高中物理探究實驗活動類型及思路

侯丹 尹航宇

摘要：在總結(jié)高中物理探究實驗的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生完成探究活動任務(wù)所需要程序的特點不同，分析學(xué)生對任務(wù)處理的方式，將高中物理探究實驗活動分為六類，并對學(xué)生完成探究活動的一般思路進(jìn)行分析，為促進(jìn)高中物理教師更有效的教學(xué)提供一些理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高中物理 探究實驗 探究實驗活動類型 探究實驗活動一般思路

物理探究實驗活動是高中物理教學(xué)中一項重要的組成內(nèi)容，通過探究實驗活動，不但可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)知識本質(zhì)的掌握，還可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，從而提高學(xué)生整體的科學(xué)素養(yǎng)。為了協(xié)助教師更加有效地完成物理實驗探究教學(xué)，本文在梳理高中物理實驗探究活動的基礎(chǔ)上，對物理探究實驗活動的類型進(jìn)行分類，并針對不同活動類型的一般探究思路進(jìn)行分析和總結(jié)。

一、物理探究活動的基本類型

物理實驗最傳統(tǒng)的分類方式是根據(jù)物理學(xué)科知識內(nèi)容將其分為力學(xué)實驗、熱學(xué)實驗、光學(xué)實驗、電學(xué)實驗和近代實驗；若根據(jù)研究目的進(jìn)行分類，可將其分為決斷性實驗、模擬性實驗、對照實驗；若根據(jù)教學(xué)目的和要求可將物理實驗分為探索性實驗、驗證性實驗、基本訓(xùn)練性實驗、測定物理常數(shù)和物理量的實驗、設(shè)計性實驗；若根據(jù)物理學(xué)科知識本質(zhì)及知識探究本質(zhì)類型可將物理實驗的內(nèi)容分為測量物理量、探究驗證物理規(guī)律、物理知識應(yīng)用。

從梳理高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)探究活動建議的主題的結(jié)果來看，高中階段的物理探究實驗分布于力、熱、光、電四大模塊中，主要包括物理量測量、物理規(guī)律驗證、物理規(guī)律推理、物理規(guī)律研究、物理知識應(yīng)用、傳感器實驗研究等方面。基于以上分析，本研究將從物理探究實驗的本質(zhì)特點出發(fā)，將物理探究實驗分為“測量性實驗探究”、“驗證性實驗探究”、“推理性實驗探究”、“研究性實驗探究”、“應(yīng)用性實驗探究”、“傳感器實驗探究”六種探究活動類型。通過這六類探究活動的完成，習(xí)得核心物理知識、應(yīng)用物理知識、掌握基本物理實驗技能、訓(xùn)練科學(xué)探究的思維與方法，提高科學(xué)素養(yǎng)。

二、物理探究活動的一般思路

“物理探究實驗”一直肩負(fù)著學(xué)生“發(fā)現(xiàn)問題”和“解決問題”的重任。“發(fā)現(xiàn)問題”指在物理探究實驗的過程中發(fā)現(xiàn)自己的認(rèn)知沖突，在教與學(xué)的過程中，通過探究的逐層深入提出問題，然后讓學(xué)生在真實的情境中解決真實的問題。而通過本研究的分類方法，物理學(xué)科中真實的問題被分為“物理量測量”、“物理規(guī)律驗證”、“物理規(guī)律推理”、“物理規(guī)律研究”、“物理知識應(yīng)用”、“傳感器實驗研究”等方面的具體探究問題。實驗的探究過程是一個認(rèn)知過程，它要求學(xué)生具有能夠?qū)⒅R應(yīng)用于實際情境中的能力，即當(dāng)個人面對問題情境沒有現(xiàn)成方法可以利用時，將已有情境轉(zhuǎn)化為目標(biāo)情境的認(rèn)知過程，同時實驗探究的過程又是學(xué)生的一個心理活動過程，即當(dāng)他們面臨新的情境時，為解決新的問題與主客觀之間的矛盾而形成的處理問題的一種心理活動過程。

因此，應(yīng)用物理探究實驗活動進(jìn)行教學(xué)不僅是培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗技能，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理問題、解決物理問題、研究物理問題的實踐能力，這是過程學(xué)習(xí)方法中較高層次的要求。

1.測量性實驗探究活動的一般思路

物理量測量一般包括直接測量類活動和間接測量類活動。直接測量類活動為物理實驗的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，通過對物理量的直接測量，熟練掌握基本測量儀器的使用，為進(jìn)一步進(jìn)行物理實驗打下基礎(chǔ)；間接測量類活動，則通過物理量之間的關(guān)系，尋找與待測量相關(guān)的能夠直接測量的物理量，進(jìn)行測量后，通過公式計算出待測物理量。因此，本研究只對間接測量物理量進(jìn)行探究活動的相關(guān)研究。

測量物理量探究活動的核心問題是物理量之間的相互關(guān)系；測量物理量探究活動的核心步驟為通過探尋物理量之間的相互關(guān)系，間接地測量物理量。例如，速度的測量、電源電動勢和內(nèi)阻的測量、分子直徑大小的估測等，所利用的基本知識主要有速度、時間、位移的關(guān)系，加速度、速度、時間的關(guān)系，歐姆定律等。

在進(jìn)行測量性實驗探究活動時，第一步都是要進(jìn)行與待測量量相關(guān)的可直接測量量的分析探究。判斷待測物理量是否可以直接通過測量儀器測量出，如不能直接測出則需要尋找與之相關(guān)的可以直接測量的物理量，確定這些物理量的關(guān)系式，用關(guān)系式通過直接測得的物理量計算出待測物理量。圖1為確定直接測量量的流程圖。

（1）力、熱測量性實驗探究活動的一般思路

對于力學(xué)和熱學(xué)類測量性實驗探究活動而言，探究的第一步為尋找與該待測量相關(guān)的可直接測得的物理量，并確定他們之間的關(guān)系（如圖1所示）。第二步為選擇測量所需的實驗器材，確定實驗步驟，對實驗可測量量進(jìn)行測量。第三步，根據(jù)測量方法選擇合適的處理實驗數(shù)據(jù)的方法對測量結(jié)果進(jìn)行計算，如逐差法、圖像法、列表法、平均值法等，得出待測量。最后，對計算結(jié)果進(jìn)行誤差分析，進(jìn)一步修正待測量的結(jié)果。具體流程如圖2所示。

（2）電學(xué)測量性實驗探究活動的一般思路

對于高中的電學(xué)測量類實驗探究活動，本質(zhì)均為電流、電阻、電壓三者之間關(guān)系的探究，利用的原理均為歐姆定律。在進(jìn)行探究活動的過程中，主要需要學(xué)生確定各個器材的關(guān)系，選擇正確量程的測量器材，選擇合適的電路連接方式，對待測量進(jìn)行測量，測量結(jié)束后選擇合適的數(shù)據(jù)處理方式，對結(jié)果進(jìn)行處理，并進(jìn)行誤差分析。具體流程如圖3所示。

2.推理性實驗探究活動的一般思路

在物理規(guī)律的學(xué)習(xí)中，有很多物理規(guī)律的探究，是需要學(xué)生通過推理研究后分析推導(dǎo)得出的。探究活動的一般思路為：第一，要根據(jù)所探究的問題，進(jìn)行科學(xué)猜想。猜想與所需探究的物理問題相關(guān)的物理量有哪些，這些物理量之間存在著哪些相互的影響。第二，通過討論、分析與研究，確定與待探究物理問題相關(guān)的物理量。根據(jù)已有的物理知識猜想這些物理量之間的關(guān)系，可以通過理論推導(dǎo)計算等方法進(jìn)行猜想。第三，選擇合適的實驗器材，設(shè)計實驗步驟，確定實驗內(nèi)容。在確定實驗內(nèi)容的過程中，需要進(jìn)行分析，從而不斷改進(jìn)實驗步驟，更換合適的實驗器材，使實驗更加準(zhǔn)確。最后，進(jìn)行實驗，對實驗結(jié)果進(jìn)行處理，并進(jìn)行誤差分析，得出需要探究的結(jié)論。

學(xué)生在進(jìn)行推理性實驗探究的過程中，需要不斷進(jìn)行實驗的嘗試，并不斷改進(jìn)實驗計劃，通過分析總結(jié)、計算圖標(biāo)等方式推導(dǎo)出需要探究的物理問題。具體探究活動流程見圖4。

3.驗證性實驗探究活動的一般思路

對于驗證性實驗探究活動，在探究的過程中，學(xué)生要學(xué)會選擇恰當(dāng)?shù)乃枷敕椒ǎǖ刃Хā⒖刂谱兞糠ā⑥D(zhuǎn)換法、累積法、留跡法等。選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒灧椒ê螅ㄟ^對實驗現(xiàn)象進(jìn)行觀察、對實驗結(jié)果進(jìn)行分析來確定所驗證的物理問題。

驗證性實驗探究活動的一般思路為：第一，根據(jù)待研究物理問題確定相關(guān)的物理量；第二，根據(jù)待研究物理問題，選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒炈枷敕椒ǎ坏谌x擇合適的實驗器材，設(shè)計實驗步驟；最后，觀察實驗現(xiàn)象，對測量實驗所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析實驗結(jié)果，驗證待驗證的物理問題。具體流程見圖5。

4.研究性實驗探究活動的一般思路

在進(jìn)行物理探究實驗過程中，有一類物理實驗是針對某一物理現(xiàn)象或物理問題，利用某一已知的物理定律、物理定理或物理公式來進(jìn)行研究的實驗。對于這類物理實驗，學(xué)生在探究的過程中，需要根據(jù)已知的物理知識設(shè)計相應(yīng)的實驗過程進(jìn)行探究。

研究性實驗探究活動的一般思路為：首先，根據(jù)待研究的物理現(xiàn)象或物理問題，確定與研究相關(guān)的物理定理、物理定律或物理公式；其次，明確與研究相關(guān)的物理量，選擇恰當(dāng)?shù)膶嶒炂鞑模M(jìn)行實驗設(shè)計；再次，進(jìn)行實驗測量，測量的過程中對實驗設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)；最后，選取合適的實驗數(shù)據(jù)，用適當(dāng)?shù)姆椒▽嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析實驗結(jié)果，完成探究活動。具體流程見圖6。

5.應(yīng)用設(shè)計性實驗探究活動的一般思路

在物理學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生習(xí)得一定的物理知識，會應(yīng)用這些物理知識設(shè)計相應(yīng)的物理實驗進(jìn)行進(jìn)一步的物理知識學(xué)習(xí)，同時也起到鞏固物理知識的目的。這一類實驗，還包括物理實驗器材改進(jìn)、物理實驗方法改進(jìn)、自制物理實驗器材、解釋生活中的物理現(xiàn)象等。

（1）解釋生活中的物理現(xiàn)象的應(yīng)用設(shè)計性實驗探究活動的一般思路

對于生活中的物理現(xiàn)象，要求學(xué)生能夠根據(jù)已習(xí)得物理知識對其進(jìn)行正確的解釋。對于生活中物理現(xiàn)象的探究，學(xué)生首先要通過科學(xué)猜想，確定與生活中物理現(xiàn)象相關(guān)的物理知識、物理規(guī)律等，然后通過已習(xí)得的物理實驗方法及實驗思想設(shè)計實驗進(jìn)行驗證，最后正確地解釋生活中的物理現(xiàn)象。

（2）實驗器材改進(jìn)、自制物理實驗器材的應(yīng)用設(shè)計性實驗探究活動的一般思路

對于實驗器材改進(jìn)、自制物理實驗器材的實驗探究活動，學(xué)生首先根據(jù)所選實驗內(nèi)容，根據(jù)已習(xí)得的物理知識，確定實驗原理，對實驗器材、實驗方法進(jìn)行改進(jìn)或自制實驗器材，再通過具體實驗項目進(jìn)行測量，確定改進(jìn)器材、改進(jìn)方法或自制實驗器材能夠更好地替代原有實驗器材進(jìn)行實驗。

綜上所述，應(yīng)用設(shè)計性實驗探究活動的一般思路為根據(jù)已有物理知識，確定待解決的問題；通過科學(xué)猜想，確定實驗原理、實驗步驟；進(jìn)行實驗驗證，驗證實驗問題。具體流程如圖7所示。

6.傳感器實驗探究活動的一般思路

隨著傳感器技術(shù)的廣泛推廣，傳感器也逐漸被應(yīng)用于物理實驗中，用于更加精確的測量物理實驗數(shù)據(jù)，也用來觀察許多采用傳統(tǒng)物理實驗所不能觀察到的物理現(xiàn)象。例如，測量電流選擇電流傳感器、不可直接測量的速度可選擇位移傳感器直接進(jìn)行測量、觀察不可見的聲波可選擇聲音傳感器進(jìn)行觀察等。

在對傳感器實驗探究活動的研究中，學(xué)生根據(jù)所要研究的物理問題，確定與待研究問題相關(guān)的物理量，根據(jù)待測量量選擇適合的傳感器，設(shè)計實驗步驟，進(jìn)行實驗探究。具體流程如圖8所示。

通過對高中物理探究實驗活動的分類及實驗探究一般思路的分析與總結(jié)，可知學(xué)生在進(jìn)行不同探究實驗活動時采用的處理方法和完成活動任務(wù)的程序均有各自不同的特點。因此，教師在授課的過程中，應(yīng)首先確定探究實驗活動的類型，參考探究活動流程圖，明確每一步探究活動對學(xué)生特定的能力培養(yǎng)內(nèi)容，從而促進(jìn)課堂的有效教學(xué)，使學(xué)生在物理探究實驗的過程中，提高物理實驗探究能力，理解物理知識的本質(zhì)，學(xué)會物理知識的應(yīng)用，達(dá)到全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的目的。

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[作者：侯丹（1984-），女，內(nèi)蒙古通遼人，天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院實驗師，博士；尹航宇（1987-），男，內(nèi)蒙古通遼人，內(nèi)蒙古通遼市三中教師。]

【責(zé)任編輯 郭振玲】