提升物理学科实验素养——课题化改造物理实验的策略研究

沈 哲

（浙江省杭州市萧山区第二高级中学，浙江 杭州）

物理实验实施课题化改造能充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构和一种探求、尝试、体验的过程的目的，是一种能将自主学习、合作学习和探究学习有机地结合在一起的较高层次的学习模式，可以使认知冲突更容易产生，也更加深入和广泛，在此过程中还可以相互启发，扩大自己的思维，打破原有的思维定式，真正实现互动，产生双赢的效果，这是一种真正的开放式实验模式，是一个动态生成的过程，是提升物理学科实验素养的有效教学方式之一。物理实验与研究课题之间存在着差别，那么物理实验如何进行课题化改造？我们觉得可以从下面几个方面入手：

一、开放实验的设计

开放实验的设计，是开放实验的首要环节，具体的操作可以这样：

1.让学生到实验室去了解本校实验室的仪器配备情况，知道实验室能提供哪些仪器。

2.根据实验室所能提供的实验仪器情况设计实验方案，并进一步选择合适的仪器。

3.根据自己设计的实验方案确定实验步骤，完成实验。

如“测定金属的电阻率”实验中，教材中给出的方法是用电压表和电流表进行测量，但如果我们要求学生自己来设计实验方案，实验的探索性就会明显加强，实验的方案也会变得多姿多彩，他们会将自己已有的那点直流电路知识应用得淋漓尽致。我们认为，这样做总比一切都是现成的机械模仿要好得多。同时也证明，只有开放实验的设计，突破教材中给定的实验方案，学生的自主性才能得到充分的发挥，实验才具有课题研究的意义。

二、开放实验的研究范围

1.拓展延伸实验的研究内容

把实验的研究内容进行拓展和引申，是使实验更具有探索性的有效方法，因为引申和拓展的内容相对来说自主性更强，需要学生独立完成。如“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，教材的要求是只要根据给定的电路和仪器画出小灯泡的伏安特性曲线即可。如果实验只是到此为止，那么我们认为无论是实验的内容还是实验的探索意义都显得狭隘了一些，为此我们可以进一步给出下列任务来让学生完成：

给出一段电炉的电阻丝，通过实验画出它的伏安特性曲线。

给出一定量的食盐水，通过实验画出液体导电时的伏安特性曲线。

给出一支大功率二极管，通过实验画出半导体导电时的伏安特性曲线（正反两种情况）。

如果有教师的指导及实验条件的允许，还可以研究气体导电时的伏安特性曲线。

很显然，当我们把实验的内容进行引申拓展，实验的探索意义会明显增强。

（2）迁移实验的研究方法用以解决新的问题

当教材中规定的物理实验完成之后，若能将实验中所用到的研究方法通过迁移用以解决新的实际问题，不但能有效地丰富实验的研究内容，而且为学生提出了一个十分合适的研究课题。这样的物理实验能营造出一个十分浓厚的探索氛围。

如“测量平行玻璃砖的折射率”这一实验，由于教材已对实验的设计和具体的操作方法交代清楚，一般的学生都能按部就班地完成，但实验的设计思想却是值得称道的，如果实验就此结束，无论是对学生探索能力的培养还是研究思想的体验都是欠缺的。为此，我们可以把实验的研究思想进行迁移，提出一些新的课题来让学生进行探索和研究，在该实验中，我们可以提出下面一些新的问题让学生来研究：

给出一块三棱镜，请测出棱镜玻璃的折射率。

给出一块半圆柱形玻砖，要求测出玻砖的折射率。

物理实验中这样的例子很多，如画了等量异号电荷的等势线之后再设法来画带电平行板间的电场或带电同轴柱面间的电场的等势线等等。

三、开放实验仪器选择

随着科学技术的发展，新的仪器设备越来越多地走入我们的生产生活。如果我们在实验的过程中不加分析地排斥使用实验室以外的高新技术仪器，一味地强调“土法上马”“瓶瓶罐罐”做实验，那么我们的学生以后如何面对日新月异的科技发展？事实上，一台新的仪器设备，从对它不熟悉到能熟练使用的过程，是一个非常有意义的学习过程，这种学习能力，正是我们的学生以后走上实际工作岗位所必需的，但这一点正是我们的学生，甚至于我们的老师都缺乏的。因此，在鼓励学生应用简陋的设备进行物理实验的同时，也要十分重视鼓励学生积极应用新的技术和新的设备来进行物理实验。

如“研究平抛物体的运动”，教材中使用的仪器可以说是简陋得不能再简陋了：一块木板、一张白纸、一块带缺口的铁片、一个小铁球加一支铅笔就是实验的全部仪器。从实验的设计思想来看，当然是十分可取的，但实验教学的能力培养应该是多元的，因此，我们完全可以鼓励学生用其他的仪器来研究这个问题。如我们可以把数码摄像机和计算机配合起来进行研究，这样可以让学生熟悉数码摄像机的使用、怎样把数码摄像机和计算机连接起来、怎样利用计算机进行数据处理等等。很明显，在这样的过程中，实验的研究方法才能呈现出多样性，研究的氛围也会更加浓厚，学生可以学会很多在常规实验方法中学不到的技术。

四、开放实验的组织形式

作为课题研究形式的物理实验，原有的实验组织形式难以适应开放后的实验教学需要，所以，我们必须开放实验的组织形式，具体来说，可以采取下列措施：

1.允许学生有自由支配实验的时间。

2.允许不同层次的学生完成不同层次的实验。

3.以成立课后实验研究小组的形式，鼓励学生在课后进行拓展性实验。

五、让学生参与演示实验的设计与操作

对于演示实验，学生本来是一个“旁观者”，实验仪器的选择和实验方案的确定都是现成的或者是教师设计的。但如果把这个任务交给学生，将会成为一个非常好的“研究课题”。

如探索自感现象，如果学生只是观察一下课本中的演示实验，然后通过理论分析得出自感的概念，这样自感的概念是建立起来了，但这样的知识对实践的指导作用不会很大，因为学生对研究自感现象的方法究竟有哪些，什么样的线圈能产生明显的自感现象，用什么方法、什么仪器能观察到这种现象等实际问题以及相关的方法性知识将会一无所知。但如果把它作为一个课题研究，让学生直接参与实验的设计和操作，这不但提高了学生的实践能力，而且可使学生获得大量的直接经验。虽然学生设计的实验方案可能不是最佳方案，甚至可能还带有明显的缺陷，但这完全可以通过学生在自己动手实践的过程中逐渐认识和加以改进。一旦我们把实验的主动权还给学生，其积极性和创造性就会得到充分发挥。

六、拓展课后小实验，拉近物理实验与生产生活的距离

课后小实验的功能至今还没有被大部分教师所认识。首先，课后小实验从原理的设计、材料和仪器的选用、实验的操作都是学生自主进行的，因此对学生自主探索能力的培养有着极大的意义，同时课后小实验所用的大部分知识与学生在课堂上所学的知识有着密切的联系，它既是理论联系实际的一种有效方式，又十分有利于学生对所学知识的理解和巩固，因此对课后小实验适当地进行拓展之后，便能成为一个相当有价值的研究课题。

如学习了电容器的知识后，我们可以布置下面的课外小实验：

1.自制一个平行板电容器，研究平行板电容器电容与哪些因素有关。

2.通过实验说明增大和减小电容器电容的方法。

在上面两点实验要求的基础上，我们进一步做如下拓展：

3.根据电容器电容变化的特点，请你制作一个简单的电容传感器，将不便于测量的非电物理量转化成电学量。

4.请设计一个怎样将机械秤改为电子秤、将机械油量表改为电子油量表的方法。

七、开放实验的评价

当实验成为研究课题后，对实验的评价应是“重过程、轻结果”，不能简单地依据实验的结果，至少应考虑从几个方面来进行综合评价：

1.学生在整个过程中对实验的情感与态度

在实验过程中的情感与态度包括两个方面：一是对实验的兴趣，二是对实验的投入。

2.实验的思想与创意

对学生来说，只要在某些方面设计比较巧妙或者有一定的新意，我们都必须给予鼓励和表扬，如在“研究平抛物体的运动”实验中，有学生用幼儿练写字兼游戏用磁性画写板来进行实验，可以十分方便地画出平抛运动的轨迹，实验很有新意。再如，在设计电磁振荡演示实验时，电容器要不断地交替进行充放电，因此需要一个能持续工作的单刀双掷开关，这个开关的选择也正是本实验的难点，有的学生巧妙地选用了电磁打点计时器并稍加改装，十分完满地解决了这一难题，设计可谓巧妙。所有这些教师都要给予积极的肯定。

3.实验过程中相关能力训练的力度

一个实验评价的主要指标，关键是看学生是否在实验的过程中各种能力得到了充分的训练。实验虽然失败了，但在实验的过程中学生获得了很多经验教训，从而明白了在解决实际问题时什么样是可行的，什么样是不可行的。那么实验的教学功能仍然是具备的，或许它的意义可能会更大。