例談青年教師實驗操作能力現狀與解決對策
2024-06-27 09:55:10劉三文龍海文
物理教學探討 2024年5期
劉三文 龍海文
摘? ?要：為提升高中物理教師的專業水平和實驗教學操作能力，促進教師的專業發展，各地舉行了不同形式的教師實驗技能比賽。以一次青年教師實驗教學能力大賽為例，討論其中存在的問題，提出對應的解決策略。
關鍵詞：實驗技能比賽；動手能力；試題設計
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）5-0091-6
隨著新課程改革的不斷深入，高中物理實驗教學日益受到重視。作為培養學生實踐能力的關鍵環節，實驗操作能力的重要性不言而喻。
新課標對教師的實驗能力提出了更高的要求，強調了教師在實驗教學中的主導作用，要求教師具備更高的實驗操作能力和創新精神，具體表現在以下幾個方面：
（1）具備獨立完成實驗的能力：教師需要具備獨立完成實驗的能力，包括實驗設計、實驗操作、實驗數據分析等。
（2）具有較強的實驗組織能力：教師需要具備較強的實驗組織能力，能夠合理安排實驗教學過程，有效地引導學生進行實驗活動。
（3）具備一定的創新精神：教師需要具備一定的創新精神，能夠根據實際情況對實驗教學進行改進或創新，以更好地適應學生的需求和發展。
（4）注重實驗教學與理論教學的結合：教師需要注重實驗教學與理論教學的結合，使學生能夠在實踐中更好地理解和掌握物理知識。
（5）關注學生的個體差異：教師需要關注學生的個體差異，能夠針對不同學生的實際情況因材施教，使每個學生都能夠在實驗教學中獲得充分發展。
然而，當前高中物理教學中，教師實驗操作能力仍有較大的提升空間。本文將以某市高中物理青年教師實驗教學能力大賽為例，分析青年教師實驗操作現狀及解決對策，以期為提升高中物理教師實驗操作能力提供一些思路和方法。
本次青年教師實驗教學能力大賽設置三個環節：對指定的教學內容進行單元整體設計和單元作業設計；教學基本功展示；課堂現場教學。其中，第二環節基本功展示含兩項內容：首先，觀摩一節錄像課后，書寫一份課堂教學評價。然后，進行實驗教學與操作技能展示，分初賽和決賽兩個階段，由組委會給選手指定實驗。要求選手獨立準備20分鐘，然后限時8分鐘面對評委進行演示實驗教學和講評，最后2分鐘回答評委提問。該比賽主要測試參賽教師的實驗教學能力和實驗處理能力，包括實驗設計和規范操作、引導學生觀察和思考、實驗教學效果等。評分標準如表1所示。
組委會命制了兩道實驗操作題，提供了一些實驗器材，要求參賽選手獨立完成實驗設計并展示。試題如下：
題一（初賽題）：用半偏法測量電流表的內阻
給定器材：待測電流表（指針在中央，量程0～50 mA，內阻約20 Ω），3個滑動變阻器（最大阻值分別為200 Ω，50 Ω，20 Ω），2個相同的電阻箱（0～9999 Ω），學生電源（0～30 V）。請你用半偏法測定待測電流表的內阻，并分析誤差。
題二（決賽題）：用電表觀察電容器的充放電
給定器材：電容器演示板1個，多用演示電表1個，4節干電池和電池盒，導線若干（實物如圖1、圖2所示）。
1? ? 實驗操作現狀
一共有24位教師參加比賽，選手年齡均在40周歲以下，教齡均在4年以上。這些教師均由學校推薦，都是各校公認的教學能力強、教學成績優秀的老師。他們在課堂教學、單元設計、作業設計及課堂評價方面表現均較為優秀。比賽過程中選手在實驗操作環節存在不同的問題，具體如下：
（1）實驗技能不夠熟練：部分參賽者在實驗操作過程中，表現出技能不夠熟練，缺乏必要的實驗操作經驗，甚至不會使用實驗器材。兩個實驗中都需要用到電表，組委會均在實驗前特意設計電表指針沒有對準零刻度線，部分參賽選手不進行調零或找不到機械調零的旋鈕。第二個實驗用的是多用電表，如果順時針旋轉選擇開關（見多用電表實物圖反面），表的正面右下角就會顯示相對應的測量功能及量程，如圖3所示。
（2）實驗操作規范性不夠：部分參賽者在實驗操作過程中存在操作不規范、不準確的問題，影響了實驗結果的準確性。
①量程選擇不對，不會連接電池盒，如圖4所示。
在用電壓表觀察電容器放電時，電源是4節干電池串聯，參賽選手選用量程為250 V交流擋進行實驗，同時右邊的電池盒沒有直接通過卡槽相連接，而是選擇用導線一個一個串聯起來。而規范的操作應該是選擇10 V直流電壓擋，電池盒可以直接用卡槽插接。
②接線不規范，雖知道電池盒可以直接通過卡槽相連接，但紅黑導線連接不規范（圖5）。
③思維固化，在用電流表觀察電容器充電時，受現有電路圖約束，直接將電流表夾接在單刀開關兩端，導致開關失去作用，如圖6（a）所示，而不能像圖6（b）那樣將電流表和電源串聯，再接在兩接線柱上。
（3）實驗設計能力不足：部分參賽者對實驗方案的設計不夠合理，對實驗目的、實驗原理理解不夠深入。兩個實驗均需要根據提供的實驗器材進行設計，選手現場對比賽題解讀能力較差，不能根據現有器材完成實驗。
選手完成半偏法測電流表內阻的情形如下：
第一類情形是選用2 V的電源、最大阻值為50 Ω的滑動變阻器、電阻箱與被測電流表組成電路進行測量，電路圖如圖7所示。
操作步驟為：閉合開關S1，調節滑動變阻器，讓電流表滿偏；保持滑動變阻器不變，閉合開關S2，調節電阻箱讓電流表半偏并記下電阻箱的示數，即為電流表的示數。
選手這樣測出電流表的阻值與給定的數據相比小了很多，存在很大的誤差，但對誤差原因不清楚，分析也不夠清晰，只是能匹配測出結果。
第二種情形是選用10 V的電源、最大阻值為200 Ω的滑動變阻器、電阻箱與被測電流表組成電路進行實驗，電路圖如圖8所示。
操作步驟與第一種情形一樣，這樣測得電流表的阻值比第一種情形的誤差要小點。與第一種情形相比，該選手清楚誤差原因，知道選最大阻值更大的滑動變阻器來減小誤差，能較準確地測出電流表的內阻。
第三種情形是選用30 V的電源、2個電阻箱與被測電流表組成電路進行實驗，電路圖如圖9所示。該設計說明：
①選手能根據實際情況選擇器材進行實驗，電源選擇最大的（30 V），滑動變阻器用電阻箱替代。
②選手對誤差原因很清楚，知道選大的滑動變阻器不足以減小誤差，以準確地測出電流表的內阻，這種轉化思維能很好地考查選手的應變能力。
賽后總結，初賽人數共24人，賽后的分層結果統計如表2所示。
從比賽結果來看，第二種情形人數最多，一共有20人，占83.3%，能正確完成實驗的只有3人，占12.5%，較真實地反映了青年教師根據實驗器材動手做實驗的能力相對欠缺。如果組委會將該實驗換成紙筆考實驗，將以上幾種情形設計出來，供選手選擇并說明選擇理由，再按選擇的電路動手完成實驗，可能絕大多數教師均能正確完成實驗。
原因分析：從表2中可以看出，選第一、二種情形的選手一共有21人，占87.5%，這些選手受到平常教學中“半偏法測電阻”電路中用的1個電阻箱與1個滑動變阻器的固定搭配影響，思維固化了，可能對實驗原理（條件）、誤差來源以及如何減小誤差不清楚。
參賽選手只記得半偏法測電流表的實驗電路圖如圖10所示，但對實驗步驟及實驗原理（條件）不理解。
實驗條件推導：斷開S2，閉合S1，調節R1，使電流表讀數等于其量程Im，由閉合電路歐姆定律可知，此時電路中的電流I==I；保持R1不變，閉合S2，調節R2，使電流表讀數等于Im，然后讀出R2的值，則RA=R2。設電流表與電阻箱R2并聯后的等效電阻為R，顯然，R
本實驗的誤差分析：當閉合S2時，總電阻減小，總電流增大，大于原電流表的滿偏電流，而此時電流表半偏，所以流經R2的電流比電流表所在支路的電流大，R2的電阻比電流表的電阻小，而我們把R2的讀數當成電流表的內阻，故測得的電流表的內阻偏小。
（4）知識儲備不夠，不能根據實驗器材設計實驗，讓實驗現象更加明顯，實驗過程可控。
用電表觀察電容器充放電實驗，組委會提供的電容器充放電演示器，能通過二極管觀察電容器充放電時的電流方向，但不能演示電容器充放電時電容器兩端的電壓值及電路中電流值隨時間變化的關系，這也是組委會設計該實驗的考點所在。
電容器充放電時間的計算方法，L、C元件稱為“慣性元件”，即電感中的電流、電容器兩端的電壓，都有一定的“電慣性”，不能突然變化。充放電時間不僅與L、C的容量有關，還與充放電電路中的電阻R有關。“1 μF電容的充放電時間是多長”，不講電阻，就不能回答。研究電容器充放電的RC電路圖如圖11所示。
根據上述公式，我們可以繪制出電容器充放電電壓隨時間變化的圖像。
從理論分析來看，組委會提供的演示實驗板能較好地觀察到電容器的放電過程以及電容器兩端的電壓值隨時間的變化關系，絕大多數選手能用圖12完成電容器放電現象的觀察。
電容器放電的實物電路圖
大多數選手用圖13所示的電路來觀察電容器的充電現象。實驗現象是靈敏電流計的指針偏轉角度很大后（超過了量程）迅速回到零，電容器充電瞬間完成，實驗現象不明顯且瞬間電流最大值超過了靈敏電流計的量程（有燒壞電表的可能性），究其原因是充電時演示板電路電阻R很小，導致RC很小，故1-e很快趨向1，故經過很短的一段時間后，電容器極板間電荷和電壓的變化已經微乎其微，即使我們用靈敏度很高的電學儀器也察覺不出來q和U在微小變化，所以這時可以認為已達到平衡，充電結束。實驗板上的電容器的電容為470 μF，由電容器充電時間公式t=RCln可知，如果想明顯地觀察電容器充電現象，那就應該增加R的取值，此時可以選用電壓表與電源串聯，如圖14所示。
與電源直接串聯靈敏電流計相比的優點：一是充分利用電壓的內阻足夠大，增加電容器的充電時間；二是讓充電電流的最大值減小，以免將靈敏電流計燒壞。選手對這方面的知識沒有足夠的儲備，故絕大多數選手對電容器充電現象的觀察束手無策，只能放棄，24位選手只有1位正確完成了。
總之，電容器充放電時間與電容器的電容、電阻以及充電電壓等因素有關。通過分析，我們可以更好地理解電容器充放電過程的特點和規律。在實際應用中，可以根據這些特點來優化電路設計和參數選擇，以提高電路的性能和穩定性。
2? ? 解決對策
對策一：從教師層面尋求提升青年教師操作能力的有效途徑。
高中物理實驗能力要求包括實驗設計、操作、數據分析和論文撰寫等多個方面。通過理論學習和實踐訓練相結合的方式，青年教師可以不斷提升自己的實驗教學水平和實踐能力。
（1）加強理論學習：積極參加相關培訓和研討會，學習新的實驗教學理論和方法，了解最新的實驗教學技術和設備。
（2）強化實踐訓練：在課前進行實驗操作的模擬訓練，熟悉實驗流程和器材使用方法；課堂上積極參與實驗教學，不斷積累經驗。
（3）發揮團隊合作：與其他教師或專業人士進行交流與合作，共同探討實驗方案的設計與實施，分享經驗和資源，提升自己的動手能力。
（4）個人反思總結：對實驗教學過程進行反思和總結，發現不足之處并尋求改進方法，不斷提高自己的實驗教學水平。
（5）嘗試創新實踐：在掌握基本的實驗教學技能后嘗試創新實踐，設計出更具創意和實用性的實驗方案和方法。
對策二：從學校及教學管理層面搭建平臺，從制度上促進青年教師實驗能力提升。
（1）加強教師實驗技能培訓：學校應定期組織物理教師參加實驗技能培訓，提高教師的實驗操作水平和技能，讓教師具備獨立完成實驗的能力，包括實驗設計、實驗操作、實驗數據分析等多個環節。
（2）建立實驗資源共享平臺：學?？梢越嶒炠Y源共享平臺，提供各類實驗器材、設備等資源，方便教師進行學習和研究。
（3）強化實驗設計能力培養：學校應加強對教師實驗設計能力的培養，提高教師對實驗方案的設計能力和對實驗原理的理解能力。
（4）規范實驗操作流程：學校應制訂規范的實驗操作流程，要求教師嚴格遵守操作規程，提高實驗操作的規范性和準確性。
3? ? 結束語
實驗操作比賽是提升青年教師實驗操作能力的有效途徑之一，高中物理實驗能力要求包括實驗設計、操作、數據分析和論文撰寫等多個方面。通過理論學習和實踐訓練相結合的方式，青年教師可以不斷提升自己的實驗教學水平和實踐能力。同時，積極反思和總結實驗教學過程，發現并解決常見問題，有助于提高自己的動手能力和教學水平。
參考文獻：
［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.
［2］劉徽.真實性問題情境的設計研究［J］.全球教育展望，2021，50（11）：26-44.
［3］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書物理必修第三冊［M］.北京：人民教育出版社，2019：51.
（欄目編輯? ? 李富強）
收稿日期：2024-01-16
基金項目：廣東省深圳市規劃課題“高中物理分層教學錯題的使用研究和實踐”（zdzz23052）；鹽田區規劃課題“核心素養導向的高中物理情境試題命題研究”（ytkt202307）。
作者簡介：劉三文（1976-），男，中學高級教師，主要從事中學物理教學工作。
