實驗與理論相交替的物理教學設計探討

劉增澤 馮 杰(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234)

實驗與理論相交替的物理教學設計探討

劉增澤 馮 杰
(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234)

新課程對物理教學提出了更高的要求，實驗的地位逐漸提高，因此在這種研究背景下，根據(jù)新課程的要求，提出了一種交替式教學設計的方法，有助于新手教師較好地進行教學設計.總結給出了在物理學學科特征的指導下，遵循教學設計的共性而設計的一種實驗與理論相融合的課程設計，給出了實驗為主線和理論為主線的角度的實例，便于讀者理解應用.

教學設計 交替 理論 實驗

物理是一門實驗科學，物理學源于現(xiàn)象和實驗中發(fā)現(xiàn)的問題，經(jīng)過實驗的探究，產(chǎn)生理論(假說)，并通過可重復性實驗的驗證，最終再應用于實際生活.我國著名的物理學家張文裕教授曾指出，“科學實驗是科學理論的源泉，是自然科學的根本，也是工程技術的基礎”，伽利略同樣重視實驗的重要性，曾倡導理論與實踐相結合[1].那么實驗在物理教學中的地位顯而易見，如何處理實驗教學與理論教學間的關系，則關系到物理教學的質量.下文將通過物理學是一門實驗性科學的這一特征為讀者介紹一種基于實驗的課程設計模式，這種模式是根據(jù)物理學的學科特征來編排的，并且結合中學物理課程的設計特點，明確共性與個性間的關系，總結得出的一套交替式教學設計方法.

1 中學物理教學原則

中學物理教學原則對教師的教學實踐具有重要的指導性意義，主要原則有：教育性原則、科學性原則、突出學科特點與注重觀察實驗原則、注重物理思想方法教育原則、注重科學探究原則、理論聯(lián)系實際原則等.物理教學原則在實踐的發(fā)展過程中將不斷的完善[2].

2 中學物理教學過程簡析

在教學原則的指導下，開始進行教學過程的設計.我國古代思想家孔子就曾提出，教學遵循“學、思、習、行”的4個環(huán)節(jié)，現(xiàn)在也存在四段論(李秉得，1991)、五段論(王策三，1985)、八段論(田龍翔，1988)等理論[3].那么在實際教學中，通常遵循的是引入-新課講授-鞏固提高-課后習題(實驗)-布置作業(yè)這個模式,這是源自于教育學的教學設計模式，各個學科都可以遵循此格式進行教學設計.

但這種教學設計并不能體現(xiàn)出物理學的學科特點，因此很多新手教師無從下手具體的教學設計，沒有明確地給出實驗教學與理論教學之間的關系該如何處理，因此實際教學中經(jīng)常會出現(xiàn)“先理論后實驗的教學設計”，從物理學問題的發(fā)現(xiàn)到解決的過程來看，這種教學設計并不符合一個理論產(chǎn)生發(fā)展直至最終應用的過程，因此會造成上理論課時學生對理論不理解，而之后的實驗課學生也僅僅是從形式上完成了實驗，而不知其科學意義，從而破壞了物理學教學的內(nèi)在邏輯性.這樣的課程僅僅是“授之以魚”，讓學生知道了基本理論，但沒能“授之以漁”，不能讓學生知道物理學是怎樣一步一步探究發(fā)展起來的，因此在教學設計時就要關注到實驗教學的位置.

3 實驗與理論交替式教學設計

如何進行教學設計呢？必然的選擇是實驗教學與理論教學相融合.從學科的本質特征來看，物理是一門實驗科學，源于實驗終于實驗，理論由實驗產(chǎn)生，并由實驗驗證，并最終通過實驗轉化進行推廣應用.因此實驗是貫穿于整個學科的研究發(fā)展過程之中的.物理學知識又隨著科學技術的發(fā)展不斷豐富完善，而人的學習精力是一定的，因此不可能將所有的知識在短時間內(nèi)都傳授給學生，因此物理教學要達到“授之以漁”，不僅要讓學生掌握最基本的物理學知識，更要在基本知識與技能的傳授過程中，讓學生領悟如何進行物理問題的研究，培養(yǎng)科研能力與創(chuàng)造力，進而提高學生科學素養(yǎng)，讓學生能夠掌握“漁”要領.因此教學設計需要將物理實驗教學與理論教學相融合，并且要符合物理學研究特點，通過教學能夠讓學生了解實驗與理論間的關系，按照實驗與理論交替的形式進行，遵循：實驗(現(xiàn)象)-基礎理論(假說)-探究性實驗-形成的理論或規(guī)律-驗證性實驗(轉化與應用).本設計與傳統(tǒng)的教學設計實際上是相對應的，如表1所示，交替的每個部分又可成為一個模塊進行設計.這樣的結構不僅可以進行一節(jié)課的教學設計，也可以進行一章節(jié)或某一模塊的教學設計，形成了教學設計的一個思路，在這種大的模式下，還可以從不同角度進行教學設計.下面將從兩個角度對交替式教學設計進行具體的解釋.

表1 實驗與理論交替式教學設計與傳統(tǒng)教學設計對比

3.1實驗為主線的角度

第一個角度以實驗為主線，貫穿課程設計，并以實驗為著手點去安排實驗對應的理論教學所需的內(nèi)容，也可以說是一個“因果”交替設計.

3.1.1 從實驗在物理問題中所處階段去設計教學

根據(jù)實驗在物理問題的產(chǎn)生到解決的過程所起的作用、出現(xiàn)的先后順序，準確把握教學過程中不同實驗所需要出現(xiàn)的位置，形成一條實驗的主線設計，再將實驗所引出的理論與之相對應，通過實驗+理論+實驗+理論+實驗的基本模式去設計教學.物理學的實驗基本按照問題的發(fā)現(xiàn)、探究、驗證到應用的順序，在這里介紹一種最常規(guī)的方式，課程的基本過程是：現(xiàn)象類實驗引入→得出物理的概念→再通過實驗探究物理規(guī)律→得出規(guī)律與公式→實驗驗證→講解相關物理知識的應用.

主線：初階現(xiàn)象類實驗+中階探究性實驗+高階驗證性實驗

例1：滬教版八年級上冊“2.3透鏡成像”

首先了解透鏡所要展現(xiàn)光學問題的研究過程，然后選擇典型實驗，形成一條實驗主線，然后把典型實驗所要得出的需要在八年級階段講解的理論穿插在對應的實驗后面，便形成了以下的教學簡例.

放大鏡點燃紙片的演示實驗引入新課(初階現(xiàn)象類實驗)→舉出生活中其他透鏡例子，引出凸透鏡、凹透鏡的概念并介紹相關的物理概念→通過實驗室的標準透鏡與光源引導學生觀察凸透鏡與凹透鏡成像的規(guī)律(中階探究性實驗)→總結透鏡成像的規(guī)律→學生分組實驗探究凸透鏡成像規(guī)律(高階驗證性實驗)→并由此根據(jù)不同物距產(chǎn)生效果不同講解眼鏡、投影儀、顯微鏡等常用透鏡在實際生活中的應用.

例2：人教版八年級上“第六章質量與密度”

首先了解密度問題研究的物理過程，選擇研究過程中的典型實驗，形成主線，然后把典型實驗所展現(xiàn)的需要在八年級講解的理論知識穿插在對應的每個實驗后面，便形成了以下教學簡例.

阿基米德測量皇冠真假的歷史故事引入新課(經(jīng)典物理實驗故事引入)→舉出其他生活事例并引出密度的定義→通過探究性實驗探究密度與哪些因素有關→得出密度公式與規(guī)律→學生實驗測量物體的密度→簡介密度在實際生活中的應用.

3.1.2 從實驗的復雜程度去設計教學

根據(jù)實驗的發(fā)展規(guī)律，實驗從一個理論研究開始到結束，一般是經(jīng)歷實驗儀器由簡單到復雜，技術水平由低到高，那么從這個角度可以根據(jù)實驗的復雜程度去將實驗編制成一條主線，并將理論融于其中.可以遵循：由生活化的儀器和現(xiàn)象引入(問題源于生活)→得出物理概念或基本知識→使用經(jīng)典常規(guī)物理儀器進行規(guī)律探究(標準化探究)→得出物理規(guī)律及公式→最后通過基于計算機技術的實驗驗證結論(高精度驗證)→聯(lián)系實際(生活化實驗現(xiàn)象的解釋).從這個角度便于把握實驗與理論相結合時正確選擇不同技術層次的實驗在課程設計中的位置.

主線：生活化實驗+標準化實驗+基于計算機技術的實驗

例3：滬教版八年級下“5.2熱量比熱容”

首先按照物理教學目標選擇不同層次的實驗，按照主線順序將實驗階梯設計好，然后將相對應的理論知識穿插在對應的實驗后面，便形成了以下教學簡例.

生活中海邊城市晝夜溫差較小引入→實驗：相同質量的水與沙插入溫度計蓋上蓋子，放置于保溫射燈下相同時間觀察溫度計變化，解釋課前引入的實際現(xiàn)象(生活化實驗)→引入熱傳導、熱量、比熱容概念→通過實驗室標準化實驗儀器進行比熱容與質量、時間、熱量之間關系的探究實驗(通過控制變量法操作，變量主要為不同光照時間、不同質量的煤油或其他物質、不同功率的照射燈，控制其他量，進而得出對應規(guī)律)(標準化探究)→得出比熱容的規(guī)律→采用DIS比熱容實驗組合進行精確地對應關系研究(基于計算機技術的實驗)→進而得出比熱容公式→講解比熱容在生活中的實際應用(可以解釋課前沿海內(nèi)陸晝夜溫差的不同).

例4：滬教版九年級上“7.4并聯(lián)電路”

同樣的設計過程，在電學電路這部分也是適用的，首先按照物理教學目標選擇不同層次的實驗，按照主線順序將實驗階梯設計好，然后將相對應的理論知識穿插在對應的實驗后面，便形成了以下教學簡例.

拆開的插排展示給學生其內(nèi)部結構引入新課(生活化實驗)→引入并聯(lián)電路的定義→通過實驗室標準化儀器探究并聯(lián)電路的電路特征(經(jīng)典實驗)→得出相應規(guī)律并得出相關物理公式→學生通過電腦模擬建立電路模型觀察串并聯(lián)電路的不同功效及特征并設計生活電路，保證學生安全(基于計算機技術的實驗).

從實驗為主線的角度，還可以從很多方向去設計教學，以上兩個角度是與教材設計吻合度較高的兩個角度，當然還有其他角度，不同角度會有不同的設計方案，比如操作主體角度，過程：教師演示實驗→引入新課得出概念→學生獨立實驗→掌握儀器使用→了解儀器的基本常識→小組合作探究→得出物理規(guī)律→介紹實際應用→學生個體生活實驗→解決實際問題.此不一一列舉.

3.2理論為主線的角度

理論為主線的角度強調(diào)以理論為著手點去設計對應的實驗，也可說是“果因”設計.當然依然遵循實驗+理論+實驗+理論+實驗的基本模式去設計教學，但在設計的過程中需要優(yōu)先考慮所要講述的理論知識，然后根據(jù)所需的理論知識去匹配所需要的實驗.這個角度適合傳統(tǒng)以應試為主的教學設計的轉型，基于理論尋找實驗，通過交替式的模式，可以較快地在傳統(tǒng)教學設計的基礎上轉變?yōu)橐环N適應新課程要求的教學設計.

主線：基礎理論+公式/規(guī)律+實際應用

例5：高中《物理·選修1-1》“3.4法拉第電磁感應定律”

首先從教材中選取所需講解的理論知識，形成理論主線，感應電動勢+電磁感應定律和公式+電磁感應定律公式變式及應用，進而設計相對應的實驗，形成以下簡例.

磁鐵劃過閉合線圈使連接的LED燈組亮起從而引發(fā)思考→引入感應電動勢定義(基礎理論)→通過影響感應電動勢大小的實驗探究→得出電磁感應定律和公式(公式/規(guī)律)→公式推導→得出電磁感應定律變式并講解實際應用(應用).

4 結論

交替式的物理教學設計是建立在教學設計的共性之上，基于物理學教學的個性實驗性而設計出的一種課程設計的模式，本模式還原了物理研究的原始過程，提供了一種可參考性的物理教學設計模板，可以使新手教師快速入手教學設計，同時理論角度為改革傳統(tǒng)的教學設計提供了方法，同時遵循物理學科的特征，將實驗教學與理論教學相融合，便于學生知其因，知其果，使學生能深入了解物理研究的科學過程，提升科學素養(yǎng).實現(xiàn)“授之以漁”的教學效果.

1 安金輝.伽利略的方法論思想:[學位論文].武漢：武漢大學,2002

2 馮杰.中學物理課程與教學論.北京：北京大學出版社，2011

3 張傳燧.教學過程新論.教育理論與實踐,1995(03):14～17

DiscussiononPhysicsTeachingDesignBasedonIntersectionofExperimentandTheory

Liu Zengze Feng Jie
(College of Mathematics and Science，Shanghai Normal University, Shanghai 200234)

The new curriculum has put forward higher requirements for the physics teaching and the status of the experiment.In the background of this research, according to the requirements of the new curriculum, an alternative teaching method is proposed, which is helpful to the new teacher.Based on the characteristics of physics, under the guidance of the characteristics of physics, this paper designs a kind of experiment and theory which is designed according to the commonness of teaching design. From the two angles given examples, respectively, the experiment as the main line and the theory as the main line for teaching design, the purpose is to better understand and apply to the reader.

teaching design; alternation; theory; experiment

2017-02-28)

劉增澤(1993- )，男，在讀研究生，研究方向為創(chuàng)新型課程、實驗設計和實驗模擬.

指導教師：馮杰(1961- ),男，教授，研究方向為中學物理教學及大學物理教學.