例谈青年教师实验操作能力现状与解决对策
2024-06-27刘三文龙海文
刘三文 龙海文
摘 要：为提升高中物理教师的专业水平和实验教学操作能力，促进教师的专业发展，各地举行了不同形式的教师实验技能比赛。以一次青年教师实验教学能力大赛为例，讨论其中存在的问题，提出对应的解决策略。
关键词：实验技能比赛；动手能力；试题设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）5-0091-6
随着新课程改革的不断深入，高中物理实验教学日益受到重视。作为培养学生实践能力的关键环节，实验操作能力的重要性不言而喻。
新课标对教师的实验能力提出了更高的要求，强调了教师在实验教学中的主导作用，要求教师具备更高的实验操作能力和创新精神，具体表现在以下几个方面：
（1）具备独立完成实验的能力：教师需要具备独立完成实验的能力，包括实验设计、实验操作、实验数据分析等。
（2）具有较强的实验组织能力：教师需要具备较强的实验组织能力，能够合理安排实验教学过程，有效地引导学生进行实验活动。
（3）具备一定的创新精神：教师需要具备一定的创新精神，能够根据实际情况对实验教学进行改进或创新，以更好地适应学生的需求和发展。
（4）注重实验教学与理论教学的结合：教师需要注重实验教学与理论教学的结合，使学生能够在实践中更好地理解和掌握物理知识。
（5）关注学生的个体差异：教师需要关注学生的个体差异，能够针对不同学生的实际情况因材施教，使每个学生都能够在实验教学中获得充分发展。
然而，当前高中物理教学中，教师实验操作能力仍有较大的提升空间。本文将以某市高中物理青年教师实验教学能力大赛为例，分析青年教师实验操作现状及解决对策，以期为提升高中物理教师实验操作能力提供一些思路和方法。
本次青年教师实验教学能力大赛设置三个环节：对指定的教学内容进行单元整体设计和单元作业设计；教学基本功展示；课堂现场教学。其中，第二环节基本功展示含两项内容：首先，观摩一节录像课后，书写一份课堂教学评价。然后，进行实验教学与操作技能展示，分初赛和决赛两个阶段，由组委会给选手指定实验。要求选手独立准备20分钟，然后限时8分钟面对评委进行演示实验教学和讲评，最后2分钟回答评委提问。该比赛主要测试参赛教师的实验教学能力和实验处理能力，包括实验设计和规范操作、引导学生观察和思考、实验教学效果等。评分标准如表1所示。
组委会命制了两道实验操作题，提供了一些实验器材，要求参赛选手独立完成实验设计并展示。试题如下：
题一（初赛题）：用半偏法测量电流表的内阻
给定器材：待测电流表（指针在中央，量程0～50 mA，内阻约20 Ω），3个滑动变阻器（最大阻值分别为200 Ω，50 Ω，20 Ω），2个相同的电阻箱（0～9999 Ω），学生电源（0～30 V）。请你用半偏法测定待测电流表的内阻，并分析误差。
题二（决赛题）：用电表观察电容器的充放电
给定器材：电容器演示板1个，多用演示电表1个，4节干电池和电池盒，导线若干（实物如图1、图2所示）。
1 实验操作现状
一共有24位教师参加比赛，选手年龄均在40周岁以下，教龄均在4年以上。这些教师均由学校推荐，都是各校公认的教学能力强、教学成绩优秀的老师。他们在课堂教学、单元设计、作业设计及课堂评价方面表现均较为优秀。比赛过程中选手在实验操作环节存在不同的问题，具体如下：
（1）实验技能不够熟练：部分参赛者在实验操作过程中，表现出技能不够熟练，缺乏必要的实验操作经验，甚至不会使用实验器材。两个实验中都需要用到电表，组委会均在实验前特意设计电表指针没有对准零刻度线，部分参赛选手不进行调零或找不到机械调零的旋钮。第二个实验用的是多用电表，如果顺时针旋转选择开关（见多用电表实物图反面），表的正面右下角就会显示相对应的测量功能及量程，如图3所示。
（2）实验操作规范性不够：部分参赛者在实验操作过程中存在操作不规范、不准确的问题，影响了实验结果的准确性。
①量程选择不对，不会连接电池盒，如图4所示。
在用电压表观察电容器放电时，电源是4节干电池串联，参赛选手选用量程为250 V交流挡进行实验，同时右边的电池盒没有直接通过卡槽相连接，而是选择用导线一个一个串联起来。而规范的操作应该是选择10 V直流电压挡，电池盒可以直接用卡槽插接。
②接线不规范，虽知道电池盒可以直接通过卡槽相连接，但红黑导线连接不规范（图5）。
③思维固化，在用电流表观察电容器充电时，受现有电路图约束，直接将电流表夹接在单刀开关两端，导致开关失去作用，如图6（a）所示，而不能像图6（b）那样将电流表和电源串联，再接在两接线柱上。
（3）实验设计能力不足：部分参赛者对实验方案的设计不够合理，对实验目的、实验原理理解不够深入。两个实验均需要根据提供的实验器材进行设计，选手现场对比赛题解读能力较差，不能根据现有器材完成实验。
选手完成半偏法测电流表内阻的情形如下：
第一类情形是选用2 V的电源、最大阻值为50 Ω的滑动变阻器、电阻箱与被测电流表组成电路进行测量，电路图如图7所示。
操作步骤为：闭合开关S1，调节滑动变阻器，让电流表满偏；保持滑动变阻器不变，闭合开关S2，调节电阻箱让电流表半偏并记下电阻箱的示数，即为电流表的示数。
选手这样测出电流表的阻值与给定的数据相比小了很多，存在很大的误差，但对误差原因不清楚，分析也不够清晰，只是能匹配测出结果。
第二种情形是选用10 V的电源、最大阻值为200 Ω的滑动变阻器、电阻箱与被测电流表组成电路进行实验，电路图如图8所示。
操作步骤与第一种情形一样，这样测得电流表的阻值比第一种情形的误差要小点。与第一种情形相比，该选手清楚误差原因，知道选最大阻值更大的滑动变阻器来减小误差，能较准确地测出电流表的内阻。
第三种情形是选用30 V的电源、2个电阻箱与被测电流表组成电路进行实验，电路图如图9所示。该设计说明：
①选手能根据实际情况选择器材进行实验，电源选择最大的（30 V），滑动变阻器用电阻箱替代。
②选手对误差原因很清楚，知道选大的滑动变阻器不足以减小误差，以准确地测出电流表的内阻，这种转化思维能很好地考查选手的应变能力。
赛后总结，初赛人数共24人，赛后的分层结果统计如表2所示。
从比赛结果来看，第二种情形人数最多，一共有20人，占83.3%，能正确完成实验的只有3人，占12.5%，较真实地反映了青年教师根据实验器材动手做实验的能力相对欠缺。如果组委会将该实验换成纸笔考实验，将以上几种情形设计出来，供选手选择并说明选择理由，再按选择的电路动手完成实验，可能绝大多数教师均能正确完成实验。
原因分析：从表2中可以看出，选第一、二种情形的选手一共有21人，占87.5%，这些选手受到平常教学中“半偏法测电阻”电路中用的1个电阻箱与1个滑动变阻器的固定搭配影响，思维固化了，可能对实验原理（条件）、误差来源以及如何减小误差不清楚。
参赛选手只记得半偏法测电流表的实验电路图如图10所示，但对实验步骤及实验原理（条件）不理解。
实验条件推导：断开S2，闭合S1，调节R1，使电流表读数等于其量程Im，由闭合电路欧姆定律可知，此时电路中的电流I==I；保持R1不变，闭合S2，调节R2，使电流表读数等于Im，然后读出R2的值，则RA=R2。设电流表与电阻箱R2并联后的等效电阻为R，显然，R
本实验的误差分析：当闭合S2时，总电阻减小，总电流增大，大于原电流表的满偏电流，而此时电流表半偏，所以流经R2的电流比电流表所在支路的电流大，R2的电阻比电流表的电阻小，而我们把R2的读数当成电流表的内阻，故测得的电流表的内阻偏小。
（4）知识储备不够，不能根据实验器材设计实验，让实验现象更加明显，实验过程可控。
用电表观察电容器充放电实验，组委会提供的电容器充放电演示器，能通过二极管观察电容器充放电时的电流方向，但不能演示电容器充放电时电容器两端的电压值及电路中电流值随时间变化的关系，这也是组委会设计该实验的考点所在。
电容器充放电时间的计算方法，L、C元件称为“惯性元件”，即电感中的电流、电容器两端的电压，都有一定的“电惯性”，不能突然变化。充放电时间不仅与L、C的容量有关，还与充放电电路中的电阻R有关。“1 μF电容的充放电时间是多长”，不讲电阻，就不能回答。研究电容器充放电的RC电路图如图11所示。
根据上述公式，我们可以绘制出电容器充放电电压随时间变化的图像。
从理论分析来看，组委会提供的演示实验板能较好地观察到电容器的放电过程以及电容器两端的电压值随时间的变化关系，绝大多数选手能用图12完成电容器放电现象的观察。
电容器放电的实物电路图
大多数选手用图13所示的电路来观察电容器的充电现象。实验现象是灵敏电流计的指针偏转角度很大后（超过了量程）迅速回到零，电容器充电瞬间完成，实验现象不明显且瞬间电流最大值超过了灵敏电流计的量程（有烧坏电表的可能性），究其原因是充电时演示板电路电阻R很小，导致RC很小，故1-e很快趋向1，故经过很短的一段时间后，电容器极板间电荷和电压的变化已经微乎其微，即使我们用灵敏度很高的电学仪器也察觉不出来q和U在微小变化，所以这时可以认为已达到平衡，充电结束。实验板上的电容器的电容为470 μF，由电容器充电时间公式t=RCln可知，如果想明显地观察电容器充电现象，那就应该增加R的取值，此时可以选用电压表与电源串联，如图14所示。
与电源直接串联灵敏电流计相比的优点：一是充分利用电压的内阻足够大，增加电容器的充电时间；二是让充电电流的最大值减小，以免将灵敏电流计烧坏。选手对这方面的知识没有足够的储备，故绝大多数选手对电容器充电现象的观察束手无策，只能放弃，24位选手只有1位正确完成了。
总之，电容器充放电时间与电容器的电容、电阻以及充电电压等因素有关。通过分析，我们可以更好地理解电容器充放电过程的特点和规律。在实际应用中，可以根据这些特点来优化电路设计和参数选择，以提高电路的性能和稳定性。
2 解决对策
对策一：从教师层面寻求提升青年教师操作能力的有效途径。
高中物理实验能力要求包括实验设计、操作、数据分析和论文撰写等多个方面。通过理论学习和实践训练相结合的方式，青年教师可以不断提升自己的实验教学水平和实践能力。
（1）加强理论学习：积极参加相关培训和研讨会，学习新的实验教学理论和方法，了解最新的实验教学技术和设备。
（2）强化实践训练：在课前进行实验操作的模拟训练，熟悉实验流程和器材使用方法；课堂上积极参与实验教学，不断积累经验。
（3）发挥团队合作：与其他教师或专业人士进行交流与合作，共同探讨实验方案的设计与实施，分享经验和资源，提升自己的动手能力。
（4）个人反思总结：对实验教学过程进行反思和总结，发现不足之处并寻求改进方法，不断提高自己的实验教学水平。
（5）尝试创新实践：在掌握基本的实验教学技能后尝试创新实践，设计出更具创意和实用性的实验方案和方法。
对策二：从学校及教学管理层面搭建平台，从制度上促进青年教师实验能力提升。
（1）加强教师实验技能培训：学校应定期组织物理教师参加实验技能培训，提高教师的实验操作水平和技能，让教师具备独立完成实验的能力，包括实验设计、实验操作、实验数据分析等多个环节。
（2）建立实验资源共享平台：学校可以建立实验资源共享平台，提供各类实验器材、设备等资源，方便教师进行学习和研究。
（3）强化实验设计能力培养：学校应加强对教师实验设计能力的培养，提高教师对实验方案的设计能力和对实验原理的理解能力。
（4）规范实验操作流程：学校应制订规范的实验操作流程，要求教师严格遵守操作规程，提高实验操作的规范性和准确性。
3 结束语
实验操作比赛是提升青年教师实验操作能力的有效途径之一，高中物理实验能力要求包括实验设计、操作、数据分析和论文撰写等多个方面。通过理论学习和实践训练相结合的方式，青年教师可以不断提升自己的实验教学水平和实践能力。同时，积极反思和总结实验教学过程，发现并解决常见问题，有助于提高自己的动手能力和教学水平。
参考文献：
［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.
［2］刘徽.真实性问题情境的设计研究［J］.全球教育展望，2021，50（11）：26-44.
［3］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第三册［M］.北京：人民教育出版社，2019：51.
（栏目编辑 李富强）
收稿日期：2024-01-16
基金项目：广东省深圳市规划课题“高中物理分层教学错题的使用研究和实践”（zdzz23052）；盐田区规划课题“核心素养导向的高中物理情境试题命题研究”（ytkt202307）。
作者简介：刘三文（1976-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作。
