探究式物理實驗的兩條設計思路及案例①

李科敏

(湖南理工學院物理與電子學院 湖南 岳陽 414006)

1 引言

探究式物理實驗是以科學探究為主要特征的物理實驗.在探究式物理實驗的教學活動中，學生在教師的指導下，經歷提出問題—猜想與假設—制定計劃與設計實驗—進行實驗與收集證據—分析與論證—評估—交流與合作的探究歷程，從而達到學生從被動接受知識向主動獲取知識的轉化，并培養學生的科學探究能力、實事求是的科學態度和敢于創新的探索精神.科學探究既是學生學習發現問題和解決問題的科學方法，也是學生在探究中經過反復體驗應該學會的學習內容，還是學生敢于探索和研究自然規律的一種精神.

2 探究式物理實驗的兩條設計思路

探究式物理實驗在培養學生的科學探究能力和創新能力方面具有強大的教育功能.但是，目前現成的探究式物理實驗還不多，教學實踐強烈呼喚教師應該具有設計探究式物理實驗的能力.下面，結合筆者教學經歷，提供兩條設計探究式物理實驗的思路，并設計了5個探究式物理實驗的案例.

2.1 選用學生熟悉的事例設計成探究式物理實驗

開展探究式物理實驗教學，不僅讓學生獲得必要的科學知識和掌握相應的實驗操作技能，而且使學生在探究的過程中掌握科學探究的方法、體驗科學探究的艱辛、培養勇于探索的堅強品質.如果能把學生熟悉的物理現象或身邊的事例設計成探究式物理實驗，可以讓學生感到開展的探究實驗更加親切、有用.下面給出的4個探究式物理實驗都來自學生身邊的生活事例.

【案例1】探究雞蛋旋轉中的奧秘

教學設計：教師向學生展示大小幾乎相同的生雞蛋、熟雞蛋、臭雞蛋各一個，讓學生分別使它們在水平桌面上旋轉，通過細心體驗和仔細觀察3種雞蛋的旋轉情況.然后，要求學生就觀察結果提出探究課題并進行探討.

實驗探究：根據旋轉結果將這3種雞蛋區分出來.

【案例2】探究神奇的氣流

教學設計：讓學生猜想，若開啟一個功率足夠大的電吹風機，分別讓吹出的氣流豎直向上和與水平面有一傾角，將乒乓球分別放在如圖1和圖2所示的位置，乒乓球的運動狀態會怎樣？若電吹風在水平面內慢慢移動，乒乓球的運動狀態又會怎樣？等學生猜想完后，再讓學生親自操作實驗，仔細體驗乒乓球可以始終懸浮在空氣中，并且還可以跟著電吹風的緩慢移動而移動.

圖1 圖2

實驗探究：乒乓球懸浮于空中及其可以隨氣流的緩慢移動而運動的原因.

原因說明：流動的氣體或液體都會在垂直于氣流或液流的方向上產生一個橫向的吸引力.正是因為有這個橫向的吸引力，所以，在火車進站時旅客必須站在遠離鐵軌1 m的安全線外以防事故發生；也因為這個橫向吸引力，水面上航行的船間不許停得太近以免相撞；還是因為這個橫向吸引力，使得紅旗會迎風招展，等等.

【案例3】探究通電燈泡的冷熱

教學設計：教師向學生展示兩個相同的100 W白熾燈泡甲和乙，由學生設法分別控制它們兩端的電壓，使甲的燈絲剛剛點亮(即微紅)，乙燈正常發亮，通電一段時間后，讓學生用手仔細感受兩燈泡玻璃各處的受熱情況.然后，要求學生就感知的結果提出探究課題并進行研究.

實驗探究：通電一段時間后，燈絲微紅時，只有燈絲正上方的燈泡玻璃燙手，而其他部位的溫度與環境溫度幾乎一樣，如圖3所示；燈絲正常發光時，燈泡玻璃各處都一樣燙手.為什么？

原因說明：為了防止燈絲在高溫下升華，100 W白熾燈泡內都充有氮、氬等惰性氣體.無論燈絲處在什么發光狀態，燈絲產生的熱量都同時通過傳導、對流、輻射三種方式傳向燈泡玻璃.但是，當燈絲微紅時，燈絲產生的熱主要以對流的方式向外傳播(此時燈絲通過輻射和傳導兩種方式傳遞的熱量相對很少)，而對流總是把熱能由下向上傳遞的，所以，通電一段時間后，會感到燈絲正上方的燈泡玻璃燙手，而其他部位的玻璃溫度與環境溫度幾乎一樣；當燈絲正常發光時，燈絲產生的熱主要以輻射的方式向外傳播(此時通過對流和傳導兩種方式傳遞的熱量相對較少)，而輻射的強度在各個方向上是相同的，因此，通電一段時間后燈泡玻璃各處都一樣燙手.

圖3

【案例4】探究陶瓷壇里的奧秘

教學設計：將沸騰的豬油倒入內壁粘有水的陶瓷壇子里(注意：用蓋子擋住壇口以免油從壇中飛濺出來傷人)，會聽到“啪啪”的響聲，一會兒后，還會看到有油溢到陶瓷壇的外表面上.若改用內壁干燥的同種陶瓷壇子盛裝沸騰的豬油，卻沒有上述現象.

實驗探究：上述現象發生的原因.

原因說明：將沸騰的油倒入內壁粘有水的陶瓷壇子里，由于油的溫度高于水的沸點，壇內壁的水因劇烈受熱而汽化，汽化的水蒸氣對壇內壁產生強大的壓強，該壓強使陶瓷壇某些分子之間的距離增大，因而就會有油從距離增大的陶瓷分子之間滲透出來.

2.2 選用傳統的物理實驗設計成探究式物理實驗

3 探究式物理實驗教學中的體會

為了充分發揮探究式物理實驗的教育功能，在開展探究式物理實驗的教學過程中，教師的作用是在學生遇到難以克服的困難時和在探究安全方面給予適當的指導和幫助，教師要注意把絕大部分時間交給學生支配，注重通過提出問題來創造機會激發學生思考，推動探究活動向廣度和深度兩個維度發展.目前，教師還要注意處理好以下兩個問題：

(1)要處理好物理實驗探究與課堂教學時間上的矛盾

一個完整的探究式物理實驗，即使得到教師或同學的有力幫助，學生完成它也需要花費大量的時間，這經常會導致實驗探究與課堂教學時間太短的激烈沖突.解決這一矛盾的有力做法是采用“部分探究”和“適當指導”，即每次探究可以根據實際情況只讓學生重點參與訓練一或兩個探究過程，而將其他探究過程采用傳統的教學方式由教師直接給出或引導學生完成；對于選作訓練的探究過程，教師也可以在不損害探究訓練的前提下給學生以“適當指導”.這樣，既可以節省大量的時間又可以讓學生得到探究過程的訓練.

(2)要充分尊重學生的探究過程和結果

在進行探究式物理實驗的過程中，由于自身知識和經驗等多方面的限制，學生的探究活動通常只能在曲折中前進，他們經常會提出各種天真的問題，嘗試各種錯誤的方法，設計出五花八門的驗證實驗，試制種種難以使用的器材，收集真偽并存的證據，作出各種荒唐可笑的解釋，產生針鋒相對的爭論.其實，失敗的體驗也是學生獲取真知，感受生活的重要途徑，通過這個過程，不僅可以使學生的科學知識得到擴大和加深，也可以使學生在反復體驗探究的過程中錘煉自己的堅強意志，訓練自己的探索品質，并培養自己的創新能力.因而，在指導學生開展探究式物理實驗的過程中，教師應該保持一個友好的心態，耐心傾聽學生的想法，尊重學生的意見，理解學生在探究過程中進行的一切探究活動.在幫助學生改正錯誤的過程中，教師也要注意肯定學生的探索熱情和所做的工作，讓學生始終保持積極的探索心態，切不可指責學生而搞得氣氛緊張，從而導致學生唯恐出現錯誤而不敢大膽探索，這就嚴重損壞了探究性物理實驗應有的教育功能.

4 總結

探究式物理實驗教學可以很好地培養學生的科學探究能力和創新能力.在探究式物理實驗資源還相對缺乏的今天，可以選用學生熟悉的事例設計成探究式物理實驗，也可以將某些傳統的物理實驗重新設計成為探究式物理實驗，這兩條途徑都具有寬廣的發展前景.

參考文獻

1 (美)國家研究理事會編.戢守志,等譯.國家科學教育標準.北京：科學技術文獻出版社，1999

2 Center for Science, Mathematics and Engineering Education, National Research Council.Inquiry and the National science education standards-A guide for teaching and learning.Washington DC: National Academy Press,1996

3 楊述斌.普通物理實驗室.北京：高等教育出版社，2000