高中物理實驗教學有效性的探討

王順敬

物理實驗教學活動有助于培養學生的科學思維，提高學生的表達能力和合作意識，并從整體上提升學生個人探究學習能力及學科素養。目前高中物理實驗教學的開展還存在一些有待改進的地方。本文圍繞高中物理實驗教學內容和教學方法進行教學有效性探討，提出具有可行性的策略。

高中物理實驗與物理理論相輔相成，通過物理實驗教學展示過程，證實物理理論，體驗物理探究過程的科學性，能夠培育學生物理核心素養。提高物理實驗教學的有效性是十分必要的。什么是教學有效性？關鍵在于學生真正發生學習。如何讓物理實驗學習真正發生，本文結合實例從教學內容和教學方法兩方面進行探析，為教學提供參考。

一、教學內容

（一）對小組實驗提出有效的疑問，試圖進行創造性的問題解答

《義務教育課程標準》清楚表明：為了防止同學們按照教師或教科書所設定的步驟假裝“探究”，不要僅僅關注于符合探究假定的物理學事實，還要關注并搜集與期望結果不一致的資料信息。也就是應當啟發鼓勵學生大膽質疑、猜想，包括實驗儀器、方法等。做真實驗才能發現真問題，不能機械地照搬書上內容。比如探究加速度與外力、質量的關系實驗中，就有很多值得探究的問題。如為何要平衡摩擦力？如果不平衡摩擦力有什么影響？可以完成實驗嗎？為何要控制小車（包括車上鉤碼）質量遠大于懸在空中的鉤碼的質量？怎么理解“遠大于”，并做到“遠大于”？是否有其他更好的方案？即同一個實驗可以讓學生思考設計多個實驗方案，讓學生在質疑、思辨中分析問題，在交流評價中尋找解決問題的最佳方案。

作為第二課堂的研究性學習活動，其課題來源于生活，可以是課堂上爭辯難解的問題，也可以是課內實驗遺留的問題。物理研究性學習具有開放性、實踐性、綜合性和生成性，是探索新知的學習過程，是課內實驗的延伸，研究過程中經常會碰撞出創造的火花，有利于學生創新意識的培養，提升實驗教學的有效性。比如課題“如何測量微小力”，不同的學生可能會提出不同的解決方案。第一，用勁度系數很小的彈簧做成彈簧秤測量；第二，利用光的直線傳播測微小形變的方法測微小力；第三，利用微小力改變封閉氣體的體積，在等溫變化的情況下，通過測量壓強的變化來間接測量微小力……從學生的方案中可以看到平時上課和作業的影子，這也是一種知識的遷移應用，如方案二學生聯想到了“力可以使物體產生形變”，這就是在原有知識的基礎上進行知識重組，產生出解決問題的方法，這個方案可能有人涉足過，但對于學生而言，這是了不起的創新嘗試。

（二）改進豐富演示實驗，靈活處理解決問題

演示實驗是學生分組實驗重要的補充，形象直觀，有利于激發學生的學習興趣。學生在觀察或者參與實驗的過程中開啟積極的思維，有利于建立物理觀念，尋找物理規律，落實核心素養。

教材中的迷你實驗、課后習題中的實驗以及物理聊吧等欄目中出現的實驗內容，教師在備課過程中應該綜合考量，根據實際情況靈活處理。例如：必修第一冊P112中“上段還是下段的細繩先斷”，僅從慣性的角度解釋不清楚、不到位，建議放到動量學習完再處理；必修第二冊P13中“影響動能大小的因素”，該實驗似乎不能很好說明問題，學生容易認為動能大小與高度有關，建議更換；必修第二冊P35中“鋼珠在磁鐵吸引下的運動”這個實驗看似簡單，但實際操作不容易成功，鋼球離磁鐵太遠、受力小，基本沒偏轉，鋼珠離磁鐵太近容易被吸住，偏轉效果也不明顯，建議將實驗加以改進處理。

某些實驗可設計成小游戲，增強教學趣味性、有效性。例如：必修第二冊P39第6題為考查運動合成與分解設計的吹乒乓球的趣味實驗；P65第2題為考查圓周運動向心力來源設計的用葡萄酒杯搬運乒乓球的游戲。這種小實驗取材于日常生活，可隨時隨地開展，不僅新穎、有趣，而且對實驗過程以及其中涉及的知識學生也會產生深刻印象，更輕松、準確地掌握相對抽象的概念知識，同時有助于營造輕松、愉快的課堂氛圍，改變高中物理課堂沉悶死板、鴉雀無聲的局面。

利用生活中的物品自制簡易教具，鼓勵學生動手實踐，一些較為簡單的實驗學生可以自己完成。例如：必修第一冊中P70中向上“滾”的圓錐、P94中平行四邊形模型、P120中簡易加速度計；必修第二冊P76中習題第8題水流星模型等。學生把做的儀器帶到教室，上課時讓制作者演示給全班學生看，既鍛煉了學生的動手實踐能力，又給學生提供了上臺展示表達的機會，豐富提升了課堂教學效果，一舉多得。

（三）承上啟下充實實驗，搭橋連接解決問題

初中階段的物理實驗內容非常豐富，但一般都比較直觀，操作相對簡單。高中階段實驗比較綜合，對學生的實驗能力水平有更高的要求。因此做好初高中銜接，熟悉初中教材和課標，能夠提高高中物理實驗教學的有效性，有助于學生更好地適應高中階段的實驗學習。例如，關于感應電流產生的條件的探究，初中生們認為“當閉合電路的部分導體在磁場內進行切割磁感線運動時，會產生感應電流”。高中教學時可先設計“向已連接電流計的螺線管中插入或拔出條形磁”產生感應電流的實驗，磁鐵的插入和拔出改變的是線圈處的磁感應強度，與初中所學的不同。看似矛盾的兩者，讓學生對初中的結論產生質疑，啟發思考。再進一步引導學生，若將磁鐵視為不動，則相當于閉合線圈在切割磁感線，進而開展下一步探究學習。

二、教學方法

（一）基于大概念的綜合，使物理學的知識結構更加完整

《義務教育課程標準》緒論部分對學科教學大綱提出了“以學科大概念為中心，使課程內容結構化，以主題為導向，情景化教學內容為主，促進學科核心素養的落實” 。大概念引領下的大單元教學，從整體上對單元教學進行有序設計、有效整合，有利于將眾多知識圍繞大概念串聯成一個知識體系，遵循學生的認知規律，有利于概念規律在頭腦中的提煉和升華。

將物理實驗教學與大單元教學結合起來，可以幫助同學們建立一個完備的物理學科知識系統，極大地提高學生的實驗學習效果。

以魯科版教科書必修第1冊為例，第2章第1節“速度變化規律”提供的數據不是基于真實運動的模型建構，更像是為了說明勻變速運動特點，為了計算簡便而虛構的數據。第3節“實驗中的誤差和有效數字”舉例用刻度尺測量紙帶上兩點間的距離，可此時還沒開始學習打點計時器的使用，還沒做實驗，有點突兀。建議采用人教版的教學邏輯，將魯科版教科書必修第1冊的前兩章作為一個單元進行整體設計，通過紙帶、打點計時器實驗將運動學知識串聯起來。第一，第1章第1節空間和時間，第2節質點和位移；第二，實驗：練習使用打點計時器，利用打點計時器記錄勻速運動物體和勻加速直線運動的位移、時間信息，既深化了對位移的理解，又為之后的學習提供素材——紙帶；第三，第2章第3節實驗中的誤差和有效數字，利用紙帶數據測量講解有效數字和測量中的誤差；第四，第1章第3節速度，利用紙帶描繪位移時間圖像，講解瞬時速度和平均速度，并進行測量；進一步講解系統誤差和偶然誤差；第五，第1章第4節加速度，利用紙帶中速度的變化引入加速度的概念；第六，第2章第1節速度變化規律，通過描繪速度時間圖像引入勻變速直線運動概念，并求加速度；第七，第2章第2節位移變化規律；第八，第2章第5節自由落體運動，利用打點計時器證明自由落體運動是勻變速運動并求重力加速度。

（二）結合信息技術，激發高效的學習能力

美國教育家布盧姆把思維過程分為六大目標：記憶、理解、應用、分析、綜合、評價和創造。分析、綜合、評價和創造屬于高級的思維能力，是更高的認識層面，提倡從淺顯的知識中獲得和解析轉到深入的認識和運用中，從被動地獲得知識和技巧轉到有意義的思維學習，這對實現深度學習和智能教學環境的建設具有重要意義。

物理實驗是培養學生高層次思維的一種主要手段，它可以使“評價”和“創造”的思維在實驗“分析”中得到充分提高。而將信息技術融入物理實驗教學，能更自如地創設物理問題情境，更有利于學生在情境中建構知識，激發高效學習能力。

1.視頻素材。

為了有效增強實驗教學的趣味性、有效性，在教學設計中教師可以引用新穎、豐富的視頻素材為大家展示原本抽象的實驗內容。比如抖音，B站上的學習視頻資源就非常豐富。這些視頻用學生喜聞樂見的方式呈現出來，能將難懂枯燥的知識變得生動活潑，方便學生理解物理知識，特別是一些教師自己平時不易做的實驗，比如共振條件&高樓阻尼器。還有些視頻是習題中的實驗，有點“小題大做”的感覺，但是對學生理解某個知識點非常有效，形象直觀，比如夾角真的不變嗎？（活結與死結問題）。

另外像《加油向未來》《是真的嗎》等具有科學探究性質的綜藝節目拍攝的物理實驗可以篩選供學生學習，比如特斯拉放電展示、兩本交疊的書要多大的力才能拉開、羽毛和球誰先落地等。

2.希沃白板。

希沃白板是功能強大的互動教學平臺，儲存了海量的視頻課程資源，包括仿真實驗。相比于普通的黑板授課，在希沃白板中可以展示立體圖像，比如各種磁極磁場和電流周圍磁場、帶電粒子周圍電場分布，方便多角度觀察，更加形象直觀。一是可為磁場形狀、方向、強弱以及相互作用等概念的整體建構創造有利條件；二是洛倫茲力的教學，三維呈現出來分析便于學生理解。由于受環境和器材的限制，在教室里做演示實驗時學生觀察效果不理想。希沃白板投屏功能支持對手機屏幕進行投屏，可將實驗過程在教室電腦大屏幕上實時展示出來，全班同學都能看清楚，大大提升實驗教學的有效性。

3.智能手機。

（1）智能手機的慢放功能雖然達不到高速攝像機的精度，但是效果也很不錯，如果能將其運用到實驗教學中，有助于學生對實驗的觀察與理解，提高實驗教學的有效性。比如利用過山車的軌道模型演示時，借助手機慢放功能能夠清晰地看到小球在哪個位置脫離軌道，對于分析豎直面圓周運動很有幫助。

（2）Phyphox是一款為物理實驗而專門設計的手機程序，它通過手機內部的傳感器做大量有趣的物理實驗，并產生圖像，實時監控實驗過程，輸出實驗數據，這為物理實驗教學、揭示物理規律等方面提供新思路和新途徑。一臺智能手機相當于一個微型DIS實驗室，結合身邊的物品進行實驗，打破時空限制，能夠激發學生的實驗興趣和潛能，培養學生自主學習和探究精神。實驗結果會以圖表等形式形象展示出來，還能導出原始數據，進一步分析。例如應用該軟件可以探究超重和失重的加速度問題、探究向心力與角速度的關系、測量落體運動的加速度等。

4.視頻分析軟件。

以必修第一冊加速度這節課為例，課堂都是引導學生通過比值定義法得到加速度的概念，即單位時間內速度的變化量。然而在歷史上，一個物理學概念的建立卻沒有這么容易實現，對速度變化快慢的比較有兩種看法。一是對各時段的速度變化量進行對比，二是對單位位移內的速度變化量進行對比。怎樣把兩者的優點和缺點進行對比呢？可以通過Tracker軟件的錄像解析。首先，將小車在坡道上下滑進行勻變速直線運動拍下來，然后利用這個軟件，將小車的位置、速度和時間等數據提取出來，通過對v-t圖像和v-s圖像的對比分析，讓學生們對這兩幅圖像的差異及特征進行分析，v-t圖像是一條直線，更有其優越性和簡潔性，因此用描述物體速度的變化快慢比用更為合理。

再比如研究簡諧運動的位移速度圖像，分析平拋運動規律，視頻分析軟件強大的數據處理能力能夠讓實驗“可視化”，更容易發掘物理現象中蘊含的物理規律。

三、結語

加強物理實驗教學研究，認真落實基礎性實驗，特別是學生分組實驗，積極開展拓展性實驗，加強高中物理實驗教學與初中及大學課程的銜接，有機整合實驗內容，促進傳統實驗教學與信息技術深度融合，讓學生真正發生學習，將能更好地提升實驗教學有效性。