强化高中物理实验有效性的研究

赵文东

一、研究背景

笔者曾经有过这样一次经历:有老师家里要搞装修,请笔者去安装电灯开关(线路已经放好,只剩下电线与开关未连好)。笔者想借此机会检验一下学生的电学实验水平,就叫了班里两位男同学一起去,其中一位同学平时物理成绩非常优秀,而另一位同学则成绩一般。到了之后,就让两位同学先自行安装,结果令笔者大吃一惊,成绩优秀者研究了很长时间之后还迟迟不敢下手安装,但成绩平平者却很快就把开关安装好了(家庭装修电线一般是有两根护套线,一根从电源接过来,还有一根接到电灯上去)。这件事给了笔者很大的触动。在后来的物理实验课中,笔者又留意观察了这两位同学,发现成绩优秀者在做实验时基本上是一个旁观者,要靠同桌的帮助才能勉强把实验册交上来;而成绩平平者却非常认真,每一次实验不但亲自动手,而且还能够帮同学把未能完成的实验完成。

为此,笔者在刚进入高三的学生中进行了一个小调查,发现有一半以上的学生在高一、高二的实验课时基本上是以玩为主,虽有浓厚的兴趣,但却很难把实验全部完成。有很多同学基本上都是以一个旁观者的身份在做实验,最后实验册中的数据也多是拼凑、抄袭而成。

以上种种使笔者意识到,高中物理实验课必须改进,必须要强化实验的有效性。实验课的教学目标是既要培养学生良好的实验操作技能,又要培养学生的创造能力与创新意识。实验操作技能是基础,为了培养学生的实验操作技能,笔者将原先的二人一桌实验改为单人单桌实验(个别实验除外,如研究凸透镜成像)。

实施一段时间之后发现,单人单桌实验比二人一桌实验存在着更多优点,具体表现在:实验时旁观者没有了,每一位同学都能认真进行操作,学生操作技能得到了长足的进步;学生听教师讲解时比单人单桌要认真得多;同学之间的合作比二人一桌更为频繁,操作技能高的同学能够帮助差的同学完成实验。在二人一桌实验时,如果碰到两同学操作技能差异很大,则是以一人为主,另一人基本是一个旁观者,相互合作反而要少得多;从上交的实验册来看,数据的抄袭、拼凑现象比以前少了。

二、发现的问题

虽然单人单桌实验存在着很多优点,但在操作过程中也出现了不少问题,具体表现在以下几个方面:

1.在教师介绍实验原理和实验器材时,是学生注意力最不集中之时。例如,在学生实验《练习使用打点计时器》中,老师讲解时,有的学生在固定打点计时器,有的学生穿纸带,有的学生在调整电源电压。当教师叫学生回答器材名称时,因大多数同学看不清教师所指部位,所以只管自己边看边摸索。有一些学生开始时听教师讲,但当教师讲了如何选择电源电压后,就只顾自己动手而不再听讲了。这种情况在实验课中是十分普遍的,究其原因,我们认为这一方面是因为教师只利用静态的示意图及板书讲解,对学生产生的吸引力不及实验器材对学生产生的吸引力大。另一方面是由于信息相互干扰的结果。当教师介绍实验器材时,由于学生看不清教师手上的器材,肯定得看自己桌上的器材,这样的话,学生接受的视觉信息来自实验桌上,而听觉信息来自教师,教师对学生的引导能力就大大下降。由于听讲时不认真,导致一些学生在基本的知识点上也要出现错误。例如,我们在观察《练习使用打点计时器》实验中学生的行为时就发现,有两个小组把导线接在直流电源上;又如,在《练习使用多用电表》的对比实验中,有的学生把表笔插在插孔内,等等。

2.学生注意力相对集中及积极参与是在“仪器安装及调节”、“操作并记录数据”、“数据分析及处理”这三个阶段。在这三个阶段,学生的积极性虽然很高,但实验效果并不好。这是因为学生在前面几阶段的基础没有打好,导致学生操作无序,并没有达到培养学生良好实验操作技能这一目标。如在练习使用打点计时器时,一些学生一开始在固定打点计时器,而另一些学生在连接导线;一些学生是先放复写纸,然后穿纸带,而另一些同学则是先穿纸带,后放复写纸。在数据分析及处理阶段,由于条件的限制,教师无法对学生的实验及数据处理情况进行全面反馈,失去了对错误操作进行纠正的机会。

3.在反馈与评价阶段,也是学生注意力相对不集中之时。受课堂时间的影响,反馈这一技能学习所必需的教学环节通常在实验课中很少得到体现。虽然有部分教师认识到反馈的重要性,口头讲解观察到的一些不规范的实验行为,但由于学生没有亲眼看见,所以常常引不起学生的兴趣与重视。例如,在《练习使用打点计时器》这一实验的反馈阶段,由于教师无法将学生打出的纸带投影出来,故只能画几张图让学生讨论一下,学生对此兴趣不大。

4.由于学生动手能力的差异性,使教学缺乏层次性。由于学生的动手能力差异性较大,出现有少部分同学已经早早把实验做好而无事可做,另一小部分同学则连完成实验都感到困难的现象。这种差异性使得实验教学缺少层次性,同时也限制了学生的创造力和创新能力的培养。

5.单人单桌实验使教师的即时辅导工作量增加。由于采取了单人单桌实验,教师在学生动手实验时,其辅导的工作量无形中增加了一倍,容易出现教师疲于奔命的现象。特别是在实验器材容易破损的实验,如做《测定匀变速直线的加速度》这一实验时,由于打点计时器特别容易损坏,而小车又容易翻倒有时急需修理,教师犹如救火兵,一堂课下来精疲力竭。

三、解决策略及实践操作

鉴于上述问题,为了使实验教学更有效率,更有效果和更吸引人,笔者进行了如下的思考与设计,并应用到课堂,取得了良好的效果。

1.改善实验课组织形式,突出自主、合作、探究。鉴于单人单桌的组织形式使教师即时辅导的工作量无形增加,我们通过聘请“小先生”,成立实验小组的形式,既减轻了教师的负担,又提高了“小先生”们的学习积极性。我们对班级学生进行了分组,每6人一小组,每组选取一名物理成绩好、动手能力强的同学担任“小先生”。每次实验之前,这些同学被允许自带实验册先进行实验,从实验原理到最后的数据处理全部由个人自己完成,教师只是适当提示。这样,“小先生”们在实验课时就可以替教师完成即时辅导的工作,使教师的工作量减轻不少,同时教师的辅导也更具成效性。同时,“小先生”们也有时间去进行实验拓展,达到分层教育的目的。这样的实验课既突出了自主(单人单桌),也实现了合作(小组互相合作),同时还达到了探究(实验拓展)的目的。

2.调整教学内容,给学生以更多的操作时间。一堂完整的实验课,包括实验原理和方法的讲解、操作步骤和注意点的讲解、实验操作、数据分析和课堂反馈五个方面。但由于一堂课的时间有限,所以笔者设计把实验原理和方法的讲解放到平时的课堂教学中(可以是实验前,也可以是实验后)。如在《测定匀变速直线运动加速度》实验中,笔者把实验原理和方法在《匀变速直线运动的规律》一节中预先加以阐述。这样既增加了学生在实验课的操作时间,又增加了学生对实验原理的理解和掌握。同时,为了在实验课中对学有余力的同学进行创造能力培养,我们结合实验课实际设立“实验拓展”内容,主要从以下三个方面加以开展:

(1)对实验方法与器材进行发散性思考。对实验方法与器材进行发散性思考可大大拓宽学生的思路,加深对实验原理的理解。例如,在《测定玻璃的折射率》这个实验中,笔者引导学生对实验测量工具进行发散性思考,用圆规作单位圆以后,用刻度尺替代量角器;笔者引导学生对实验用的玻璃砖进行发散性思考,用半圆形玻璃砖及其它形状的玻璃砖替代平行玻璃砖,用水(液体)替代固体(玻璃砖)等。

(2)对教学中的疑难问题进行针对性探索。对教学中的疑难问题进行针对性探索可以加深对所研究的问题的理解,有利于学生化解难点。例如,在学习了透镜内容后,对能否用眼睛直接观察实像、观察范围有多大及挡住透镜的一部分能否成完整像等问题,仅仅凭教师的讲解学生总觉得理解得不透,这时教师若能引导学生对这些问题进行实验探索,一定会加深他们的印象,从而使学生对知识理解得更深,掌握得更稳固。

(3)利用实验器材进行探索。在实验时,利用已有的实验器材,学生可以进行很多实验探索,这不仅增加了学生的实验兴趣,优化了学生的知识结构,还激发了学生进一步学习与探索的热情。例如,在《测定玻璃的折射率》这个实验时,学生不仅利用手中的玻璃砖进行棱镜成像的观察(利用玻璃砖的一只角),还利用手中的玻璃砖进行光谱的观察(利用玻璃砖的一只角观察日光灯)。又如在《测定电池的电动势和内电阻》的实验中,笔者设计了拓展实验:如果给你一只电阻箱和安培表,如何测定电池电动势和内电阻?如果给你一只电阻箱和伏特表,如何测定电池的电动势和内电阻?这些探索实验尤如学习与探索的“助推剂”,将对学生今后的学习与发展产生深远的影响。

3.变视听信息相互干扰为协调一致。视听信息相互干扰大大影响了教师对学生的控制与引导,使开始阶段的信息传输受阻,降低了课堂教学的效率,这对于以动作技能为特征的学生实验课(特别需要示范与反馈)来说,确实是一个致命的问题。笔者认为,在开始讲解器材作用时一定要让学生的头抬起来。为了做到这一点,笔者用视频展示台将实验器材放大,这样学生既可以看到清晰的仪器,又会对教师的讲解产生浓厚的兴趣;拍出仪器的照片做成扫入CAI课件等。在讲解时,笔者力求用生动活泼的形式来吸引学生的注意力,例如,在《练习使用打点计时器》中,笔者制作了“打点计时器工作原理”的动画。在动画中,交流电的大小与方向的变化通过电流表的指针偏转来表现,振片的磁极变化通过与永久磁铁对应的颜色变化来反映,打点周期通过周期为0.02S的一个小时钟来表达。又如,在《测定玻璃的折射率》实验中,在讲解操作步骤时,由于学生还没有实际看大头针像的经验,教师很难用语言把物像“遮挡”及其本质讲清楚,笔者通过制作动画很好地突破了这一教学难点。由于动画生动形象,大大提高了学生的注意力,整个学习过程十分顺利,教学效率大大提高。

4.用动作技能的学习规律指导动作技能的学习。笔者发现,在参加实验考查时,即便面对十分简单的实验(如“打点计时器的使用”、“用万用表测电阻”等),学生也是手不断地抖,看一步操作步骤做一步,根本达不到熟练(自动化)程度。另外,在实验时,不同组的学生其操作常常各不相同,经常出现错误的操作方法。例如,在《测定玻璃的折射率》这一实验时,有的学生用玻璃砖作工具固定大头针。笔者认为,这是由于教师不熟悉动作技能的学习规律的缘故。有的教师把动作技能的学习等同于知识的学习,认为自己已经把它讲清楚了,学生也就会了。有的教师由于自己已经掌握了动作技能(达到自动化)而认为动作技能的学习很简单。其实即使是比较简单的骑车、游泳等动作技能,哪个人是一学就会的呢?

动作技能的学习特点是先知觉再通过训练成为动作技能,一般说来,它的学习需要经历三个阶段:第一是认知阶段,学习者通过外部的言语指导,或通过观察他人的动作示范,试图理解任务及要求。这里的“动作示范”可以是指导者的示范也可以是其他学习者动作的示范。这一阶段的主要任务是领会技能的基本要求,掌握组成技能性活动的局部动作;第二是联系形成阶段,此时学习者要建立外部刺激与动作之间的联系,这一阶段的基本任务是把局部动作组成大的单元;第三是自动化阶段,学习者经过学习,各个局部动作之间联系已经形成,一长串的动作系列已联合成一个有机的整体,其中的多余动作已消失,整套动作进行得流畅、省力,可以一气呵成。笔者在研究中十分重视教师的示范作用,教师不仅通过视频展示台演示每一步操作步骤,还把操作步骤拍成录像后制作在CAI课件中,包括一些学生易犯的错误。然后借鉴中央电视台《正大综艺》栏目中的“找错误”节目,让学生也找一找录像中的错误之处,对此,学生兴趣很高,每发现一处错误,都会发出一阵开心的笑声。经过教师示范、学生找错误以后,学生实验操作的正确率大大提高,教学效果及教学的吸引力也得到增强。

5.加强对实验操作过程及数据处理的反馈。研究表明,只有不断地进行反馈,学生不良的操作行为才能得到纠正。正是由于对学生的操作过程缺乏有效的反馈,使得学生对自己的操作显得随便;正是因为对学生的操作过程缺乏有效的反馈,学生常常觉察不到自己操作上存在的错误与不规范。就数据处理来说,因为学生的实验数据都是记载在实验册中,而且数据处理过程中的错误,在实验册的批改中难以发现。如在打出纸带后,对位移的测量,有的学生采取分段测量,验证机械能守恒定律中测量点的选取不同等。另外,从完成实验到上交实验册,再到教师批改后发还给学生,需要较长的时间,这时学生与教师都早已进入另一种教学与学习情景,教师对学生在实验时出现的抄袭数据、凑数据的现象也因为不能及时反馈而难以发现与纠正,即使教师在批改实验册时发现并在课堂中加以指出,也会因事过境迁而使学生触动不大。长此以往,学生肯定无法形成良好的科学素养。视频展示台为实验操作的反馈与实验数据处理的反馈提供了很好的工具。教师可以让学生在视频展示台上进行操作,也可以把学生打出的纸带或实验册中的图表在视频展示台上展示。例如,在实验《练习使用打点计时器》中,开始时由于学生的拉带速度较小,纸带上打出的点非常密集。教师抽取几条纸带通过视频展示台展出,同时启发学生:怎样才能获取间隔合适的纸带?又如,在《测定玻璃的折射率》这一实验时,通过教师对学生所画光路图的及时反馈,学生的操作错误得到了改正,操作技能也得到了优化。

参考文献:

[1]张祖忻.教学设计——基本原理与方法[M].上海:上海外语教育出版社,1992.

[2]李克东,谢幼如.多媒组合教学设计[M].北京:科学出版社,1994.

[3]乔际平,续佩君.物理教育学[M].南昌:江西教育出版社,1996.

[4]盛群力,李志强.现代教学设计论[M].杭州:浙江教育出版社,1998.