高中物理實驗探究教學的實踐與探索

摘要：科學探究既是學習物理的一種方法，也是物理課程的目標和重要內(nèi)容。本文作者通過自己多年在實驗教學中的經(jīng)驗和體會，歸納出新課程實驗探究教學的一般思路，并結合相關的教學案例加以說明。

關鍵詞：科學探究；實驗教學；交流；評估

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)4(S)-0069-3

物理學是一門以實驗為基礎的自然學科。物理實驗在物理教學中占有重要的地位，它既是物理教學的基礎，也是物理教學的內(nèi)容、方法和手段，在培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的教育中具有獨特的地位和全方位的功能。新課標下的物理教學倡導學生自主學習、研究性學習，加強科學探究。而物理實驗既能為學生的自主學習、科學探究打下基礎，又能為學生的自主探究提供物質(zhì)保證。所以實驗在新課標下的物理教學中的地位更加重要。

為實現(xiàn)物理新課程目標，《普通高中物理課程標準（實驗）》在“內(nèi)容標準”里明確指出了“高中學生應該在科學探究和物理實驗中達到的要求”：將科學探究分為提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作七個要素，并對每一要素提出了對科學探究及物理實驗能力的基本要求。本文根據(jù)筆者多年在新課程實驗教學中的經(jīng)驗和體會，提出新課程實驗探究課的教學思路，并結合具體案例加以說明。

1 實驗探究教學思路

根據(jù)上述課程標準的要求，在實驗探究教學設計中，應以學生的認知規(guī)律，學生主動參與為前提，團隊合作探究為組織形式，教師的適時指導為引導手段，培養(yǎng)學生自主學習探究問題為重點。同時結合物理學科以實驗為基礎的特點，培養(yǎng)學生實驗的設計、數(shù)據(jù)處理、問題分析、歸納總結的能力。因此一般實驗探究課堂教學思路可分以下幾個環(huán)節(jié)。

1．1 探究準備階段（提出問題、猜想與假設）

這是科學探究的起始環(huán)節(jié)，教師根據(jù)教學需要確定科學探究的實驗題目，編寫一份的科學探究預案。內(nèi)容有（1）探究的題目。（2）探究的目標任務。探究預案在課前兩天發(fā)給學生，引導其在課前自學研究。學生在課前認真學習探究預案，明確探究的目標任務，結合自身情況復習相關知識，并積極思考研究。學生根據(jù)自愿原則，組成實驗小組（每組4~6人）。小組成立后，各組員根據(jù)自己課前研究思考情況相互交流討論，根據(jù)討論結果，各小組確定一個初步實驗方案，內(nèi)容包括實驗原理，實驗器材、步驟、注意事項等。

1．2 探究初步階段（交流評價、制定計劃與設計實驗）

教師和學生一起對設計的實驗方案進行評價。各小組長上臺簡單介紹本組實驗設計方案，針對不同的實驗方案，學生可以提問討論，指出各個方案的優(yōu)缺點。教師對學生未發(fā)現(xiàn)的問題加以補充。實驗方案討論以后，各小組針對自己組的實驗方案調(diào)整改進，尋找實驗中關鍵之處。這一階段的探究，主要是讓學生在自學研究的基礎上，通過小組討論對研究的問題有一個更清楚全面的認識并確定實驗大致方案。

1．3 探究深入階段（進行實驗與收集證據(jù)）

這一階段是整個科學探究的關鍵。小組成員根據(jù)研究的問題，確定解決問題的實驗方案，然后開始按實驗步驟作實驗。觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)。對實驗中出現(xiàn)的問題，先在組內(nèi)討論思考解決，如實在解決不了可以要求教師參與到小組討論中，師生共同探討解決。有時實驗方案在實際操作上會出現(xiàn)一定的問題，有時與預期效果不太一致，這都需要及時調(diào)整實驗方案，重新實驗。學生實驗后，得出系列實驗數(shù)據(jù)。

1．4 探究終結階段（猜想與假設、分析與論證和評估）

學生得到系列實驗數(shù)據(jù)，并開始嘗試在數(shù)據(jù)中總結結論。在大多數(shù)的小組完成實驗以后，教師引導全體學生進行總結。各個小組將各自的數(shù)據(jù)處理方法由組長為代表作一個簡單介紹，并說明實驗研究的結果。教師再次引導學生討論各種實驗數(shù)據(jù)處理方法，幫助學生找出對于該實驗最優(yōu)的數(shù)據(jù)處理方式，得出正確的實驗結論。最后教師作整體總結，總結從下面幾方面進行。（1）從知識的角度：讓學生回顧知識是如何產(chǎn)生與發(fā)展的，讓學生回顧與所學實驗方法相對應的物理事實；（2）從研究方法的角度：讓學生去領悟?qū)嶒炑芯康目傮w思路，讓學生去領悟?qū)嶒炑芯窟^程中的物理思想和方法。

2 實驗探究教學案例

下面以人教版選修31教材P70的學生分組實驗“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”為例，展示實驗探究課堂教學的全過程。

2．1 探究準備階段

教師根據(jù)本實驗的具體情況編寫一份科學探究預案，內(nèi)容包括：（1）實驗課題名稱；（2）實驗任務和目標。 預案中要求學生課前完成的任務有：①閉合電路歐姆定律知識；②根據(jù)自愿4至6人組成一個小組，并確定組長；③每組至少設計一個“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的實驗方案，內(nèi)容包括：實驗的過程和方法，要用到的器材；④評價你的方案的優(yōu)缺點；⑤熟悉數(shù)據(jù)處理的多種方法。

探究預案作為作業(yè)在實驗前兩天發(fā)給學生，學生根據(jù)預案要求自行分組研究。

2．2 探究初步階段

教師在實驗室板書課題“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”后，與學生們（按事先組合好的組就座）進行如下探究交流。

教師：在同學們的桌上都有一節(jié)這樣的干電池，我們已學過用來描述電源的性質(zhì)的物理量是E，r，今天我們要用實驗手段來測量一節(jié)電池的E，r。

根據(jù)我們學過的知識，你可以用幾種什么方法來測出這一節(jié)干電池的電動勢和內(nèi)阻呢？

教師：請同組同學一起再研究一下，看可以通過測量哪些物理量來測電源的電動勢和內(nèi)阻，然后把你們設計出來的電路圖畫在白紙上，列出求解方程式。

教師：下面請各組派代表把方案跟大家交流一下？要求上講臺畫出電路圖介紹你們的實驗方案。

學生交流：……；各組方案歸納如下。

方案1 實驗電路如圖1：

使用一個電流表、一個電壓表、一個滑動變阻器：E=Ir+U（板書）。

方案2 實驗電路如圖2：

使用一個電壓表、一個電阻箱：E=U+URr（板書）。

方案3 實驗電路如圖3：

使用一個電流表、一個電阻箱：E=I（r+R)（板書）

教師：根據(jù)同學們得出的“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的三種方法，現(xiàn)在分析對比一下。

（投影：方案1:E=Ir+U；方案2:E=U+URr;方案3:E=I(r+R)。）

教師：同學們探究得出三種不同方案，盡管這三種方法所列的方程形式不同，但他們的本質(zhì)是一樣的，都是閉合電路的歐姆定律。三種方案中哪種方案最好？

師生共同研討：（1）方案2和方案3與方案1相比，最大的區(qū)別在于方案2和方案3只用了一個電表，外電路上的電阻必須是已知的，這就給外電路上的電阻帶來一定的限制，滑動變阻器是不能用的，為此我們選用方案1；（2）方案1中， E、r是欲求的，除了采用方案2、3相同的數(shù)據(jù)處理辦法外，還可以采用一種獨特的處理方案，前面練習時我們有碰到過的方法——圖像法。

教師：基于上述原因，我們選用方案1。但是，即便是選擇方案1，同學們也有如圖4、5的兩種的連接方式，那么我們在做實驗時是否兩個都可以，還是哪一個更好？

師生共同研討：選用哪種方式，要根據(jù)實際測量的需要確定，現(xiàn)在要想測出電源的內(nèi)阻，如果采用圖4方式，最后得到的結果相當于電源內(nèi)阻與電流表內(nèi)阻的總和，而兩者相差又不太多，這樣一來誤差就會比較大，所以應采用圖5的電路圖。

2．3 探究深入階段

教師：在大家桌上都有電流表、電壓表、0～50Ω滑動變阻器各一個，電鍵一個，導線若干。

教師：電流表、電壓表選擇什么量程？

學生：電流表0～0.6A，電壓表0～3V。

教師：接下來同學們可以開始進行實驗，收集數(shù)據(jù)，要多測幾組以便取平均，至少測6組。在實驗以前先請同學們做好電學實驗的注意事項。

學生：①按電路圖先串聯(lián)后并聯(lián)。

②連接電路時，電鍵必須斷開。

③電流必須從電表的正接線柱流入，負接線柱流出，并且要注意量程的選擇。

④滑動變阻器必須處于安全的位置。

⑤因電池較舊，每測量一次斷開電源，調(diào)節(jié)后再通電，保證電流較大。

⑥實驗結束時，先斷開電鍵。

2．4 探究終結階段

教師：得到了實驗數(shù)據(jù)，你有幾種辦法處理數(shù)據(jù)得出正確的電動勢與內(nèi)阻？

學生：我們可以利用公式：E=Ir+U兩組數(shù)據(jù)就可以建立方程組解出E和r，然后取平均值；也可以采用圖像法，利用UI圖像求電源電動勢E和內(nèi)阻r；根據(jù)閉合電路歐姆定律U=E-Ir可知，U是I的一次函數(shù)，則UI圖像應該是一條直線。

投影：UI圖象如圖6。

教師：如何得到這條直線，在坐標紙上建立UI坐標系，依據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標系中畫出相應的點，怎樣連接這些點呢，是否兩兩相連？

學生討論：……

教師總結：兩兩相連得出的折線不符合理論分析的結果，應該作一條直線使之通過盡可能多的點，并使不在直線上的點盡可能均勻的分布在直線兩旁。離直線教遠的點應該舍棄，這實際上也是取平均的思想。

教師：那么大家觀察圖象，直線與U軸、I軸各有交點，這兩個交點分別代表什么物理意義，直線的斜率又代表什么呢？

學生討論：……

教師總結：直線與U軸相交點的值，I等于零，此值即為斷路時的路端電壓應等于電源電動勢E；這條直線與I軸的交點表示U=0（外電路短路）時的短路電流I0，而且I0=Er；由U=E-Ir，可知直線斜率為-r，計算內(nèi)阻時，要在直線上任取兩個相距較遠的點，用r=｜k｜計算電池的內(nèi)阻r。

教師：下面同學們把實驗所得數(shù)據(jù)描到書上的坐標系中，作出圖線，從而得出測量結果，稍后請同學來說一下你們的測量結果。

學生：結果表達。

……

教師反思：本節(jié)的設計意圖是讓學生在教師的引導下掌握“測定電池的電動勢和內(nèi)阻”的原理和方法，教師的引導只是為了讓學生更加高效的學習，把重點放在原理、電路的獲得，以及探究過程的實際操作，再到后面的數(shù)據(jù)處理，特別是利用圖象法處理數(shù)據(jù)，課堂內(nèi)容的設計環(huán)環(huán)相扣，注重培養(yǎng)學生的實驗探究能力。不足之處在于課堂的容量偏大，有些環(huán)節(jié)，如歐姆定律的三種形式和相應的電路圖可以改成教師引導，重點放在電表連接方式的討論上來。總之，一節(jié)課要有所偏重，想把每個方面都做好很難，教師只有根據(jù)自己學生的情況做一些必要的調(diào)整才是最合理的。

實驗探究課堂教學是否能取得實效，是否達成新課程對科學探究的要求，歸根到底是以學生是否參與、怎樣參與和參與多少來決定的。同時只有學生主動參與教學，才能改變課堂教學機械、沉悶的現(xiàn)狀，讓課堂充滿生機。這就要求教師在領會科學探究實質(zhì)的基礎上，隨機應變，靈活處理教學過程中出現(xiàn)的各種問題，設計好合理可行的探究教學方案，使學生的知識獲得、積累與能力發(fā)展始終處于一種良性循環(huán)狀態(tài)，這樣就可以使我們物理實驗探究課堂教學進入理想的境界。

參考文獻：

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［4］閻金鐸，繼佩軍.物理教學論［M］.江蘇教育出版社.1991.1

(欄目編輯張正嚴)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文