高中物理拓展性實驗教學(xué)的實踐研究*

孫春成 于路軍

(江陰市青陽中學(xué) 江蘇 無錫 214401)

高中物理拓展性實驗教學(xué)的實踐研究*

孫春成 于路軍

(江陰市青陽中學(xué) 江蘇 無錫 214401)

分析了高中物理拓展性實驗教學(xué)的研究背景和基本內(nèi)涵，解讀了高中物理拓展性實驗教學(xué)的目標和建構(gòu)策略，重點介紹了高中物理拓展性實驗課程的建設(shè)實踐．

高中物理 拓展性實驗 課程建設(shè)

1 高中物理拓展性實驗教學(xué)的研究背景

杜威在《民主主義與教育》 中所提出的“做中學(xué)”這一寶貴思想至今依然有著重要的現(xiàn)實意義．新課標指出，實驗是物理教學(xué)的一種重要手段，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑，在教學(xué)中發(fā)揮著舉足輕重的作用．探究性教學(xué)，強調(diào)學(xué)生運用所學(xué)知識和技能親自探索“新”規(guī)律、發(fā)現(xiàn)“新”現(xiàn)象．在當(dāng)前的物理實驗教學(xué)過程中，教師們往往從實驗原理、步驟、注意事項，甚至連實驗結(jié)果都面面俱到地進行講解，然后由學(xué)生按部就班地操作，實驗教學(xué)流于形式，完全不能發(fā)揮培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的作用，從而失去了實驗教學(xué)的意義．

我們在教學(xué)實踐中也深刻地感受到：給學(xué)生創(chuàng)設(shè)具體的實驗情境，讓學(xué)生親身經(jīng)歷實驗探究的全過程，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的最佳途徑．

2 高中物理拓展性實驗教學(xué)的基本內(nèi)涵

高中物理拓展性實驗是對“做實驗不如看實驗，看實驗不如講實驗”現(xiàn)象的反思的基礎(chǔ)上，在近幾年的教學(xué)實踐中不斷完善、發(fā)展、創(chuàng)新的一種教學(xué)范式．

拓展性實驗，是指以高中物理中的演示實驗、學(xué)生實驗以及自主實驗等為基礎(chǔ)和起點，教師根據(jù)學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)以及物理實驗的特點，通過對實驗?zāi)康?、實驗平臺、實驗領(lǐng)域、實驗評價等進行拓展而形成的系列實驗．

拓展性實驗探究教學(xué)，要求學(xué)生能夠在新情境下逐步做到主動設(shè)計實驗、親身經(jīng)歷實驗、深入反思實驗等．這樣的教學(xué)方式，實現(xiàn)了實驗教學(xué)目的拓展，實驗課程從封閉性的、驗證性的實驗向開放性的、探究性的實驗課程轉(zhuǎn)變；實現(xiàn)了實驗平臺的拓展，實驗探究教學(xué)以我們“江蘇省高中物理拓展性實驗課程基地”為依托，為學(xué)生提供數(shù)字化實驗室、虛擬實驗室、大學(xué)先修實驗室、創(chuàng)新物理實驗室等豐富的平臺；實現(xiàn)了實驗領(lǐng)域的拓展，在課程標準規(guī)定的實驗之外，通過開發(fā)新技術(shù)應(yīng)用型探究課程、生活體驗型物理實驗課程、學(xué)術(shù)探究型物理實驗課程、問題解決型物理實驗課程等，拓展高中物理的實驗領(lǐng)域；實現(xiàn)了學(xué)生評價方式的拓展，對學(xué)生的評價從傳統(tǒng)的筆試評價轉(zhuǎn)化為對實驗過程中的操作能力、創(chuàng)新能力等進行的綜合評價．

3 高中物理拓展性實驗教學(xué)的目標解讀

(1)回歸教育本質(zhì)追尋科學(xué)真諦

物理課程是建立在人類對世界本質(zhì)認識基礎(chǔ)上的，全面提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)是物理課程教學(xué)的核心．物理學(xué)的事實和理論是在人類不斷探索的過程中逐步發(fā)展起來的，實驗探究便是這一過程中最有效的方法之一．我們以國標課程的主干知識為載體，依托實驗室設(shè)備，通過提供一系列的拓展性實驗課程，以及物理教師和物理科學(xué)研究人士的專業(yè)引領(lǐng)，引領(lǐng)學(xué)生主動參與探究，養(yǎng)成動手實驗、動腦思考的認知習(xí)慣，培養(yǎng)在實踐體驗中認識事物、獨立分析和獲取新知識的意識和能力．

(2)關(guān)注生活實踐增強社會責(zé)任

物理科學(xué)與人類的日常生活、經(jīng)濟活動、環(huán)境保護等方面密切相關(guān)，我們創(chuàng)設(shè)的拓展性實驗項目和提供實驗研究的內(nèi)容相當(dāng)部分來自于學(xué)生身邊的生活實際，通過親歷拓展性物理實驗的研究過程，不僅引導(dǎo)了學(xué)生養(yǎng)成嚴謹、務(wù)實的科學(xué)精神，還提升了學(xué)生勇于面對困難、善于進行團隊協(xié)作的人文精神，豐富了學(xué)生的情感體驗，增強了學(xué)生對他人包容能力和社會的責(zé)任感．

(3)拓展成長空間培養(yǎng)特色人才

我們的拓展性實驗活動開拓了教師的視野，為物理教師的專業(yè)成長開辟了新的空間．同時，拓展性實驗項目的不斷豐富，使得物理教學(xué)更加貼近了學(xué)生的生活，最大限度地滿足了學(xué)生對科學(xué)類課程的不同學(xué)習(xí)需求．這類有個性特色的拓展性物理實驗活動，幫助學(xué)生了解了未來可供選擇的高校物理、工程、數(shù)學(xué)類專業(yè)以及未來職業(yè)的相關(guān)內(nèi)容，為學(xué)生興趣、愛好、特長、職業(yè)和事業(yè)融為一體的人生未來奠定了基礎(chǔ)，培養(yǎng)了社會所需的特色人才．

(4)彰顯學(xué)校特色發(fā)揮輻射效能

我們結(jié)合國家課程每年開發(fā)了5門以上適合的拓展性物理實驗選修課，以及一定數(shù)量的學(xué)生自主實驗項目．通過課內(nèi)向課外的延伸、校內(nèi)向校外的延伸、書內(nèi)向書外的延伸；物理學(xué)科向工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)、信息等的拓展，彰顯了學(xué)校特色．同時，借助于領(lǐng)銜人的核心力和影響力，展示探究成果，展示研究過程，推廣項目價值，擴大專業(yè)引領(lǐng)的影響，助推教師的專業(yè)成長，強化了骨干教師孵化器的作用．

4 高中物理拓展性實驗教學(xué)的建構(gòu)策略

(1)凝練物理學(xué)科觀念生成實驗探究主題

我們研讀物理學(xué)科標準，明確了各個學(xué)期學(xué)生通過哪些知識的學(xué)習(xí)要實現(xiàn)哪些物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，并思考如何通過實驗探究來幫助學(xué)生實現(xiàn)物理學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展．我們研讀物理教材，優(yōu)化高中物理的課程體系，實現(xiàn)學(xué)生知識體系的模塊化和能力體系的結(jié)構(gòu)化．我們凝練物理學(xué)科的大觀念，生成了系列實驗探究的主題．

(2)創(chuàng)設(shè)真實探究情境導(dǎo)入物理學(xué)科問題

“情境”是新一輪高中課程改革最核心的概念，將物理學(xué)習(xí)內(nèi)容與真實情境結(jié)合，在情境問題的解決過程中實現(xiàn)知識的獲得與物理學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展一直是我們思考的重點．我們的實驗探究主題都是根據(jù)學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中可能會碰到的問題來設(shè)置，例如“長度的測量”．設(shè)置的主題也是圍繞教學(xué)目標中要解決的核心問題，整個探究過程在本質(zhì)上就是一個問題解決過程，每一個問題，都能明確指向物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展要求．

(3)采用師生協(xié)作方式親身經(jīng)歷探究過程

我們通過組建不同類型的物理探究實驗小組來進行協(xié)作學(xué)習(xí)，各小組配備不同個性特色的指導(dǎo)教師，通過實驗實踐來培養(yǎng)師生合作探究的意識和能力，充分調(diào)動與發(fā)揮了學(xué)生的主體性和創(chuàng)造性，增強了學(xué)生的主體力量、彰顯了生命價值，發(fā)揮了學(xué)科的人文素養(yǎng)作用．

5 高中物理拓展性實驗教學(xué)的課程建設(shè)

我們以拓展性物理實驗探究為抓手、以建設(shè)物理實驗中心為依托、以開發(fā)多元探究性課程為載體進行課程建設(shè)．具體而言，我們通過建設(shè)4個實驗中心，開發(fā)了4個拓展性物理實驗系列課程．

(1)建設(shè)DIS數(shù)字實驗中心，開發(fā)新技術(shù)應(yīng)用型拓展性物理實驗課程．DIS數(shù)字實驗?zāi)軌蛴行У嘏c傳統(tǒng)實驗方式實現(xiàn)優(yōu)勢互補，DIS數(shù)字實驗?zāi)軌蛐蜗笳故緞討B(tài)過程并具有強大的數(shù)字處理能力，有助于幫助學(xué)生接觸到新技術(shù)，深入理解物理概念和分析物理過程，提高實驗效率，將節(jié)省出來的時間更多地用于物理規(guī)律的探討，信息技術(shù)與實驗的整合有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)的能力，且新材料新技術(shù)的使用有助于催生學(xué)生的創(chuàng)新思維因子．我們面向全體學(xué)生，要求學(xué)生親自動手，充分運用DIS數(shù)字實驗的多樣性，廣泛開展實驗探究活動，實現(xiàn)核心知識全覆蓋．我們建設(shè)了DIS數(shù)字實驗中心，包括一個力學(xué)DIS數(shù)字實驗室、一個電學(xué)DIS數(shù)字實驗室、一個熱學(xué)DIS數(shù)字實驗室．

與之對應(yīng)，我們開發(fā)了新技術(shù)應(yīng)用型探究課程，具體包括以下2個方面.

1)數(shù)字化拓展性物理實驗探究

篩選人教版高中物理教材中所有的物理實驗，挑選出常規(guī)實驗無法完成或?qū)嶒炐Ч幻黠@的實驗，例如電容器的充放電過程、氣體的幾種狀態(tài)變化、通電自感和斷電自感現(xiàn)象等，借助用數(shù)字化信息采集系統(tǒng)，將難于觀察的物理現(xiàn)象“可視化”，加深學(xué)生對物理現(xiàn)象的認識和理解．同時借助校本課程進行物理專題探究，對物理教學(xué)沒有時間去研究的問題和現(xiàn)實中學(xué)生感興趣的問題進行深入的專題探究．針對一些具體的問題讓學(xué)生提出設(shè)計方案，思考并提出數(shù)字化實驗可能被擴展應(yīng)用的各種想法，設(shè)計出實現(xiàn)以上各種想法的物理思想和可行性方案思考并提出應(yīng)用DIS進行測量各種物理參數(shù)的操作方案．

2)虛擬實驗室拓展性物理實驗探究

中學(xué)物理虛擬實驗室是充分利用Authorware，3DMAX，Photoshop等多媒體軟件設(shè)計實現(xiàn)的．它利用3DMAX軟件按照物理實驗器材真實建摸，虛擬出真實物理實驗場景；利用Authorware 軟件合理的組合編程，達到充分合理的人機交互功能，便于學(xué)生使用．它匯集視頻、動畫、文字講解，結(jié)合模擬實驗操作，輔以階段測試，通過實踐與檢測等多種環(huán)節(jié)來提高學(xué)生對實驗內(nèi)容的理解與掌握程度．內(nèi)容豐富，重點突出，為廣大中學(xué)生提供更實用、更便捷的學(xué)習(xí)物理實驗的機會．可利用虛擬實驗室進行實驗探究的有兩類；一類是基于儀器和元器件，如，游標卡尺、螺旋測微器、示波器、模擬電路、電子電路、分光儀等；另一類是部分無法通過實際實驗觀察的實驗，如，經(jīng)典理想實驗、近代物理原子實驗和部分DIY實驗．

(2)建設(shè)趣味物理實驗中心開發(fā)生活體驗型拓展性物理實驗課程

探究性趣味物理實驗與學(xué)生的日常生活密切相關(guān)，直觀、形象、充滿趣味性，能夠極大地調(diào)動學(xué)生的興趣，能使學(xué)生產(chǎn)生強烈的好奇心，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)和動手操作的積極性．這樣的開放性實驗成本不高，以因陋就簡、構(gòu)思巧妙見長，面向全體學(xué)生，因此參與面更廣，由學(xué)生親自動手制作和體驗，能夠充分滿足和發(fā)揮學(xué)生的探究性欲望及能力，對教師和學(xué)生，都蘊藏著極高的設(shè)計智慧和教育價值．

與之對應(yīng)，我們開發(fā)了生活體驗型拓展性物理實驗課程，具體包括以下3個方面.

1)玩具類趣味實驗開發(fā)拓展

將趣味實驗分別與人教版物理教材必修1，必修2，選修3-1，3-2，3-3，3-4中的物理知識相對應(yīng)．例如學(xué)生動手完成“浮沉子”、“滾動的膠囊”、“飲水鳥”、“變幻無窮的肥皂膜”、“惡作劇電震玩具”、“硬幣的游戲”等有趣好玩的玩具，這些玩具類趣味性探究實驗不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)的好奇心和積極性，而且能讓學(xué)生理解消化物理知識，學(xué)以致用，提升學(xué)習(xí)成就感．

2)常用物品類趣味實驗開發(fā)拓展

“從生活走進物理，從物理走向社會”是物理新課程的基本理念．利用身邊有很多小物件可以作為物理實驗資源，可以開發(fā)很多趣味實驗．如，“調(diào)皮”的直尺、瓶子對抗賽、打球壓癟易拉罐、吹不掉的乒乓球、燈泡中的風(fēng)車、神氣的鏡子、天花板上的“彩虹”、水龍頭下的實驗等．學(xué)生通過身邊的材料制作趣味實驗，既能提高學(xué)生觀察生活的能力，又能鍛煉動手能力，豐富物理知識．

3)生活中趣味實驗課題研究拓展

課題研究屬于研究性學(xué)習(xí)，同學(xué)在老師指導(dǎo)下，從自身生活和社會生活的體驗中選擇和確定研究專題，學(xué)生從趣味實驗內(nèi)容為切入進行課題研究，進行初步嘗試．常見的有玩具中的課題研究，例如悠悠球的閃光現(xiàn)象分析，睡眠空轉(zhuǎn)現(xiàn)象分析等；家庭生活的傳感器研究，例如鼠標、電熨斗、電飯煲、聲控熊貓玩具等．

(3)建設(shè)大學(xué)物理先修實驗中心開發(fā)學(xué)術(shù)探究型拓展性物理實驗課程

我們將部分大學(xué)物理實驗引入高中，引導(dǎo)優(yōu)秀學(xué)生開展這些實驗，這能彌補當(dāng)前高中教材基礎(chǔ)性有余而先進性不足的缺點，滿足部分學(xué)生的創(chuàng)新欲望和攻關(guān)欲望，深層次地促進他們對有關(guān)物理知識理解，同時，能極大地拓寬學(xué)生和教師的視野，有效促進學(xué)生和教師對實驗教學(xué)進行更深入的思考．

與之相應(yīng)，我們開發(fā)了學(xué)術(shù)探究型拓展性物理實驗課程，具體包括以下4個方面.

1)長度測量的拓展性實驗課程

在高中利用直尺、游標卡尺、螺旋測微器等測量方法的基礎(chǔ)上，拓展下列的一些方法：千分表、用光杠桿法測量長度、用霍爾傳感器法測量位移變化量、動態(tài)共振法測量楊氏模量實驗、用聲速法測量長度、熱學(xué)方法測量長度、用電磁學(xué)方法測量位移變化量、用光衍射法測量位移變化量、光偏振法測定薄膜的厚度、全息干涉計量測微小位移等一系列與長度測量有關(guān)的物理知識和方法．

2)中學(xué)物理常用常數(shù)測定的拓展性實驗課程

中學(xué)物理中常見物理量的常數(shù)都是由教材直接給出，學(xué)生對這些常數(shù)的測得方法存在好奇心理，通過此課程讓學(xué)生動手操作測出這些常數(shù)，對學(xué)生知識的獲取、方法的指導(dǎo)、能力的培養(yǎng)起到很大的幫助．以下常數(shù)可以通過實驗測出：重力加速度的測定、金屬彈性模量的測定、空氣密度的測定、空氣中聲速的測定、密立根油滴實驗測元電荷、霍爾元件測量磁場、直流電橋測量電阻、用掠入射法測定透明介質(zhì)的折射率、用雙棱鏡測光波波長、普朗克常量的測定．

3)奇妙的光學(xué)世界的拓展性實驗課程

光學(xué)與生活和現(xiàn)代科技息息相關(guān)，幾何光學(xué)和物理光學(xué)的探究是學(xué)生感興趣的課題，通過此課程將學(xué)生帶入奇妙的光學(xué)世界．可以在高中階段讓學(xué)生接觸到的光學(xué)實驗有：薄透鏡焦距的測定、顯微鏡和望遠鏡、衍射光柵的研究、牛頓環(huán)與劈尖干涉、偏振現(xiàn)象的觀察與分析、液晶的電光效應(yīng)與顯示原理、全息照相．

4)重現(xiàn)經(jīng)典物理實驗拓展性實驗課程

2002年評選出的十大經(jīng)典物理實驗的核心是抓住了物理學(xué)家眼中最美麗的科學(xué)之魂：用簡單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)了最根本、最單純的科學(xué)概念．學(xué)生在重溫這些經(jīng)典實驗時，既體驗物理學(xué)的美，又了解了近代物理學(xué)的發(fā)展史．部分實驗高中已經(jīng)涉及，在實驗時要從更高要求、深度研究，提升學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)．

(4)建設(shè)創(chuàng)新設(shè)計實驗中心，開發(fā)問題解決型拓展性物理實驗課程

我們建設(shè)了創(chuàng)新設(shè)計實驗中心．該中心是一個聚焦在創(chuàng)新、設(shè)計、技術(shù)、工程交叉領(lǐng)域的開放性實驗室平臺，具有交流、跨學(xué)科、共享的特征．借鑒STEM教育理念，創(chuàng)新設(shè)計實驗中心通過創(chuàng)設(shè)引人入勝且具有適度挑戰(zhàn)性的問題情境，讓學(xué)生持續(xù)投入各類體現(xiàn)其個性特點的科學(xué)探究活動，親身經(jīng)歷設(shè)計研究實驗、從事科學(xué)觀察、基于證據(jù)形成理論假設(shè)等典型科學(xué)探究過程；通過提供真實的、與生活密切聯(lián)系的技術(shù)問題情境，讓學(xué)生持續(xù)投入富有想象力的技術(shù)設(shè)計活動，發(fā)展技術(shù)意識和操作能力．

與之相應(yīng)，我們開發(fā)了問題解決型拓展性物理實驗課程，具體包括以下3個方面.

1)技術(shù)工程的體驗拓展

高中物理教材中，注重滲透STS教育，在物理知識的技術(shù)應(yīng)用上與生活科技聯(lián)系緊密，尤其是人教版?zhèn)戎赜谖锢韺W(xué)技術(shù)應(yīng)用的選修2系列高中教材，該教材某些章節(jié)內(nèi)容完全是技術(shù)應(yīng)用，如2-1第三章第3節(jié)，2-2第二章第2節(jié)等．但是教材中對技術(shù)的介紹(包括選修3系列)完全是從理論的角度出發(fā)的，沒有學(xué)生的體驗實踐、完成工程或技術(shù)項目的活動．本課程從完善教材的角度出發(fā)，讓學(xué)生體驗實踐，可以開展的項目有：必修1中設(shè)計跳臺跳水的水深，設(shè)計手提式彈簧測力計，自制簡易的加速度測量計．必修2中利用極限速度設(shè)計谷物清潔裝置、設(shè)計玩具小火車軌道．選修系列中制作伏打電池、自制小發(fā)電機、制作無線話筒等．

2)“頭腦風(fēng)暴法”科學(xué)設(shè)計

“頭腦風(fēng)暴法”是一種培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的方法，在科技節(jié)活動中讓不同類型的學(xué)生構(gòu)成小組圍繞某一問題進行自主探究．小組成員思維高度活躍，打破常規(guī)，產(chǎn)生大量創(chuàng)造性設(shè)想，利用常規(guī)器材進行科學(xué)設(shè)計．可以讓學(xué)生進行科學(xué)設(shè)計的有：“保護雞蛋”、“制作船模型”、“起重機模型制作”、“螺絲模型制作”、“橋梁模型制作”、“紙塔模型制作”等．

3)創(chuàng)新實驗教具的改進與制作

針對目前教材當(dāng)中的演示實驗與學(xué)生實驗觀察現(xiàn)象不明顯、誤差比較大、引出規(guī)律理由不充分等弊端，指導(dǎo)學(xué)生以解決這些實際存在的問題為目的來重新設(shè)計實驗教具，鼓勵學(xué)生或?qū)ΤＲ?guī)的實驗儀器加以改造、或選用日常生活物品、或自制儀器，從而提高學(xué)生在知識學(xué)習(xí)、技能訓(xùn)練、科學(xué)素養(yǎng)養(yǎng)成、學(xué)科興趣培養(yǎng)等方面的效率．例如，“探究功與速度的變化關(guān)系”、“探究法拉第電磁感應(yīng)定律”、“測量動摩擦因數(shù)”、“探究泊松亮斑”、“探究平拋運動”、“探究簡諧運動的表達式”、“非純電阻電路中電功與電熱的關(guān)系”等實驗教具的改進．

總之，高中物理拓展理實驗教學(xué)的研究，讓教師們摒棄了物理課堂教學(xué)“教師講授、學(xué)生靜聽”的傳統(tǒng)模式，促使了教師革新課程教學(xué)觀念，積極反思課程教學(xué)過程，形成了明確的課程意識．具有課程意識的教師以自己對課程的獨特理解為基礎(chǔ),從目標、課程、教學(xué)、評價等維度來整體規(guī)劃教育實踐活動,從而成為課程教學(xué)的組織者、建構(gòu)者、創(chuàng)生者與研究者，在提升學(xué)生生命品質(zhì)的同時，也提升著教師的生命品質(zhì)．

*系江蘇省教育科學(xué)研究院“十三五”規(guī)劃重點課題“運用拓展性實驗培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的實踐研究”的研究成果.

2017-03-11)