从物理学习的认知过程看物理实验研究

张德笠

【摘要】物理实验是物理教学的基础，是物理教育研究的重要组成部分。物理学习中进行实验演示、实验操作能使使学生对物理事实获得具体而又明确的认识从而真正理解概念物理规律的基础，达到预想教学效果。实验还可以培养学生的观察能力和实验能力，这也是高中物理学习大纲要求的一个重要目标。为此，本文从物理学习的认知过程来看物理实验研究。

【关键词】物理学习 认知过程 物理实验

1物理学习的认知过程

物理知识的学习有通过感知物理现象之后，经过简单的科学抽象就可以理解，也有通过感知物理现象之后，必须通过认知结构的转化或调整才能理解。为了让大家知道到底哪些知识的学习需要认知的调整和转变，哪些不需要，笔者对物理学习的认知过程进行如图1所示的分类。从图1中可看出物理知识按学生认知特点可分为4种不同的过程。对于没有相关经验的知识的学习，必须通过实验来创设物理学习的情境，增强学生的感性认识，才能理解，这类实验称为增强感性认识实验。而对于学生已有相关经验且这些经验与科学知识完全相同时，只要唤起学生头脑中的感性认识，就可以顺利地理解。对于已有经验与科学知识部分相同的知识学习，必须通过实验来促进学生认知的调整才能理解，这类实验称为认知调整实验。对于已有经验与科学观念相违背的知识学习，必须通过实验来促进学生认知的转变才能完成，这类实验称为认知转变实验。

2物理实验操作策略

2.1实验操作中的元认知策略

（1）计划：开始实验操作之始，策划整个实验过程，在实验知识、技能、心理等方面做足准备。

（2）调控：在实验操作过程中，时时监控自己的操作，如发现实验现象不明显或与验证结论不一致时，要探寻问题的原因（如仪器是否正常工作、自己的操作是否得当等），重做实验。

（3）评估：操作结束之后，对整个实验操作的过程进行反思。如：对计划制定是否合理、实验中操作是否正确、实验记录是否准确、详实、数据分析及处理是否恰当、实验报告的设计及填写是否合理等问题进行思考和评价。

2.2实验操作技能策略

实验仪器的连接及调试；观察记录；仪器整理。

2.3实验操作认知分析策略

分析——运用列表法、图像法等对实验数据进行处理；整合——把分析获得的信息进行有机的组合，得出结论；结论分析——对实验结论的正确性、实验中存在的误差、实验中出现的故障进行分析、总结。

2.4实验操作中的资源管理策略

（1）求助策略是指在实验操作中遭遇困难时，向周围的人寻求帮助的策略。例如，不同学生分工协作操作实验，当仪器出现故障或实验现象不明显自己又解决不了问题，可寻求老师或者周围同学的帮助等。

（2）情感管理策略是指在实验操作中对个人情绪的调控，注重激发自身积极的动机，培养自身求真务实的科学态度。尤其在实验操作不成功或者实验数据不理想时，不放弃，调整情绪，认真分析问题原因，或求助于教师或同学。

2.5实验方法归纳概括策略

（1）放大法。例如显示微小形变时，可以利用毛细管中的细液柱来显示手挤压玻璃时的微小形变。卡文迪许利用放大法测出了引力常量：库仑也利用同样的放大法测出了静电力常量。

（2）比较法。它是将被测量与标准量进行比较而得到测量值的。例如，将物体的长度与直尺、游标卡尺或者螺旋测微器的标准量进行比较，得到物体的长度。

（3）累积法。累积法就是将难以直接测量的物理微小量进行累积测量的方法，累积法的优点是可以减小误差。

（4）补偿法。

（5）模拟法。

2.6自己设计实验的策略

自己设计实验的策略是指打破现成的设计方案，在一些特定的要求和条件下，自行设计一些新的实验方案和步骤，完成其实验要求的方法。设计型实验是一种培养创新能力和实践能力的一些实验，由于设计型实验仪器的可选择性、设计方案的多样性、应用知识的灵活性和解决实验问题的新颖性，因此学生要经过长期训练才能具备自己设计实验的能力。自己设计实验的策略实施包括一些几个方面。

（1）搞清实验的目的和要求，弄清每一种仪器的基本用途和使用方法。

（2）寻找可行的方法，将实验目的和要求與仪器所能测量的物理量联系起来，找出中间的必然的规律性的联系，从测量的物理量出发，通过什么样的过程，达到实验的目的和要求，写出整个过程的全部内容就是设计方案，并通过分析选出最佳方案。

（3）设计实验步骤，根据实验的方法确定恰当的实验步骤。

（4）设计减小实验误差的方案。实验误差不可避免，但是设计实验必须考虑使误差最小，选用更精密的仪器或更准确的方案。例如，电阻的测量，可以使用伏安法测电阻，但该方法由于电表本身的影响，有明显的电路不完善的系统误差；可以改进为等效替代法，就解决了电路不完善的误差，但还存在电表不准确的误差；如果使用惠斯通电桥法，电表不准确的误差就解决了，但还存在电表灵敏度的问题。

3结束语

物理学习不是由教师向学生传送知识，而是学生根据外在的信息，通过物理实验进行操作、观察、总结，不但能够激发学生的学习兴趣，更能够通过每一步的仔细实验提高学生的注意力，从而保证学生有效的学习。通过一系列的实验后学生对试验中的思维能力、操作能力等都有所提高，并且能够通过实际操作加深学生对操作设备、步骤影响等方面的印象，并通过最终分析相关数据得到结果，从而让学生能有效的完成学习目标。因此，根据学生物理学习的认知过程来研究实验可以使实验真正成为能促进学生理解的活动，同时也为物理实验研究提供了一个崭新的思路。endprint