探究性实验教学的研究.docx

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1、探究性实验教学的研究 新课程背景下高中物理探究性实验教学的研究 一、探究性实验教学的意义 新的高中物理课程标准将“学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题”列入课程目标、内容目标和实施建议之中，这标志着科学探究不仅是物理学习的一种方法，同时还是物理课程的目标和重要内容。 随着新一轮的高中物理课程改革的开展，广大的物理教师逐渐意识到要彻底改善实验教学，才会真正实现物理教学的改革。探究性实验由于重视其过程和方法，具有有利于提高学生发现问题、解决问题的能力，培养与他人合作的精神，养成实事求是的科学态度及更有利于学生创造能力的提高和主体性发挥等功

2、能，越来越受到物理教育的重视1。所以，强调通过实验探究来提高学生的科学素养，已成为当前实验教学改革的主要方向。 二目前探究性实验教学的状况 1.科学探究 在美国的国家科学教育标准中,科学探究是指“科学家们用来研究自然并根据研究所获得的事实证据做出解释的各种方式;或者是学生构建知识，形成的科学概念，领悟证据科学研究方法的活动。2”在物理教育上，我们可以这样认为：科学探究是学生积极主动获取物理知识和解决物理问题的一种实践活动；同时科学探究是一个包括了提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作等要素的过程；科学探究既是一种学习的方式，也是重要的学习内容

3、。 2.探究性实验 探究性实验是指：根据教材的特点和教学的实际需要，在未知结果的情景下,，通过教师引导和配合，使学生运用自己已有物理知识及实验技能围绕某个问题通过设计、实验操作、分析综合、得出结论并对结果进行交流的一种实验形式。探究性实验不同于科学家进行的科学探究活动，它是在特定的条件下，让学生去亲自体验认识客观世界的经历。2 探究性实验不仅让学生意识到学习的结果，更着力于让学生去主动发现问题，是一个探求和解决问题、掌握知识的形成过程。我们可以认为物理探究性实验是为了探求物理知识，掌握物理方法的而进行的涉及提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合

4、作等环节的活动。在具体教学中，科学探究可是其中几个环节，也可以是全过程，但必须至少涉及制定计划与设计实验、进行实验与1 收集证据两个环节。现在广大的教师必须意识到，教师只是一个帮助者、促进者，学生是一个主动探究者，学生通过类似科学家那样的学习方式去掌握知识，从而培养学生的学习方法、创新意识和价值观念，为以后的学习、工作和生活奠定基础。 新的高中物理课程标准中明确提出“探究”应成为高中生主要的学习方式,这引起了广大物理教育工作者的热烈关注，如刘炳升教授在中学物理实验教学研究给出了13个高中物理课外探究性实验的具体设计，也在科技活动创造教育原理与设计一书中给出了探究性实验的案例与教学。显然，在这方

5、面，全国各地已有不少的经验和研究成果。最新的人教版高中物理教材中，也明确的把一些实验与科学探究相结合，要求学生进行探究性的物理实验，可见在学科教育当中探究性实验学习的比重有所增加。但是依然存在一些问题： 在实验教学方面，还是以演示实验为主，学生自己进行的探究性实验还是比较少。 学生的分组实验或随堂实验还没有体现出探究性。 实验类型单一，部分教师甚至不愿意花时间去引导学生完成探究性实验，把探究性实验变成验证性、测量性、练习性的实验。 很多教师和学生重视结果轻视过程，过分轻视了学生的实验行为。 究其原因是：教师对实验教学的重视不够，很多教师心里面存在“不做实验，高考照样拿高分”的思想。笔者认为，只

6、有让学生积极，主动地去寻找规律，使学生在简单层次上成为科学家，才能提高学生的实验兴趣，提高学生探索规律，追求结论的能力。 3三、高中物理探索性实验的设计指导思想 探索性实验作为物理实验的一种形式，它既有别于测定性实验，又有别于一般的验证实验。探索性实验的目的在于使学生获得物理实验研究方法的训练，让学生接触探索、发明、发现的过程和方法。在探索发现的过程中，发展学生理性的、批判的思想方法，体验学者研究的苦衷和愉悦，培养他们的发现、探究能力。而要达到这种目的，首先要求教师树立正确会设计指导思想。那么，探索性实验的设计应该该具备什么样的指导思想呢？瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论理论可以给我们以很好的启

7、示。 皮亚杰认为，人的行为具有一种定向性平衡。本来处于平衡状态的图式，由于人与事物的相互作用而破坏了平衡状态，出现了平衡化。为此，人再进行反应又恢复平衡，这种重新达到平衡状态的心理反应过程，称为平衡化。平衡化又可分为同化和顺应两种形式。同化是主体面临新的情境时，总是将新的知觉要素或刺激整合到原有的图式中，引起主体原有认知结构量的变化，以加强和丰富主体的动作；而当主体的图式不能同化客体时，主2 体只有改变原有图式或建立新的图式，引起主体认知结构发生质变才能适应或容纳新的刺激，这叫顺应。正是在同化、顺应的交替转换过程中，新的认识不断整合为更高级复杂的认知结构。 学生的心理发展，就是这种认知结构从平

8、衡到不平衡再到新的平衡的过程。皮亚杰认为，引起儿童认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激发儿童的求知欲和好奇心。按照他的平衡学说，冲突是认知结构重新组织和随后发展的基础。 探索性物理实验作为学生的一种积极主动的认识建构手段，其目的和作用不仅仅只是作为一般的建构手段，而是作为学生建构逻辑结构的手段。要达到这种目的，就要使学生在进行探索性实验时发生认知冲突。这要求探索性实验设计首先要足够“新颖”。正是这种“新颖”的刺激，才会激发学生对探索的兴趣，才能引起学生探索的欲望，才使得它与主体原有的“定势”相矛盾、相对立，才能产生认识上的不协调和冲突。比如，我们设计的“测定没有系统误差存在时干电池

9、的电动势和内电阻”实验，要求学生自己设计电路、得出数据，并求出没有系统误差存在时电池的电动势与内电阻，这比高中教材上的实验“新颖”。 那么，设计的“新颖”要达到什么程度呢？这涉及一个“度”的问题，太弱的刺激由于不能引起认知上的不平衡，因而也就不能引起同化和顺应。相反，如果外部刺激超过主体认知结构同化的范围，那么同化和顺应都无法进行，主体的反应也无从谈起。这正如皮亚杰所说的那样：“一个人既不注意太熟悉的东西，因为已经司空见惯了，他也不注意太不熟悉的东西，因为和他图式中的任何东西都没有联系。” 为了引起学生认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，探索性实验的设计还要遵循“适度”原则。“适度”是指

10、设计既要与学生已有的知识经验有一定联系，同时又要有一定的难度。这样的设计如同树上的果子一样，学生必须“跳一跳”才能摘下来，这样就最大限度地激发了学生的求知欲和好奇心。当他们依靠已有的知识解决了一个新问题时，往往会在紧张的智力劳动之后带来精神上的满足。这种求知欲满足后，又会产生新的刺激，激励他们进一步去探索新的课题，从而转化为学习上的一种内驱力。 概括以上两个方面可知，探索性实验的设计指导思想应该是“新颖、适度”。 四、高中物理探索性实验的设计原则 根据上面所提出的探索性物理实验的设计思想，结合我们多年具体设计中的体会与经验，我们认为有必要进一步制订探索性实验的设计原则。这是因为，设计指导思想的

11、确立能使我们从总体上把握设计的方向，而设计原则的制订则会对设计的指导更臻于具体，并3 对探索性实验的设计选题、设计思路等方面给予理论指导，从而指导我们设计出符合学生认知水平发展的实验来。 探索性设计原则 探索性设计原则是指：所设计的实验包含的物理规律往往隐藏在较深的层次，需要学生去挖掘；实验的条件和结果之间往往存在着较大的距离，需要学生去跨越；解决问题的方法与途径往往不太明确，需要学生通过尝试错误，提出假设并验证假设来寻找。提出这一原则基于以下原因：探索性实验作为一种发现学习活动，首先需要学生进行深入仔细的观察，并对外界输入信息和刺激进行过滤，唤起并指引注意作出有选择的记忆检索，并结合输入信息

12、进行评价，从而提出假设，进行试误性尝试，以便检验假设。这样，学生在解决问题的过程中，不仅能学会并形成一定的认知策略和技巧，同时也激发了他们的智慧潜力，并有助于形成内在的学习动机。因此，探索性实验的性质本身要求我们的设计要在条件与目的之间设置“障碍”，学生在越障的过程中，实际上是通过思维的中介在条件与目的之间架起一座认知“桥梁”。这种越障过程既包括发散性思维，同时又包括辐合思维。发散性思维不直接加工信息，它主要提供解决问题的方向与方法，它属于执行控制过程，它属于影响问题求解过程的认知策略范畴。待问题求解的方向与方法确定后，又需要辐合思维进行逻辑推理，按已确定的方向深入下去直至解决问题，从而在这一

13、探究的过程中培养学生的创造性思维。 从探索性实验的教育目的来看，由于探索性实验是建构学生良好认知结构的手段与方式，其信息刺激是一种新颖、适宜的刺激，因而，决定了实验设计一定要具有探索性。探索性的意义在于它给出的新颖、适宜的刺激能在学生的头脑中引起认知冲突和危机，从而促使学生积极、主动地建构他们的认知结构。特别需要指出的是，学生的探究行为作为一种动作或活动，它不同于演示实验中学生的观察，也不同于学生分组实验中的操作。上述观察和操作虽都包含物质动作和精神动作，但是精神动作的参与少，同时缺少两者的转化。这种情况正是造成目前实验教学不受欢迎的一个重要原因。而学生的探究行为则表现为物质动作与精神动作自始

14、至终的交织与转化。这种交织与转化的前提来自由于探索而引起的认知冲突。这样，学生在探索性实验中进行的抽象思维就不只是来自感觉因素的联结，而是来自感知与行动的相互协调。这事实上就回答了我们经常为之困惑的一个问题：为什么说物理理论的思维训练与运用实验的思维训练其效果大相径庭？进一步，我们也朝着解决探索性实验教育功能的方向迈出一大步，这就是探索性实验探索性的价值之所在，也正是我们制订这一原则的理由与根据。 4 趣味性设计原则 趣味性设计原则是指：探索性实验的设计要充分考虑学生的心理特点和认知水平，实验设计要求生动、有趣，能使学生在进行实验探索时，自始至终保持很高的兴趣。 在探索性实验设计中强调趣味性原

15、则是因为，探索性实验作为一种学习活动，不能依靠教师的督促使学生完成，而要通过设计良好的实验本身来激发学生的兴趣，使学生从好奇出发，进而发生兴趣，只有这样，才能使学生自觉自愿地参与实验探究活动。 探索性实验作为学生探究行为的目标或诱因，它还具有诱发和激励主体的有目标指向行为的作用和功能。生动有趣的实验本身会使学生产生暂时性的兴趣，而解决问题的探究以及成功地解决问题，又会使学生的暂时性兴趣转化为持久兴趣。兴趣作为主体的一种内驱力，它刺激主体并引起反应，反应的结果则导致主体需要的满足。当需要和内驱力指向某种特定的目标时，主体便获得了动机。 理论联系实际设计原则 理论联系实际设计原则是：探索性物理实验

16、的设计不仅有观察、测量的过程，而且需要建立物理模型，对实验的现象和结果用根据物理模型得出的表达式进行解释，从而培养学生运用理论解决实际问题的能力。 在设计中提出这一原则的理由是：多年来我们对物理实验的教学功能缺乏深入的研究，存在着一种普遍的观点，认为实验是附属于论、服务于理论的手段。实验的目的和作用常被归纳为正确观察、测量、读数和记录数据。根据实验数据验证物理规律。其实，物理实验不仅仅是用作训练技能，验证规律，而且它也是探索物理现象和规律的手段之一。它与物理理论相伴而行，密不可分。 提出理论联系实际原则的理由还在于：物理模型在学生的探究过程中还有三种功能。1、它具有相关功能。它以合理的方式把我

17、们研究的物理现象和结论联系在一起。2它具有解释功能。物理模型可用来说明或解释观测现象和得出的结论。3它具有启发功能。它能提出进一步研究的新假说、新问题和新实验。当学生在探究过程中认识到物理模型的上述功能后，就会逐步走出观测资料和实验归纳的局限，接受并学会提出和检验物理模型的方法。 简易性设计原则 简易性设计原则是指；实验的设计要尽可能采用较少的仪器，所使用的仪器要尽可能简单，设计的选题要尽可能与日常生活实际相联系，实验的原理要尽可能在高中物理范围之内。 5 提出这个原则的理由基于以下几点。首先，探索性实验作为实验教学的一种形式，它由教师给出实验课题、提供实验器材、提出实验要求，让学生自己设计实

18、验方案，并选取日常生活中的一些物品作实验器材，自制一些简单的仪器或零件。就地取材，用简单的器材做实验的方法还富于教育意义。因为这样做能使学生感到物理就在自己身边，研究物理并不神秘，从而调动学生的学习积极性、主动性，培养创造精神。 采用简单的器材还容易突出实验的物理原理，而不为那复杂的结构所干扰，因而能获得更好的效果。事实上，实验的效果往往与仪器的复杂程度成反比。麦克斯韦在评价简单仪器时曾说过：“这些实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制的仪器虽然经常出毛病，但他却会比用仔细调整好的仪器学到更多的东西。仔细调整的仪器学生易干依赖，而不敢拆成零件。”这很好地说明了简单仪器特有的教育价

19、值。比如，我们设计的“探索热水瓶的保温性能”实验，所使用的器材仅是一只温度计，而其研究对象却是家家都有的热水瓶。要求学生探索热水瓶内的热水温度与时间的函数关系Tf科学性设计原则 科学性设计原则是指：在探索性物理实验的设计中，首先，必须保证实验的设计不出现科学性错误，这是最根本的要求。其次，实验设计要具有科学思想和科学方法的教育因素。 为什么要提出这个原则呢？这是因为，我们对学生进行科学教育的基本要求就是要向学生传授科学知识，同时物理知识本身的科学性也要求我们在实验中尊重科学事实。提出这个原则的另一层含义在于，由于一个较好的探索性实验设计本身就是一项小型科研，在选题及设计过程中对于设计者也是一种

20、探究活动，其结果很难在设计之始加以预测。因此，如果在设计中没有科学的态度和方法，或者没有认真处理实验数据，往往稍有疏忽就会出现科学性错误。 科学性原则在实验设计中的要求还在于，把科学的物理思想和方法渗透到设计之中，使学生在解决探索性实验的过程中，形成科学的物理思想，学会并运用科学的方法解决问题。比如，通过观察、比较、判断、推理提出假设的思想，以及把误差分析应用于实验之中的思想。还有应用图象法处理实验数据的方法，以及由此而产生的“曲线改直”，内推、外推的方法，提出物理模型，建立经验公式的方法等等。这些思想与方法都有很好的科学 6 性与思想性，在学生解决问题过程中，起着一种诱因或刺激作用，引导着他

21、们去思考、去发现，从而使探索性实验真正起到培养科学思想与方法的目的。 五、高中物理探索性实验教学案例 在上实验课多用电表的使用时，每组实验桌上除了多用电表外，还准备了一组灯丝断路的日光灯管和内部断路的镇流器，标牌涂去的100欧、25千欧的定值电阻和好的、内部断路和内部击穿的三种晶体二极管，再加上一只电解电容器。 首先，让学生利用多用电表查出日光灯或镇流器的断路之处，并更换新的灯管或镇流器，使日光灯正常工作。这样使学生倍感兴趣，不仅了解了多用电表的妙用，而且更加熟悉了日光灯的工作原理。 其次，让他们测两个定值电阻阻值。首先让学生在R10档调好零，再换到R1档看指针是否还能指欧姆档的零值，结果不指

22、，使学生清楚了欧姆表换档后需重新调零。再让学生用R10档去测那两个定值电阻，结果一个有清晰的读数，另一个指针偏角太小，然后让学生讨论改用哪个欧姆档。在讨论和动手实验的过程中学生知道了应该用R100档，有的同学还总结出：“偏角过小，提高倍率，重新调零，再次测量”的十六字口诀。 再次，让学生测晶体二极管正、负电阻。先让他们用万能表的欧姆档判定哪个是好的，哪个内部是断路的，哪个内部是击穿的。使学生对晶体二极管产生了“好奇”，激发了他们力求弄懂，主动学习的积极性。通过对晶体二极管正、反向电阻的测量，不仅使学生弄懂了晶体二极管的导电特性，还清楚了多用电表红表笔插孔上的“十” 不是内电源的正极，而是电流表

23、的正极，它恰与内电源的负极相连。 最后，让学生使用万用电表欧姆档，用两表笔与电容器的两极相连，同学们都观察到指针偏转一定角度后渐渐返回到原位置，这是为什么？让学生回去讨论，以加深对欧姆表构成的认识。 7 在 高中物理“平抛运动”的教学中通过“感性观察提出猜想试验研究总结规律理性统一”的过程，使学生受到了科学方法的训练。 首先让学生观察平射水流的运动和平抛小球的运动，在感性观察的基础上让学生猜想。绝大多数都猜想到平抛运动可能是水平方向的匀速直线运动与竖直方向的自由落体运动的合运动。 然后让学生用“研究平抛运动”的试验来鉴定猜想是否正确。试验如何做？先让学生讨论，从讨论中使学生认识到斜槽的末端必须

24、水平；坐标板必须竖直；每次必须从同一位置释放小球；带孔的硬卡片应与小球速度方向大致垂直；坐标系原点应在斜槽末端正上方等于小球半径的高度处。再让学生在竖直方向上取下落高度为1：4：9：16；测量水平位移之比，近似得到比值为1：2：3：4。最后向学生说明试验是粗略的，因而存在着误差，若采用先进的频闪照相技术来研究，其比值会更接近1：2：3：4，肯定了大多数学生的猜想是正确的，并总结出平抛物体运动规律 。 最后对物体作受力和运动情况的分析，使学生认识到平抛物体运动遵循牛顿运动定律，从而使学生的思维上升到理性统一的认识高度。 在实验课验证牛顿第二定律中，要深化有关连接体的知识，这样才能使学生认识到在加

25、速运动系统中砂和砂桶的重力是大于绳的拉力的，只有在砂和砂桶质量远远小于小车和砝码质量时，两者才可以近似认为是相等的。通过这个实验对物体受力和运动情况的分析，深化了学生对牛顿第二定律及隔离法的理解，明确了产生系统误差的原因及减少系统误差的办法。 六. 新课标下高中物理探究性实验教学的反思和建议 1.新课标下高中物理探究性实验教学过程中应该注意的问题 高中物理的内容很多，对于不同的内容应该选择合适的切实可行的教学方式去突破，而且多考虑选择探究性实验教学来实现，毕竟实验教学的作用是巨大的，笔者认为，在探究性实验教学设计的过程中要注意： 要正确对待学生在探究过程中提出的各种观点，恰当加以引导、点拔。

26、注意对学生的思维给予一定的导向。 重视物理结论得出的过程。 要帮助学生克服在实验探究过程中遇到的障碍。 联系教材上的内容进行教学。 8 适当增加学生之间讨论、交流的机会。 2.关于新课标下高中物理探究性实验教学的建议 总体上来说，要加强实验教学和进行实验教学的改革创新，要重点进行探究性的实验教学，经过大量的分析，对探究性实验教学有以下几项建议： 要突出学生分组实验和随堂实验，同时结合探究式教学，培养学生的动手操作能力。把过去教师的传授、灌输变为学生动手主动探究的实验，让学生通过观察、分析和归纳，达到对概念的理解和规律的掌握。 探究性的实验教学要做好备课的工作。不仅要备教材，还要备学生。要对学生在整个实验教学的每个环节可能出现的情况进行预测，预先设想有效对策，以便在教学中能从实际出发，有的放矢。 探究性实验的教学要循序渐进，不必强行追求完整的科学探究的7的环节，也没有必要追求程序上和形式上重复科学家的发现过程。 探究性实验教学在我国还是一个起始的阶段，还有很多需要注意的地方等待我们去改善。同时探究性实验教学对教师和学生的要求还是比较高的，不仅要有扎实的基本功，还要有新的理念和策略，这需要广大师生共同努力，逐步改变原有的教学理念、模式和学习方式。探究性实验教学中的实际教学环节的衔接和调控还是有待于教师在实际教学中的选择恰当的做法。 9