基于拓展性學習的高中物理實驗教學策略研究

［摘要］ 學生學習的過程并非機械性積累或識記知識，而是需要在社會文化的環(huán)境中深度經(jīng)歷知識的現(xiàn)實應用并掌握學習知識的方法。面向高中物理實驗教學，拓展性學習理論提示了未來教學的改進方向，應當在傳授操作技能的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)化實驗原理，尋求合作探究，促進圖式建構(gòu)，進而生成科學觀念。基于拓展性學習理念，高中物理實驗教學可采用提供示證性實踐機會、延伸實踐性工程應用、設(shè)置挑戰(zhàn)性學習任務(wù)、導引整體性方案設(shè)計與回溯歷史性探究程式等策略來達成目標要求。

［關(guān)鍵詞］ 拓展性學習；高中物理；實驗教學；科學探究

傳統(tǒng)教學往往強調(diào)機械性積累，而拓展性學習理論則提倡學生在社會文化環(huán)境中深度體驗知識的實際應用與來源。這種從被動接受轉(zhuǎn)為主動探究，從簡單傳授知識轉(zhuǎn)為引導學生思考和推斷，從機械操作轉(zhuǎn)為理論探索的學習科學理論，對于當下教學具有重要的指導意義。根據(jù)拓展性學習要求，高中物理實驗教學不能止步于操作技能的傳授，還要引導學生深度體驗知識在社會文化環(huán)境中的實際應用和來源。首先，教師應著重轉(zhuǎn)化實驗原理，讓學生理解實驗背后的科學規(guī)律，培養(yǎng)其實驗設(shè)計和問題解決能力。其次，鼓勵學生尋求合作探究，通過團隊合作解決問題，增強交流和協(xié)作意識。此外，圖式建構(gòu)也至關(guān)重要，教師要幫助學生規(guī)劃對物理現(xiàn)象背后原理的實驗探究設(shè)計，形成獨特的認知模式，加深對物理世界的理解。最后，通過生成科學觀念，引導學生思考、探索，并從實驗中掌握科學探究的一般方法，形成批判性思維和科學探究能力。下面，研究者就拓展性學習的高中物理實驗教學的策略進行探討。

一、提供示證性實踐機會，傳授操作技能

拓展性學習提倡通過親身實踐和體驗學習，讓學生更好地接受文化知識，并更深入地理解知識，發(fā)展批判性思維。在物理實驗教學中，同樣可以通過提供示證性實踐機會，使得學生不僅能夠觀察到理論知識在實驗中的應用，還可以學會如何操作實驗儀器、進行數(shù)據(jù)記錄和分析等關(guān)鍵技能。這種方法利用了觀察學習和模仿的原理，讓學生通過觀察教師展示正確的操作步驟，并嘗試模仿實施，從而逐步掌握實驗操作技能。一般來說，該策略大致遵循如下過程：教師首先展示正確的實驗操作流程和技巧，注重細節(jié)和關(guān)鍵步驟的演示；隨后，教師引導學生模仿示范的實驗操作，鼓勵他們熟練掌握每個步驟；緊接著，教師在學生進行操作時提供指導和支持，及時給予反饋并糾正錯誤，以幫助他們改進操作技能，同時鼓勵學生多次練習和實踐，加深對操作步驟的記憶和理解，直至能夠獨立完成實驗操作；最后，教師定期評估學生的操作表現(xiàn)，并提供必要的指導和建議，幫助他們不斷提升實驗操作技能。

例如，在進行高中物理“光的折射”這部分內(nèi)容教學時，便可以先進行示范操作，即教師展示將一束光線從空氣射入玻璃磚時的折射現(xiàn)象，并示范如何使用尺規(guī)或量角器測量不同入射角度下的折射角。緊接著，便要求學生依次模仿教師的操作，嘗試用光源、玻璃磚及測量工具進行實驗，同時依據(jù)示范的方法，測量不同入射角度對應的折射角，并記錄數(shù)據(jù)。教師在學生操作過程中應提供指導，糾正錯誤的操作方法，并解釋可能出現(xiàn)的誤差。學生通過多次的實驗操作，可以準確測量并計算得出光的折射定律公式，培養(yǎng)了他們的實驗操作能力與問題解決能力。之后，教師則需要評估學生的實驗報告，檢查他們的數(shù)據(jù)記錄和分析是否正確，并依據(jù)學生的表現(xiàn)，提供進一步指導，以幫助他們加深對光的折射現(xiàn)象的理解。這種拓展性學習的過程有助于激發(fā)學生的學習興趣，提高動手操作能力和科學思維水平。

二、延伸實踐性工程應用，轉(zhuǎn)化實驗原理

延伸實踐性工程應用旨在通過延伸學生在實驗操作中學到的理論知識，促使他們將所學的實驗原理應用到實際工程項目中。這可以幫助學生更好地理解理論知識，并將其轉(zhuǎn)化為實際應用能力。就拓展性學習來看，這種教學策略強調(diào)通過將知識應用于新領(lǐng)域或情境中，來鞏固和加深學習效果的重要性。因此，在延伸實踐性工程應用的過程中，學生應當更全面地理解和運用所學的實驗原理，以期提高自身學習成果。在實際教學中，教師可以通過提供實際案例、設(shè)計綜合性實驗、開展實踐性項目和鼓勵創(chuàng)新探索等方式，幫助學生將所學的知識綜合應用到工程實踐中。具體而言，教師一方面提供真實的工程案例引導學生思考，并將理論知識與實際問題相結(jié)合，另一方面則需要設(shè)計涉及多個實驗原理的綜合性實驗，培養(yǎng)學生綜合運用知識的能力，讓學生參與實際工程項目或?qū)嶒?，從中學習并應用實驗原理，加深對理論的理解。同時，教師也要鼓勵學生在實驗過程中嘗試新的方法和思路，促進他們將實驗原理轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新的工程應用能力。經(jīng)過上述一系列的實驗教學步驟，學生能夠加深對實驗原理的理解，并為將來的工程實踐打下堅實的基礎(chǔ)。

以“測量彈簧振子周期與頻率”的實驗為例，通過這個實驗，學生可以探究彈簧的彈性并了解振動規(guī)律。在傳統(tǒng)教學中，學生可能只是簡單地測量周期和振幅等參數(shù)，而采用上述的教學策略后，教師可以引導學生模擬地震波傳播來設(shè)計工程項目，并思考如何有效推進落實。首先，學生需要準備所需材料，包括彈簧、支架、小球等。接著，他們可以按照指導書上的步驟，組裝彈簧振子裝置。一旦裝置搭建完成，就可以開始調(diào)整彈簧的參數(shù)，如長度和材質(zhì)，以模擬不同地震波條件下的傳播效果。通過觀察小球在振子上的運動軌跡和振幅變化，學生能夠深入理解振動原理，并探討地震波在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律。隨后，教師帶領(lǐng)學生進行實驗數(shù)據(jù)的記錄和分析，比較不同振動條件下的結(jié)果。通過討論實驗現(xiàn)象背后的物理原理，學生可以進一步加深對地震波傳播機制的理解。最后，教師與學生共同思考如何將所學知識應用到實際的地震減災工程中。通過這個實驗項目，不僅可以鍛煉學生實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析的能力，還能培養(yǎng)他們解決實際問題的能力，為未來的科學研究和工程實踐打下堅實基礎(chǔ)。

三、設(shè)置挑戰(zhàn)性學習任務(wù)，尋求合作探究

學習不僅僅是掌握知識，更重要的是通過對知識的探究和應用來做到真正理解。實則，就拓展性學習來看，學生需要在社會性參與的同伴互助中學會學習、發(fā)展思維。設(shè)置挑戰(zhàn)性學習任務(wù)可以引導學生主動參與學習過程，激發(fā)其自主學習的動機；而合作探究則能促進學生在協(xié)作中相互借鑒、共同成長，從而達到社會性參與的效果。在具體的教學中，教師應創(chuàng)設(shè)具有一定難度和挑戰(zhàn)性的學習任務(wù)，讓學生積極面對挑戰(zhàn)，激發(fā)他們的求知欲和解決問題的意愿。同時，學生應分成小組展開合作探究，共同討論、探索和解決問題。在這個過程中，學生不僅可以相互借鑒、共同成長，還能培養(yǎng)團隊合作精神和解決問題的能力。誠然，教師在整個教學過程中，應提供必要的支持和指導，確保學生理解任務(wù)要求，并助推學生自主探索和實踐，在團隊合作中發(fā)現(xiàn)并解決各種問題。此外，教師還應當鼓勵學生分享彼此的發(fā)現(xiàn)和見解，推動知識的共享和交流；并引導學生總結(jié)學習經(jīng)驗和成果，評判自身的學習過程，從而達到扶放有度的教學效果。

例如課外拓展的熱力學定律，就可以設(shè)置“熱力學”實驗。學生通過測量不同物質(zhì)在加熱或冷卻過程中的溫度變化，可以了解熱能傳遞和熱容量的概念。他們需要選擇合適的實驗方法和儀器，進行數(shù)據(jù)記錄和分析，以探討熱力學規(guī)律。這一挑戰(zhàn)性任務(wù)，旨在激發(fā)學生對熱力學現(xiàn)象的思考和實踐。詳細說來，課堂上學生分組展開合作，共同制訂實驗計劃、安排實驗步驟和記錄觀察結(jié)果。在實驗過程中，學生可能面臨如何準確測量溫度、如何控制外界影響等挑戰(zhàn)，需要充分運用團隊力量合作解決，這有助于培養(yǎng)他們的實驗技能和協(xié)作意識。與此同時，不同的小組選擇的實驗材料不同，有些可能采用氣體，而有些則可能采用液體進行熱力學定律驗證。教師需要給學生提供必要的支持和指導，啟發(fā)學生深入思考和探究。學生分享實驗數(shù)據(jù)并相互學習，在學習共同體中掌握科學知識的一般性來源與實踐應用。在最后的總結(jié)反思階段，學生可以回顧實驗過程中的各種問題和取得的收獲，鞏固與加深對熱力學原理的理解。

四、導引整體性方案設(shè)計，促進圖式建構(gòu)

在實驗教學過程中，通過設(shè)計綜合性、整體性的實驗方案，引導學生將零散的實驗觀察和數(shù)據(jù)整合成為結(jié)構(gòu)化的認知圖式，從而使他們更深層次地理解和學習。這種教學策略要求教師在實驗設(shè)計中注重將實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)與結(jié)論、評價與反思有機地結(jié)合起來，讓學生能夠清晰地理解實驗之間的內(nèi)在聯(lián)系和組織結(jié)構(gòu)，幫助他們更好地掌握科學實驗原理和方法。拓展性學習理論強調(diào)，學習的關(guān)鍵在于如何將新知識與已有知識進行聯(lián)系、擴展和轉(zhuǎn)化。經(jīng)由整體性實驗方案設(shè)計的學習過程，學生可以建立起更為完善和有機的認知結(jié)構(gòu)。詳細說來，教師應首先確定實驗的主題和目標，并向?qū)W生解釋實驗背景以激發(fā)他們的學習興趣。隨后，教師需要讓學生設(shè)計綜合性實驗方案。這一環(huán)節(jié)對學生的實驗設(shè)計能力和創(chuàng)造性思維提出了挑戰(zhàn)，要求他們綜合運用所學知識、理解實驗原理，并具體規(guī)劃實驗步驟、材料準備和數(shù)據(jù)收集與分析的方法。通過讓學生參與實驗方案的設(shè)計，可以促進他們獨立思考，有助于其問題解決和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

為了培養(yǎng)學生的探究精神和開放思維，在高中物理實驗教學中，可以引導他們進行一項關(guān)于動量守恒的實驗設(shè)計。在這個實驗中，學生有機會自主選擇實驗材料和裝置，設(shè)計并實施能夠驗證動量守恒的實驗方案。教學伊始，教師鼓勵學生分組自主設(shè)計實驗方案，在確定實驗設(shè)計原理后，分組進行方案交流與討論，確定其可行性。之后，學生自主選擇實驗材料，如選取氣墊導軌和光電門，或用平拋儀，或采用智能小車碰撞來驗證動量守恒。緊接著，讓學生按照設(shè)計方案進行實驗操作，測量碰撞前后各物體的速度和動量變化。學生通過分析實驗數(shù)據(jù)，得出各物體碰撞前后的動量，從而驗證動量守恒定律是否成立。最后，學生展示實驗結(jié)果，與同學討論實驗現(xiàn)象，并結(jié)合理論知識對結(jié)果進行解釋和總結(jié)。通過這個開放性實驗設(shè)計，鍛煉學生自主思考和實驗設(shè)計能力，培養(yǎng)他們解決問題和科學探究的能力。此外，在實驗結(jié)果的討論過程中，學生將更深入地理解動量守恒定律的實際應用和重要性，深刻認識物理理論，有效建構(gòu)整體概念圖式。

五、回溯歷史性探究程式，生成科學觀念

科學史進程中蘊含著體現(xiàn)各種程序性知識與認知性知識的豐富育人資源。通過回溯歷史，學生可以看到科學觀念是如何逐步發(fā)展和完善的，以及不同時期的科學家們是如何通過實驗和探索來形成這些觀念的。這種教學策略，旨在引導學生通過分析歷史背景和科學實踐，推導出科學觀念的產(chǎn)生和發(fā)展過程，從而促使他們形成更加深入和全面的科學認識。根據(jù)拓展性學習的學會思維要求，教學中應著力培養(yǎng)學生思維的整合力，即能夠?qū)⒘闵⒌闹R點整合為有機的知識體系。通過科學史回溯，學生能夠?qū)⒉煌瑫r間段、不同科學家的研究成果整合在一起，形成對于某一科學觀念的全面認識，而不僅僅停留在淺表的概念層面。拓展性學習的學會思維要求強調(diào)，獲取知識從何而來是一項重要的學習活動。這提示了教師需要回溯歷史性探究程式，以幫助學生深入理解知識的起源、發(fā)展和演變過程。在回溯科學史蘊含的探究程式過程中，教師積極引導學生探索知識的來源和演變歷程，幫助他們更好地理解知識的本質(zhì)屬性與內(nèi)在聯(lián)系。

對于拓展性實驗：“測定電子的電荷量”的教學，教師可以引導學生回溯科學史中探究過程，重溫科學探究的一般程序，并生成科學觀念。具體來說，該實驗通過測定電子的電荷量，讓學生了解元電荷的概念、其重要性及科學研究的一般方法。學生在測定電子電荷量的過程中，認識清楚了電子電荷是什么。首先準備所需的實驗材料，包括電源、導線、密立根油滴實驗儀等，然后學生向真空室中噴射微小油滴，調(diào)整電場強度，使油滴達到平衡。通過數(shù)據(jù)分析得到電子電荷的大小，加深了對物理世界中基本粒子性質(zhì)的理解。在實驗的同時，學生回溯科學史，探索電子電荷的發(fā)現(xiàn)歷史，如康普頓散射實驗、弗蘭克-赫茲實驗等對電子電荷性質(zhì)的驗證作用。通過結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和科學史背景，學生將順利生成對元電荷的科學觀念。此外，教師還可以通過講述電子電荷的重要性和應用領(lǐng)域，如電子學、半導體器件等，激發(fā)學生對前沿科學技術(shù)發(fā)展的興趣，并幫助他們將所學知識與現(xiàn)實應用聯(lián)系起來。

［本文系江蘇省教育科學“十四五”規(guī)劃2021年度重點課題“促進深度學習發(fā)生的物理實驗5E教學模式研究”（項目編號：B/2021/02/45）研究成果］

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蔡衛(wèi)東? ?江蘇省前黃高級中學，正高級教師，江蘇省特級教師。