.當他回到母校時，總會提起這些做實驗的經歷.由此可見激勵學生的方式是多種多樣的，關鍵是讓學生體驗到成就感.

綜上所述，即使面對現實的種種困境，我們要勇于突破，調動教師實驗教學的積極性，培養學生的核心素養與頑強的毅力和責任擔當，把握實驗教學的根本目的，堅持培養學生探究和分析物理問題的能力，敏銳地發現實驗教學中的種種“疑點”，變“答疑”為“激疑”，“放”課內“抓”課外，變“考查”為“激勵”，有效激發學生主動研究物理問題的興趣，養成深入思考并自主探究的習慣，拓展學生的學習空間和途徑，為學生的終身發展奠定堅實的基礎.