基于物理規(guī)律探索下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究

李冬梅

摘 要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于缺乏科學(xué)的教學(xué)方法，教學(xué)效果不夠理想，不符合新時(shí)代創(chuàng)新型技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)。文章首先對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行分析，并介紹幾種物理規(guī)律探索方法。在此基礎(chǔ)上，探討基于物理規(guī)律探索的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式構(gòu)建策略，以期通過教學(xué)方法創(chuàng)新，提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)成效。

關(guān)鍵詞：物理規(guī)律探索；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)方法創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）05-0088-03

Abstract： Due to the lack of scientific teaching methods， the teaching effect of college physics experiment teaching is not ideal， which is not in line with the training objectives of innovative technology talents in the new era. This paper first analyzes the theoretical basis of college physics experiment teaching， and introduces several methods of exploring physical laws. On this basis， we discuss the construction strategy of college physics experiment teaching mode based on physical laws， in order to improve the effectiveness of college physics experiment teaching through innovation of teaching methods.

Keywords： the exploration of physical law； college physics experiment； teaching method innovation

前言

在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代下，高新型技術(shù)人才培養(yǎng)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)乃至綜合國(guó)力發(fā)展的源動(dòng)力。物理學(xué)科作為一門重要的自然學(xué)科，高水平的專業(yè)人才在各個(gè)行業(yè)中均發(fā)揮著重要作用。在學(xué)科發(fā)展過程中，物理學(xué)科形成了一些重要的思想規(guī)律和探索方法，這些規(guī)律、方法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的融入是提升學(xué)生認(rèn)知能力、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的重要基礎(chǔ)。近年來，基于物理規(guī)律探索的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法受到了學(xué)界的廣泛重視。應(yīng)在理清其理論基礎(chǔ)和實(shí)踐方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新教學(xué)模式，為國(guó)家培養(yǎng)更多實(shí)用型創(chuàng)新人才。

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)

（一）元認(rèn)知理論

元認(rèn)知（meta-cognition）是指主體對(duì)認(rèn)知活動(dòng)的認(rèn)知，包括當(dāng)前認(rèn)知過程、自身認(rèn)知能力，以及兩者相互作用的結(jié)果。元認(rèn)知理論的主要研究?jī)?nèi)容包括元認(rèn)知知識(shí)、元認(rèn)知監(jiān)控和元認(rèn)知體驗(yàn)。其中，元認(rèn)知知識(shí)是指與認(rèn)知活動(dòng)有關(guān)的規(guī)律和知識(shí)，具體包括陳述性知識(shí)、程序性知識(shí)和條件性知識(shí)。元認(rèn)知監(jiān)控是指元認(rèn)知知識(shí)的運(yùn)用過程，即實(shí)際認(rèn)知活動(dòng)。元認(rèn)知體驗(yàn)則是在元認(rèn)知監(jiān)控中產(chǎn)生的各種情緒，自我效能感較高者會(huì)獲得較多的積極體驗(yàn)。現(xiàn)代教學(xué)中的自主學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)實(shí)際就是元認(rèn)知能力培養(yǎng)，開展教育教學(xué)活動(dòng)要同時(shí)關(guān)注于學(xué)生的認(rèn)知能力和認(rèn)知情感發(fā)展，幫助學(xué)生掌握更多正確的思維方法，提高其自我效能感[1]。

（二）交往學(xué)習(xí)理論

交往（communication）學(xué)習(xí)理論又稱為人際學(xué)習(xí)理論或溝通學(xué)習(xí)理論，是指學(xué)習(xí)者在與人溝通、交流、互動(dòng)的過程中，完成知識(shí)獲取和能力提升的過程。交往學(xué)習(xí)需要建立在平等、自由的溝通過程基礎(chǔ)之上，雙方互相尊重，遵從彼此共同的開展溝通，并在溝通過程中獲得啟發(fā)和借鑒。所謂“聽君一席話，勝讀十年書”，良好的溝通交流往往可以獲得意想不到的學(xué)習(xí)效果，幫助學(xué)習(xí)者走出思想誤區(qū)，獲得智力和心理的快速發(fā)展。在大學(xué)學(xué)科教學(xué)中，交往學(xué)習(xí)的雙方可以使教師與學(xué)生或?qū)W生與學(xué)生，交往學(xué)習(xí)方式以小組討論形式為主。一般小組規(guī)模為4～8人，圍繞某個(gè)主題展開討論。人數(shù)過多或過少，都會(huì)阻礙溝通交流的充分進(jìn)行。此外，在溝通過程中的不合理限制、或個(gè)別學(xué)生的長(zhǎng)時(shí)間發(fā)言，都會(huì)影響交往學(xué)習(xí)效果。良好的交往學(xué)習(xí)過程應(yīng)是討論者提前做好準(zhǔn)備，在討論過程中有理有據(jù)的進(jìn)行辯護(hù)，并且在小組內(nèi)做好責(zé)任分工，使討論過程能夠充分進(jìn)行[2]。

（三）創(chuàng)新思維培養(yǎng)

創(chuàng)新思維（Innovative thinking）的內(nèi)涵是創(chuàng)新與突破，即打破現(xiàn)有理論、常規(guī)的框架，從不同思維角度出發(fā)，采用不同的方法，探索未知領(lǐng)域或刷新已有認(rèn)知。物理學(xué)上的每一位偉大科學(xué)家都具備優(yōu)秀的創(chuàng)新思維能力，而且具有勇于質(zhì)疑、勇于批判的精神。大學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的關(guān)鍵時(shí)期，一個(gè)人在大學(xué)時(shí)期的身心發(fā)展已經(jīng)較為成熟，具備抽象思維和批判思維能力，思維創(chuàng)造力、思維辯證性不斷提高，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。從另一個(gè)角度來看，物理實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生創(chuàng)新思維能力發(fā)展的最佳途徑。因此，創(chuàng)新思維培養(yǎng)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是兩個(gè)不可分割的部分，應(yīng)將創(chuàng)新思維培養(yǎng)作為課程教學(xué)的核心目的，充分發(fā)揮兩者的相互促進(jìn)作用。

二、物理規(guī)律探索方法

（一）觀察實(shí)驗(yàn)法

物理學(xué)中的方法論是在物理學(xué)發(fā)展的漫長(zhǎng)過程中形成的科學(xué)探索方法，主要包括觀察實(shí)驗(yàn)法、邏輯思維法、數(shù)學(xué)方法等。其中，觀察實(shí)驗(yàn)法是物理學(xué)研究的基礎(chǔ)，大多數(shù)物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都源于生活觀察和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。比如牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象等。但多數(shù)生活中的物理現(xiàn)象只是表面現(xiàn)象，可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論，需要進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。比如亞里士多德認(rèn)為“物體下落速度和重量成比例”，而后伽利略通過比薩斜塔上的兩鐵球同時(shí)落地實(shí)驗(yàn)推翻了這一學(xué)說。因此，物理學(xué)研究是一個(gè)觀察、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、總結(jié)、再觀察的循環(huán)過程[3]。

（二）邏輯思維法

邏輯思維法是以事實(shí)材料為依據(jù)，通過歸納演繹、分析綜合、推論驗(yàn)證和假說實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程。其中，歸納演繹法是基于大量事實(shí)依據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，排除次要因素和干擾因素，得到正確的結(jié)論。分析綜合法是將研究對(duì)象進(jìn)行分解，分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行研究，最后再將各部分研究成果綜合起來，完成一個(gè)復(fù)雜問題的研究。比如物理力學(xué)中的分解、合成方法、物理學(xué)微元思想等。推論驗(yàn)證法是先根據(jù)已知事實(shí)提出一個(gè)合理的假設(shè)，再通過實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，通常需要以大量實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，比如麥克斯韋對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的進(jìn)一步研究。假說實(shí)驗(yàn)法是針對(duì)同一問題提出不同假說，分別采用不同方法對(duì)其進(jìn)行論證，排除錯(cuò)誤觀點(diǎn)，最終得出相對(duì)正確的結(jié)論[4]。

（三）數(shù)學(xué)方法

數(shù)學(xué)方法一直是物理規(guī)律探索的重要方法，數(shù)學(xué)方法對(duì)于物理學(xué)研究而言不僅僅是一類計(jì)算工具，許多數(shù)學(xué)思維對(duì)物理學(xué)研究起到了重要影響。比如物理學(xué)中瞬時(shí)速度的提出，應(yīng)用到數(shù)學(xué)的極值思想，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的概念設(shè)立，應(yīng)用的是數(shù)學(xué)中的比值定義法[5]。

各種物理規(guī)律探索方法的應(yīng)用不僅推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，也為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了基礎(chǔ)，基于這些科學(xué)的探索方法實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，可以激發(fā)學(xué)生的探知興趣，使學(xué)生更容易的理解、接受物理學(xué)知識(shí)，并掌握自主探索能力。

三、基于物理規(guī)律探索的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

（一）教學(xué)流程設(shè)計(jì)

1. 基于上述物理規(guī)律探索的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備，物理實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證物理推論、假說的重要方法，由前述物理觀察實(shí)驗(yàn)方法的分析可知，物理研究是一個(gè)從觀察到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再到總結(jié)的過程。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，首先要讓學(xué)生充分了解物理實(shí)驗(yàn)研究的原因和基礎(chǔ)，在生活中觀察類似現(xiàn)象，或通過查閱資料，了解相關(guān)研究過程。因此，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，應(yīng)預(yù)留出足夠的時(shí)間讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)研究背景、搜集相關(guān)資料，這是培養(yǎng)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵。應(yīng)提前兩周時(shí)間布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并以預(yù)習(xí)報(bào)告的形式，檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)成果，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在此過程中，學(xué)生可以充分了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)所必需的知識(shí)技能，并通過充分的實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備，為實(shí)驗(yàn)探究效率提供保障。

2. 討論前準(zhǔn)備，基于交往學(xué)習(xí)理論，為確保學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)上的討論效果，在進(jìn)行小組討論前，應(yīng)做好充分準(zhǔn)備，讓學(xué)生明確開展討論的原因和必要性。學(xué)生在準(zhǔn)備過程中應(yīng)充分了解實(shí)驗(yàn)涉及的物理規(guī)律，根據(jù)課前搜集的資料和生活觀察，提出合理推論，對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及到的物理量之間的關(guān)系進(jìn)行科學(xué)分析，確定實(shí)驗(yàn)方法和操作流程。在小組討論前，教師與學(xué)生應(yīng)做好溝通交流，在與學(xué)生的交流過程中，對(duì)其小組探究方向加以引導(dǎo)，共同分析完成實(shí)驗(yàn)探究的關(guān)鍵要素。在此基礎(chǔ)上，確定實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)問題進(jìn)行預(yù)估，圍繞這些難點(diǎn)問題展開充分討論。

3. 實(shí)驗(yàn)與探究過程，在物理實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)過程中，主要以小組實(shí)驗(yàn)和討論的形式開展，在小組討論的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行組間交流和全班討論。W.Wilen指出：“討論是一種教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間開展的教育性、群體性、反思性結(jié)構(gòu)交流?！痹谟懻撨^程中，應(yīng)做到全員參與，激發(fā)學(xué)生的思維主動(dòng)性，用于提出自身觀點(diǎn)，并通過有理有據(jù)的分析辯論，解決矛盾問題，獲得統(tǒng)一的認(rèn)知。因此，實(shí)驗(yàn)與探究過程應(yīng)該是一個(gè)問題驅(qū)動(dòng)過程，教師在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究中應(yīng)發(fā)揮引導(dǎo)作用，問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)知識(shí)、探索知識(shí)、解決問題。

4. 歸納總結(jié)，得出物理規(guī)律，經(jīng)過上述準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生充分對(duì)各種觀點(diǎn)進(jìn)行分析和驗(yàn)證，最后進(jìn)行歸納總結(jié)，得到一般數(shù)學(xué)規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步提煉和總結(jié)，得出物理規(guī)律。由于學(xué)生物理基礎(chǔ)的差異性，以及物理探究能力的局限性，教師應(yīng)充分參與到分析總結(jié)過程，引導(dǎo)學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)過程，排除干擾因素，最終得出正確結(jié)論，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)?；谖锢硪?guī)律探索的實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體流程如圖1所示。

（二）教學(xué)方法選擇比對(duì)

基于目前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，可以將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法分為三大類：1. 傳統(tǒng)教學(xué)方法，傳統(tǒng)教學(xué)方法泛指以教師說明、演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生模仿實(shí)驗(yàn)、教師總結(jié)為主的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在該教學(xué)模式下，問題的提出、解決方法選擇以及最后的物理規(guī)律總結(jié)都以教師為主，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程主要是模仿教師的演示實(shí)驗(yàn)，問題討論和實(shí)驗(yàn)方法限制性較強(qiáng)，不利于學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)展。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的多種弊端，目前教育專家和一線教師都在尋求教學(xué)方法的創(chuàng)新，以期改變以往教學(xué)模式。2. 探究式教學(xué)方法，該方法是在新課改要求下逐漸流行起來的生本教學(xué)方法，經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，教學(xué)方法體系已較為成熟。該方法以培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐探索能力為主要目的，通過布置探究性學(xué)習(xí)任務(wù)，以小組探究方式開展探究活動(dòng)，有利于發(fā)揮學(xué)生的主體作用。但就物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，探究學(xué)習(xí)方法的內(nèi)容過于寬泛，缺少對(duì)物理思想的關(guān)注，由于學(xué)生的物理基礎(chǔ)參差不齊，多數(shù)小組的實(shí)際探究效果不夠理想。3. 基于物理規(guī)律探索的教學(xué)方法，目前該方法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用較少，但從上述教學(xué)理論基礎(chǔ)分析以及方法流程分析可以看出，該方法是一種適用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的科學(xué)教學(xué)方法，相比于前兩種方法教學(xué)針對(duì)性更強(qiáng)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理思維和自主探究能力。三種教學(xué)方法的比較如表1所示。

（三）教學(xué)案例分析

以牛頓第二定律探究實(shí)驗(yàn)為例，基于牛頓發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，主要實(shí)驗(yàn)儀器為氣墊導(dǎo)軌，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，由學(xué)生自主上網(wǎng)或通過圖書館查閱相關(guān)資料，了解牛頓生平貢獻(xiàn)及發(fā)現(xiàn)牛頓第二定律的過程。

具體實(shí)驗(yàn)過程如下：

1. 問題提出，探索加速度a、合外力F以及質(zhì)量m之間的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究總結(jié)物理規(guī)律。2. 預(yù)習(xí)情況檢查，以隨機(jī)抽樣方式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問，了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備情況。3. 小組探究問題的確定，主要問題包括：（1）如何使用給定儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)？（2）氣墊導(dǎo)軌和計(jì)數(shù)器的使用方法；（3）如何應(yīng)用控制變量法？（4）合外力如何產(chǎn)生？（5）加速度如何測(cè)量？采用直接測(cè)量法還是間接測(cè)量法？（6）實(shí)驗(yàn)過程中摩擦力的處理；（7）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。4. 問題解決過程，通過課前準(zhǔn)備，排除明顯的錯(cuò)誤認(rèn)知和不可能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程。通過查閱教材和相關(guān)說明，了解儀器使用方法。采用控制變量法將多因素探究問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)單因素探究問題的研究，每次只改變一個(gè)變量，最后通過綜合分析方法，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在牛頓第二定律研究過程，可以在合外力F一定時(shí)，探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系，在質(zhì)量m一定時(shí)，對(duì)合外力F與加速度a的關(guān)系進(jìn)行研究。其中的關(guān)鍵是合外力F的控制，通過斜面問題啟發(fā)學(xué)生思維，利用現(xiàn)有給定儀器創(chuàng)造合外力的控制條件。具體方法為將氣墊導(dǎo)軌調(diào)水平后，在一端墊一塊高度為h的墊塊，使導(dǎo)軌形成與水平面成α的夾角，以此控制合外力F大小。在此基礎(chǔ)上，使用測(cè)量?jī)x器測(cè)量加速度a，采用自擬表格進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，繪制圖像，從圖像中總結(jié)物理規(guī)律，并對(duì)誤差進(jìn)行分析和改進(jìn)。最終得出兩點(diǎn)結(jié)論：1. 質(zhì)量m一定時(shí)，加速度a與合外力F成正比；2. 合外力F一定時(shí)，加速度a與質(zhì)量m成反比。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于物理規(guī)律探索的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法更適用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理思維，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。通過學(xué)習(xí)方法的理論基礎(chǔ)和主要物理規(guī)律探索方法進(jìn)行研究，可以為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的思路，改變以往教學(xué)模式的不足，采用科學(xué)教學(xué)方法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)。在此基礎(chǔ)上，通過合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程和理論學(xué)習(xí)過程，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，主動(dòng)探究物理規(guī)律的形成過程和理論依據(jù)，從而對(duì)物理知識(shí)產(chǎn)生更加深刻的理解和認(rèn)識(shí)。

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