對提高探究實驗有效性和實驗設計能力的思考

郭永記

摘 要 教學的有效性可以衡量一個教師的教學能力，同樣一個教學模式是否成功也要看它的教學有效性?！读x務教育物理課程標準》突出強調了學生探究活動，那么如何提高物理探究活動──探究實驗的有效性就成為值得思考的問題。

關鍵詞 中學物理 有效性 實驗探究 實驗設計能力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2014）15-0076-03

新世紀頒布的物理新課程標準，提出了嶄新的課程標準與教學理念，強調了探究實驗在物理教學中的作用；在新課程標準影響下，廣大的物理教師干勁十足，大膽嘗試，將各類型的物理實驗探究化?，F(xiàn)在我們冷靜下來想想，我們的做法是否有點一窩蜂，有點走向極端？

不管是舊大綱，還是新課標，它們的出現(xiàn)都是要滿足當時的教學需要，為了提高教學的有效性。現(xiàn)在推行的新課標強調的是學生的學習過程，著重培養(yǎng)學生的探究能力。那么是不是所有的物理實驗都是適合學生探索？探究實驗的有效性該如何衡量？

一、什么是探究實驗的有效性

物理新課程的三維目標（知識與技能、過程和方法及情感態(tài)度與價值觀）是判斷探究實驗有效性的最好依據。有效的探究實驗必須是以學生為本，能突出實現(xiàn)三維目標中的一個或多個。

1.學生積極主動參與是有效探究的核心。有效探究實驗應以學生為本，能充分激發(fā)學生的探究興趣與熱情，使學生積極主動地參與活動。如果學生對所設置的活動內容缺乏興趣或設置的活動內容脫離學生的知識背景，并得不到相應的材料資源的支持，學生就會對探究活動失去熱情，活動只能停留于表面，缺乏思維的參與。雖然有時探究活動顯得熱鬧，但學生一陣忙亂后，活動就成過眼云煙，學生的不到任何收獲，這樣的活動就成為一個無效探究活動。因此學生積極主動的參與是有效探究的核心。

2.有效探究活動至少能實現(xiàn)三維目標中的一個。物理探究活動的基本模式是：發(fā)現(xiàn)問題──提出問題──確定解決問題的方案──收集資料（實驗操作）──分析資料（或實驗現(xiàn)象數據）──形成科學結論──交流討論──提出新的問題。作為課堂探究活動，可以是上述過程的全部，也可以是過程中的一個片段或某一個環(huán)節(jié)，只要學生能通過探究活動掌握了一定的知識，或學會了某種科學的方法、技能或形成一種科學的態(tài)度和價值觀，能很好地達到其中一個目的，這樣的活動就可以稱為一個有效的活動。應改變以通過探究的學生是否取得成果或得出正確的結論作為衡量探究活動有效性的標準的觀念。

二、如何提高物理探究實驗的有效性

1.明確探究任務和目標是提高探究實驗有效性的重要措施。我們要深知培養(yǎng)學生的探究能力不是單靠一兩個實驗就可以成功，每個探究實驗應該有培養(yǎng)學生某項能力的作用。在設計探究實驗時，教師要突出探究的問題，要凸顯這次探究實驗的目的，其余的不要延伸過長，混淆學生的視線。例如在探究“重力大小與什么因素有關”的實驗中，三維目標是培養(yǎng)學生分析與處理數據的能力，所以實驗探究活動時間應該放在“分析資料（或實驗現(xiàn)象數據）”的環(huán)節(jié)上。因此，只有明確的探究目的和任務，探究活動才能做到有的放矢，提高活動的有效性。

2.把握學生探究實驗的達成度是提高探究實驗有效性的重要保證。“凡是學生能探索的決不能替代，凡是學生能夠思考的決不暗示。”這可以說是探究式教學引導的原則。我們要讓學生經歷探索過程，既要考慮他們的成功，也要考慮他們的失敗，失敗也是一種對生命的磨練。但是反復的失敗對于學生這種幼嫩的心靈是無法承受的，經常的失敗必將導致學生喪失探究的信心，相反如果輕易地探索就能得出結論，也會誘發(fā)學生浮躁態(tài)度的滋生，所以教師要把握學生探究的達成度。

首先，我們必須設計好探究實驗情景的障礙。探究源于問題，而問題又離不開具體的情境。因此問題情境的創(chuàng)設十分重要，它需要有適度的障礙性。適度障礙性指問題能造成一定的認知沖突，其難易程度適合全班學生的實際水平，以保證大多數學生在課堂上處于思維的活躍狀態(tài)。所以創(chuàng)設的問題要基于學生經驗又高于學生的經驗，把問題難度設在學生的最近發(fā)展區(qū)。例如在探究“浮力大小”的實驗中，我們先用兩張同樣大小錫紙分別作成船型和實心球形，放入水中。引導學生觀察現(xiàn)象及猜想：浮力大小與它排開水的體積有關；然后再把船形錫紙放在鹽水中，與剛才放在水中的情形進行比較及猜想，這時的情境已超出學生剛剛建立的感性認知，學生已不能很快地進行準確預測了，面對這個障礙學生已有的知識已不夠，自然而然地就需要學習新的知識來解釋這一現(xiàn)象。也使得下面的探究實驗活動對學生來說更具吸引力。

其次，我們必須為探究實驗搭建問題解決的“腳手架”?！澳_手架”理論是近代教學模式的一種創(chuàng)新。它特別強調根據學生的認知規(guī)律和以舊探新的需要，使大部分學生較好地開展探究活動，教師要不斷再現(xiàn)學生已有知識，這種鋪墊主要為學生提供背景資料，指導學生正確使用某種學習方法或提出若干思考問題，在提供思維的材料和方法上給予學生以幫助。（1）喚醒已有經驗。課上教師可通過這樣的提問：“對這個物體（或現(xiàn)象）你已經知道什么，你還想知道些什么？”“這個實驗你們以前做過，現(xiàn)在還能做嗎，想一想以前是怎么做的？”等等，喚醒學生對這方面的已有知識，激活內存。（2）提供輔助工具，體驗方法科學化。例如在八年級上聲音的特征一節(jié)，利用傳統(tǒng)的示波器演示《聲波的特征》很難進行實驗探究，我們就利用了HPCI—1物理實驗微機輔助教學系統(tǒng)、聲傳感器讓學生探究了各種聲源特征。

第三，大膽進行課程整合及改進實驗器材為提高物理探究實驗的有效性創(chuàng)造了可能。新課程下初中物理教材有一個凸出的特點，就是探究性實驗特別多，一些過去是驗證性實驗現(xiàn)在也改為了探究性實驗。探究時間多了必然導致教學時間不夠用。另外也不是所有的實驗都適合學生探究。在對教材使用情況的調查中我們可以看到：九年級課本“探究斜面的機械效率”由于探究引入比較生硬，缺乏情景創(chuàng)設，實驗中易出現(xiàn)錯誤結論因而不適合探究的問題存在。所以筆者認為要提高物理探究實驗的有效性必須對教材及實驗儀器進行改進。

第四，歸納總結及反饋練習是驗證物理探究實驗有效性的途徑。我們對教材及實驗進行改進的目的除了給學生留下對實驗數據進行收集記錄、分析和處理的時間外，更重要的是給學生消化知識的時間。在探究實驗中得到的理論要通過反饋練習來吸收。而且在應用物理知識解決實際問題時，一般或多或少總要進行數學運算和推理的，處理的問題愈高深，應用的數學也愈多。所以在中學物理教學中要重視培養(yǎng)學生運用數學工具表達和處理物理問題的能力。要求學生能根據具體物理問題列出物理量之間的關系式，進行推導和求解，并根據結果得出物理結論。要學會運用圖像進行表述、分析和處理問題。這里的所說數學運算，既包括數字運算，也包括符號運算。既要重視定量計算，也要重視定性分析和推理。這些能力都的需要大量的基礎練習來培養(yǎng)。只有學生能利用探究實驗的結果解決出實際問題，物理探究實驗才有具有效性。

三、培養(yǎng)學生實驗設計能力

科學探究包括“七個環(huán)節(jié)”，根據教學目標提出一個有價值的問題，會引發(fā)許多的猜想；猜想僅停留在主觀層面。要驗證猜想，就得制定計劃和設計實驗。如果沒有制定計劃和設計實驗這一環(huán)節(jié)，一切問題無法解決；一切猜想無法驗證。只有合理設計試驗這一環(huán)節(jié)，才能進行實驗、搜集數據；從而進行分析論證，進而交流和評估。因此，設計實驗在科學探究中就像一根棟梁，承上啟下。如何養(yǎng)學生設計實驗能力；筆者認為可以從以下幾個方面嘗試：

1.在篩選猜想中設計實驗。根據生活經驗或創(chuàng)設物理情景中，引發(fā)學生提出問題后；學生會從不同角度、不同認知、不同經歷，提出種種猜想；這是一個發(fā)散思維過程。我們不可能對所有猜想都一一用實驗驗證。例如；探究電阻大小與什么因素有關；學生猜想有長度、密度、體積、橫截面積、質量、材料等有關。那么，我就與學生一起分析考慮長度、橫截面積，實際上考慮了體積；考慮材料實際上考慮了密度；考慮了體積、密度，實際上考慮了質量。經過分析，學生才明白為何只考慮材料、長度、橫截面積以及溫度。這樣也大大節(jié)省進行實驗時間。但這不能走向極端；有時探究某些物理量難以分析而試驗又容易做，還是依猜想設計實驗。比如，探究摩擦力大小與什么因素有關？學生猜想除了與壓力、接觸面粗糙程度有關外；還涉及壓力的作用點、運動方向、運動速度、接觸面面積等等，可以做實驗給學生看，并不占有教學時間。

2.在明確實驗原理中設計實驗。物理教材中涉及物理量之間的定量關系常常用公式表示。例如：V=S/t、%j=m/v 、I=U/R等等；往往將這些公式作為原理設計實驗。測運動物體的平均速度，只要測運動物體的路程以及通過這段路程的時間，圍饒測這兩個物理量，選用器材和儀器設計實驗。有時為了減小誤差，還要考慮先測什么，后測什么，選用器材和儀器的規(guī)格。在測定電功率實驗中，實驗設計思路是：根據實驗原理，明確要測物理量是電流和電壓；根據所測物理量設計電路圖，從電路圖中體現(xiàn)選用器材和儀器的規(guī)格，然后連接實物電路（提醒注意事項、實驗步驟），根據所測物理量設計表格。設計思路清晰，給學生程序性知識，學生設計實驗能力就會在潛移默化中提高。

3.在比較實驗方案中設計試驗。在探究歐姆定律實驗中，我讓學生根據實驗原理上臺板畫設計電路圖。甲同學畫設計電路圖沒帶滑動變阻器元件符號；乙同學畫設計電路圖帶滑動變阻器元件符號。針對這種情況，讓全班同學展開討論取得共識：甲同學畫設計電路圖只能測一組電流和電壓值，乙同學畫設計電路圖能測多組電流和電壓值，可做到保持R兩端的電壓不變，且操作方便。比較實驗方案雖然費時，但在以后設計測電功率電路費時較少，非常值得。比如在測液體密度時，是直接測量法還是用剩余法好？讓學生進行比較，從而培養(yǎng)學生改進實驗的意識，到達提高設計實驗能力。

4.在明確實驗方法中設計實驗。初中物理研究方法常有：控制變量法、等效替代法、轉換法、類比法、圖象法、模型法以及逆向思維法等.根據研究對象，結合教學實際恰當選擇研究方法，可以幫助學生理清探究思路，增強實驗設計能力。比如，研究物理量同影響它的多個因素中的一個因素的關系，可將除了這個因素以外的其它因素人為地控制起來，使其保持不變；單獨研究物理量與這個因素的關系，得出結論。然后再逐一研究綜合起來得出規(guī)律。當我們研究電阻大小與什么因素有關、凸透鏡成像規(guī)律等問題時，為什么沒有實驗原理照樣可以進行設計實驗，其原因就是明確實驗方法。明確實驗方法不但可以解決沒有實驗原理情況下設計實驗，而且可以突破器材和儀器及研究者的某些限制。在演示力作用效果時，用手捏緊廣口玻璃瓶，廣口玻璃瓶形變幾乎肉眼看不出。如果我們將紅色的水裝進廣口玻璃瓶，用橡皮塞塞緊瓶口，再用細玻璃管插進橡皮塞中間并伸進廣口玻璃瓶里，此時用手捏緊廣口玻璃瓶，觀察細玻璃管液面變化，就可以看出廣口玻璃瓶形變。這個方法就是轉換法！可見，實驗設計能力強弱與理解、明確實驗方法有關。

經過這幾年的教學實踐和對《義務教育物理課程標準》逐漸理解，要實現(xiàn)物理教學的有效性就要根據自己所教的學生的特點對現(xiàn)存的教學理念、教學方法和教材進行大膽的改革和創(chuàng)新。轉變的主旨是將學習的重心從過分強調知識的傳承和積累向知識的探究過程轉化，從學生的被動接受知識向主動獲得知識轉化。但這些轉化不能操之過急，簡單的理解就是在教師的引導下學生能通過自己的探究獲得能力的提高就實現(xiàn)了探究實驗的有效性。

（責任編輯 全 玲）