高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略與有效性研究

摘 要：高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生理解物理概念、發(fā)展科學(xué)思維和提升探究能力具有關(guān)鍵性作用.合理運(yùn)用多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，不僅能顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還能有效促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新意識培養(yǎng)、自主探究能力和知識應(yīng)用能力的提升.

關(guān)鍵詞：高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略；有效性

中圖分類號：G632

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0333（2024）33-0071-03

收稿日期：2024-08-25

作者簡介：宋宗斌（1990.11—），男，甘肅省靖遠(yuǎn)人，碩士研究生，從事高中物理教學(xué)研究.

傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，雖然能夠幫助學(xué)生鞏固基本概念，但往往忽視了學(xué)生創(chuàng)新思維與探究能力的培養(yǎng).隨著教育改革的深入，如何設(shè)計(jì)和實(shí)施更具有效性和創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，已經(jīng)成為物理教學(xué)研究的焦點(diǎn)之一.文章將系統(tǒng)分析現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，并探討其在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及有效性，以期為一線教育工作者提供參考.

1 高中物理課堂教學(xué)中提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的意義

1.1 增強(qiáng)物理知識的理解與記憶

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過將抽象的物理概念形象化，使學(xué)生能夠更直觀地理解物理現(xiàn)象.例如，在學(xué)習(xí)力學(xué)時(shí)，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)力的概念很抽象、很難理解，但通過實(shí)驗(yàn)，如用彈簧測力計(jì)測量力的大小和方向，學(xué)生能夠直觀地看到力是如何作用的，以及力與物體運(yùn)動之間的關(guān)系^[1].學(xué)生不再依賴書本上的文字或教師的講解，而是通過親自操作和觀察，直接接觸和感知物理現(xiàn)象，這樣的過程有助于學(xué)生將理論知識與實(shí)際現(xiàn)象聯(lián)系起來，加深對知識的理解.此外，與被動接受信息相比，主動參與實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)生更容易產(chǎn)生對知識的理解.這是由于學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行了反思，而反思為學(xué)生提供了寶貴的學(xué)習(xí)機(jī)會，使其能夠更深刻地理解并糾正自己的認(rèn)識誤區(qū)，從而更牢固地掌握物理知識.

1.2 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵途徑.在物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過觀察物理現(xiàn)象、提出問題、做出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等一系列探究活動，逐步掌握科學(xué)探究的基本方法和步驟.通過這些活動，學(xué)生不僅能夠?qū)W習(xí)如何進(jìn)行科學(xué)研究，還在這個(gè)過程中發(fā)展了科學(xué)思維能力.例如，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)某一現(xiàn)象與預(yù)期不符，這時(shí)需要重新思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)或條件，并重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而培養(yǎng)自身的批判性思維和邏輯推理能力.通過不斷地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和調(diào)整，學(xué)生學(xué)會了如何通過實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持或否定自己的假設(shè)，逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維方式.

1.3 提升問題解決能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題解決能力體現(xiàn)在多個(gè)方面.首先，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中會遇到各種實(shí)際操作問題，如器材的使用方法、實(shí)驗(yàn)誤差的控制、數(shù)據(jù)的處理等.面對這些問題，學(xué)生需要自主思考并找到解決方案，這培養(yǎng)了其獨(dú)立思考能力和動手能力.此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)還通過問題解決過程，增強(qiáng)了學(xué)生在面對挑戰(zhàn)時(shí)的自信心和耐心.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷失敗和成功的循環(huán)，學(xué)會如何從失敗中吸取教訓(xùn)，并通過不斷嘗試最終解決問題.這種經(jīng)歷不僅提升了學(xué)生的心理韌性和抗挫折能力，也為學(xué)生在未來面對更復(fù)雜的問題奠定了基礎(chǔ).

1.4 促進(jìn)學(xué)生之間的合作與交流

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往以小組合作的形式進(jìn)行，這為學(xué)生提供了相互合作與交流的機(jī)會.在小組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要分工合作，明確各自的任務(wù)，如操作實(shí)驗(yàn)儀器、記錄數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等，分工協(xié)作的過程不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，也培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力^[2].通過合作，學(xué)生能夠相互學(xué)習(xí)、相互幫助，例如，在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)某個(gè)學(xué)生遇到困難時(shí)，其他組員可以提供幫助和建議，從而促進(jìn)知識的共享和共同進(jìn)步.通過合作討論和交流，學(xué)生還可以更好地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，互相啟發(fā)，提出更有創(chuàng)意的解決方案.

2 高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

2.1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)專題，培養(yǎng)學(xué)生探究能力

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是零散的、獨(dú)立的，學(xué)生在課堂上做的實(shí)驗(yàn)往往只局限于驗(yàn)證某個(gè)單一的物理規(guī)律，缺乏連貫性和系統(tǒng)性，探究能力得不到有效培養(yǎng).新課改倡導(dǎo)的核心素養(yǎng)要求教師不僅要傳授知識，更要培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新精神和科學(xué)思維.因此，設(shè)計(jì)以實(shí)驗(yàn)專題為核心的教學(xué)策略，將相關(guān)的物理概念、規(guī)律、器材、操作方法等整合起來，能夠更好地滿足這一需求^[2].

講解加速度時(shí)，教師提前準(zhǔn)備一些基礎(chǔ)器材，如直尺、厚書本、紙板、硬幣、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶等，并鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自身的理解，設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案測量硬幣在斜面下滑過程中的加速度.學(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組在討論后設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案，一些小組可能會選擇用直尺和厚書本搭建一個(gè)斜面，并粘貼紙板作為滑道，以保證硬幣的運(yùn)動軌跡穩(wěn)定.另一些小組則可能選擇使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，通過分析紙帶上的點(diǎn)距來計(jì)算加速度.教師在此過程中巡回指導(dǎo)，提醒學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)中的變量控制，如保持斜面的傾斜角度不變，確保硬幣的初速度等.最后，學(xué)生將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如整理硬幣下滑過程中不同時(shí)間段的位移數(shù)據(jù)，或測量紙帶上相鄰點(diǎn)之間的距離.通過設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不再僅僅停留在公式的記憶層面，而是通過實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)際感受到加速度的存在.這種感性認(rèn)識與理性思考相結(jié)合，能夠幫助學(xué)生更好地理解物理概念.

2.2 重組教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善學(xué)生知識體系

重組教材實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將零散的實(shí)驗(yàn)整合為系統(tǒng)化的實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中形成連貫的知識體系.這種系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)方式，不僅有助于學(xué)生將不同章節(jié)的知識點(diǎn)聯(lián)系起來，還能幫助學(xué)生從整體上把握物理學(xué)科的核心概念和基本規(guī)律.

講解“力學(xué)”知識時(shí)，教師可以將所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重組，讓學(xué)生鞏固并加深記憶.學(xué)生可以建構(gòu)思維導(dǎo)圖，如中心詞是力學(xué)試驗(yàn)，分支則有彈力、摩擦力、力的合成與分解、牛頓定律應(yīng)用、超重與失重.每一個(gè)分支中繼續(xù)完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如彈力專題實(shí)驗(yàn)中補(bǔ)充“利用激光筆顯示微小形變的效果，通過觀察光點(diǎn)的偏移，理解彈力與形變的關(guān)系；通過放大思想方法（如使用放大鏡或顯微鏡）顯示硬質(zhì)玻璃瓶在施加外力后的微小形變，認(rèn)識到即使是看似‘不可變形’的物體在施加力時(shí)也會產(chǎn)生形變”.再如“摩擦力專題實(shí)驗(yàn)”中，補(bǔ)充“利用筷子提起裝滿米的瓶子，演示靜摩擦力的作用；自制傳送帶模型，通過測量滑動摩擦力大小，理解摩擦力的產(chǎn)生及其影響因素；使用氣墊導(dǎo)軌減少摩擦力，分析摩擦力對物體運(yùn)動的影響”等.每個(gè)實(shí)驗(yàn)專題都是對力學(xué)中一個(gè)重要概念的深入探討和實(shí)踐.通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠更好地理解和掌握力學(xué)的核心知識，并在探究過程中逐步培養(yǎng)起科學(xué)思維和探究能力.

2.3 借助信息技術(shù)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)情境，降低學(xué)習(xí)難度

高中物理課程中，一些實(shí)驗(yàn)涉及復(fù)雜的器材、精確的數(shù)據(jù)測量和抽象的物理概念，學(xué)生在理解和操作時(shí)可能遇到困難.而信息技術(shù)的引入，如虛擬實(shí)驗(yàn)、模擬軟件、數(shù)字化傳感器等，為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的途徑，可以有效降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，提高實(shí)驗(yàn)的效率和效果.

“磁場對通電導(dǎo)線的作用力”是高中物理的重要內(nèi)容，教學(xué)重點(diǎn)在于理解安培力與左手定則.教師可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，在屏幕上展示通電導(dǎo)線在磁場中的受力情況，軟件可以動態(tài)展示電流方向、磁場方向和安培力的方向，幫助學(xué)生直觀理解三者之間的關(guān)系.通過調(diào)整磁場方向和電流方向，學(xué)生可以觀察安培力方向的變化，直觀地感受到“左手定則”的應(yīng)用.接著，教師繼續(xù)使用物理模擬軟件，如“PhET”模擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建不同的實(shí)驗(yàn)情境，如改變電流的強(qiáng)度、磁場的大小和方向等，引導(dǎo)學(xué)生觀察這些因素如何影響通電導(dǎo)線的受力情況.學(xué)生可以通過軟件模擬實(shí)驗(yàn)，嘗試不同的組合，探究磁場、導(dǎo)線電流和作用力之間的關(guān)系，這種交互式學(xué)習(xí)方式可以增強(qiáng)學(xué)生的參與感和探索欲望.可見，虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬軟件的互動性使得學(xué)生能夠在實(shí)踐中不斷探索和驗(yàn)證自己的理解，提高了對這一定律的掌握度.

2.4 立足實(shí)際生活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化學(xué)生知識應(yīng)用

通過實(shí)際生活中的問題，學(xué)生可以看到物理知識在生活中的應(yīng)用，了解物理不僅是抽象的理論，還是解決實(shí)際問題的工具.學(xué)生能夠意識到物理原理與日常生活密切相關(guān)，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)的動機(jī)和興趣.而通過實(shí)際生活中的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)會如何將課本中的知識轉(zhuǎn)化為解決現(xiàn)實(shí)問題的工具，這對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力都具有重要的意義^[3].

教授“超重與失重”一節(jié)時(shí)，教師通過提問引導(dǎo)學(xué)生回憶自己在生活中體驗(yàn)過的與超重和失重相關(guān)的現(xiàn)象.例如，乘坐電梯時(shí)，是否感覺到身體的重量在某些時(shí)刻變輕或變重？在游樂園乘坐自由落體設(shè)施時(shí)，身體是否有瞬間的失重感？這些現(xiàn)象為學(xué)生提供了對超重與失重概念的初步感性認(rèn)識.然后，讓學(xué)生利用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置（如裝有小物體的水瓶），模擬自由落體過程中的失重現(xiàn)象.學(xué)生將瓶子從一定高度自由下落，觀察瓶子內(nèi)小物體的狀態(tài).通過多次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以清楚地觀察到在自由落體過程中，小物體在瓶子內(nèi)呈現(xiàn)出失重狀態(tài).教師引導(dǎo)學(xué)生討論小物體在瓶子內(nèi)出現(xiàn)的失重現(xiàn)象，分析原因，并將其與現(xiàn)實(shí)中的跳傘、宇航員失重等現(xiàn)象進(jìn)行類比.最后，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合牛頓第二定律和重力加速度的相關(guān)知識，分析體重變化的原因，解釋在加速運(yùn)動和自由落體過程中為何會出現(xiàn)超重與失重的現(xiàn)象.這樣一來，學(xué)生能夠?qū)⒊嘏c失重的知識融入更廣泛的物理學(xué)習(xí)和生活實(shí)踐中，真正實(shí)現(xiàn)了“學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo).

2.5 發(fā)揮問題驅(qū)動優(yōu)勢，發(fā)散學(xué)生學(xué)習(xí)思維

通過提出具有挑戰(zhàn)性的問題，教師可以引導(dǎo)學(xué)生自主思考和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.這種自主探究的過程不僅能提高學(xué)生的動手能力，還能培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力，使其在實(shí)驗(yàn)中成為主動的探究者，而不是被動的執(zhí)行者.學(xué)生在解決開放性問題的過程中，會嘗試不同的實(shí)驗(yàn)策略，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新意識，提高解決實(shí)際問題的能力.

滑動摩擦力是高中物理教學(xué)中的重要概念，教師可以提出問題：滑動摩擦力的大小受哪些因素影響？我們?nèi)绾瓮ㄟ^實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這些影響因素？特別是接觸面粗糙程度和接觸面之間的壓力大小，分別如何影響滑動摩擦力？引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行探究.在課堂上提供基本的實(shí)驗(yàn)材料和工具，如不同材質(zhì)的板塊（如木板、塑料板、砂紙等）、砝碼、彈簧測力計(jì)等.學(xué)生使用不同材質(zhì)的板塊，保持壓力不變，探究接觸面粗糙程度對滑動摩擦力的影響.然后使用同一種材質(zhì)的板塊，通過增加砝碼的重量，改變接觸面的壓力大小，探究壓力大小對滑動摩擦力的影響.在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，教師要提供必要的指導(dǎo)，確保學(xué)生能夠準(zhǔn)確測量并記錄數(shù)據(jù)，還要鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)整，如通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)果的可靠性.

3 結(jié)束語

綜上所述，高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性依賴于多樣化的教學(xué)策略與創(chuàng)新方法的合理應(yīng)用.因此，物理教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)與學(xué)生實(shí)際學(xué)情，靈活運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)物理學(xué)生的全面發(fā)展.同時(shí)，未來的研究中還應(yīng)進(jìn)一步探討如何將這些策略與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合，以持續(xù)提升物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量.

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[責(zé)任編輯：李 璟]