從物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程看物理實驗研究

張德笠

【摘要】物理實驗是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，是物理教育研究的重要組成部分。物理學(xué)習(xí)中進行實驗演示、實驗操作能使使學(xué)生對物理事實獲得具體而又明確的認(rèn)識從而真正理解概念物理規(guī)律的基礎(chǔ)，達到預(yù)想教學(xué)效果。實驗還可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和實驗?zāi)芰?，這也是高中物理學(xué)習(xí)大綱要求的一個重要目標(biāo)。為此，本文從物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程來看物理實驗研究。

【關(guān)鍵詞】物理學(xué)習(xí) 認(rèn)知過程 物理實驗

1物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程

物理知識的學(xué)習(xí)有通過感知物理現(xiàn)象之后，經(jīng)過簡單的科學(xué)抽象就可以理解，也有通過感知物理現(xiàn)象之后，必須通過認(rèn)知結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化或調(diào)整才能理解。為了讓大家知道到底哪些知識的學(xué)習(xí)需要認(rèn)知的調(diào)整和轉(zhuǎn)變，哪些不需要，筆者對物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程進行如圖1所示的分類。從圖1中可看出物理知識按學(xué)生認(rèn)知特點可分為4種不同的過程。對于沒有相關(guān)經(jīng)驗的知識的學(xué)習(xí)，必須通過實驗來創(chuàng)設(shè)物理學(xué)習(xí)的情境，增強學(xué)生的感性認(rèn)識，才能理解，這類實驗稱為增強感性認(rèn)識實驗。而對于學(xué)生已有相關(guān)經(jīng)驗且這些經(jīng)驗與科學(xué)知識完全相同時，只要喚起學(xué)生頭腦中的感性認(rèn)識，就可以順利地理解。對于已有經(jīng)驗與科學(xué)知識部分相同的知識學(xué)習(xí)，必須通過實驗來促進學(xué)生認(rèn)知的調(diào)整才能理解，這類實驗稱為認(rèn)知調(diào)整實驗。對于已有經(jīng)驗與科學(xué)觀念相違背的知識學(xué)習(xí)，必須通過實驗來促進學(xué)生認(rèn)知的轉(zhuǎn)變才能完成，這類實驗稱為認(rèn)知轉(zhuǎn)變實驗。

2物理實驗操作策略

2.1實驗操作中的元認(rèn)知策略

（1）計劃：開始實驗操作之始，策劃整個實驗過程，在實驗知識、技能、心理等方面做足準(zhǔn)備。

（2）調(diào)控：在實驗操作過程中，時時監(jiān)控自己的操作，如發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象不明顯或與驗證結(jié)論不一致時，要探尋問題的原因（如儀器是否正常工作、自己的操作是否得當(dāng)?shù)龋刈鰧嶒灐?/p>

（3）評估：操作結(jié)束之后，對整個實驗操作的過程進行反思。如：對計劃制定是否合理、實驗中操作是否正確、實驗記錄是否準(zhǔn)確、詳實、數(shù)據(jù)分析及處理是否恰當(dāng)、實驗報告的設(shè)計及填寫是否合理等問題進行思考和評價。

2.2實驗操作技能策略

實驗儀器的連接及調(diào)試；觀察記錄；儀器整理。

2.3實驗操作認(rèn)知分析策略

分析——運用列表法、圖像法等對實驗數(shù)據(jù)進行處理；整合——把分析獲得的信息進行有機的組合，得出結(jié)論；結(jié)論分析——對實驗結(jié)論的正確性、實驗中存在的誤差、實驗中出現(xiàn)的故障進行分析、總結(jié)。

2.4實驗操作中的資源管理策略

（1）求助策略是指在實驗操作中遭遇困難時，向周圍的人尋求幫助的策略。例如，不同學(xué)生分工協(xié)作操作實驗，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障或?qū)嶒灛F(xiàn)象不明顯自己又解決不了問題，可尋求老師或者周圍同學(xué)的幫助等。

（2）情感管理策略是指在實驗操作中對個人情緒的調(diào)控，注重激發(fā)自身積極的動機，培養(yǎng)自身求真務(wù)實的科學(xué)態(tài)度。尤其在實驗操作不成功或者實驗數(shù)據(jù)不理想時，不放棄，調(diào)整情緒，認(rèn)真分析問題原因，或求助于教師或同學(xué)。

2.5實驗方法歸納概括策略

（1）放大法。例如顯示微小形變時，可以利用毛細管中的細液柱來顯示手?jǐn)D壓玻璃時的微小形變?？ㄎ牡显S利用放大法測出了引力常量：庫侖也利用同樣的放大法測出了靜電力常量。

（2）比較法。它是將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進行比較而得到測量值的。例如，將物體的長度與直尺、游標(biāo)卡尺或者螺旋測微器的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，得到物體的長度。

（3）累積法。累積法就是將難以直接測量的物理微小量進行累積測量的方法，累積法的優(yōu)點是可以減小誤差。

（4）補償法。

（5）模擬法。

2.6自己設(shè)計實驗的策略

自己設(shè)計實驗的策略是指打破現(xiàn)成的設(shè)計方案，在一些特定的要求和條件下，自行設(shè)計一些新的實驗方案和步驟，完成其實驗要求的方法。設(shè)計型實驗是一種培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實踐能力的一些實驗，由于設(shè)計型實驗儀器的可選擇性、設(shè)計方案的多樣性、應(yīng)用知識的靈活性和解決實驗問題的新穎性，因此學(xué)生要經(jīng)過長期訓(xùn)練才能具備自己設(shè)計實驗的能力。自己設(shè)計實驗的策略實施包括一些幾個方面。

（1）搞清實驗的目的和要求，弄清每一種儀器的基本用途和使用方法。

（2）尋找可行的方法，將實驗?zāi)康暮鸵笈c儀器所能測量的物理量聯(lián)系起來，找出中間的必然的規(guī)律性的聯(lián)系，從測量的物理量出發(fā)，通過什么樣的過程，達到實驗的目的和要求，寫出整個過程的全部內(nèi)容就是設(shè)計方案，并通過分析選出最佳方案。

（3）設(shè)計實驗步驟，根據(jù)實驗的方法確定恰當(dāng)?shù)膶嶒灢襟E。

（4）設(shè)計減小實驗誤差的方案。實驗誤差不可避免，但是設(shè)計實驗必須考慮使誤差最小，選用更精密的儀器或更準(zhǔn)確的方案。例如，電阻的測量，可以使用伏安法測電阻，但該方法由于電表本身的影響，有明顯的電路不完善的系統(tǒng)誤差；可以改進為等效替代法，就解決了電路不完善的誤差，但還存在電表不準(zhǔn)確的誤差；如果使用惠斯通電橋法，電表不準(zhǔn)確的誤差就解決了，但還存在電表靈敏度的問題。

3結(jié)束語

物理學(xué)習(xí)不是由教師向?qū)W生傳送知識，而是學(xué)生根據(jù)外在的信息，通過物理實驗進行操作、觀察、總結(jié)，不但能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更能夠通過每一步的仔細實驗提高學(xué)生的注意力，從而保證學(xué)生有效的學(xué)習(xí)。通過一系列的實驗后學(xué)生對試驗中的思維能力、操作能力等都有所提高，并且能夠通過實際操作加深學(xué)生對操作設(shè)備、步驟影響等方面的印象，并通過最終分析相關(guān)數(shù)據(jù)得到結(jié)果，從而讓學(xué)生能有效的完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，根據(jù)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知過程來研究實驗可以使實驗真正成為能促進學(xué)生理解的活動，同時也為物理實驗研究提供了一個嶄新的思路。endprint