對高中生物理實驗能力進行1+1+1培養

封英 侯恕

1 研究背景

我國的教育一直處于不斷改革的進程中，《全日制中學物理教學大綱》（修訂本）（人民教育出版社，1990年第二版）明確指出：“物理是一門實驗科學.通過演示實驗和學生實驗，能夠使學生理解物理概念、規律的建立與實驗的關系，培養學生的物理實驗能力.演示實驗和學生實驗對于培養學生學習物理的興趣也是十分重要的.”

2003年教育部頒布了《普通高中物理課程標準（實驗）》，其中在高中物理課程各模塊都安排了典型的科學探究或物理實驗，并且明確列舉了高中生在科學探究和物理實驗中應該達到的要求.

現在，“實驗探究”又是熱議的“學生物理核心素養”中關鍵成分的一個要素.綜上，新課程改革除了要求學生掌握與實驗有關的理論、方法和技能外，還對學生的實驗素養、創新精神和創新能力以及實踐能力提出了比以往更高的要求，這實際上為高中生物理實驗能力的培養指明了方向.

2 理論探討

2.1 物理實驗能力

從心理學角度來講，能力是順利地完成某種活動所必備的心理特征.那么物理實驗能力就是能順利進行物理實驗并達到物理實驗目的要求的個性心理特征.

認知心理學的最新研究成果表明物理實驗能力包括兩種實驗技能：一是動作技能，另一種是智慧技能.智慧技能對動作技能具有發動、指導、定向、監控的作用，而動作技能同時又是智慧技能的結果，可作為反饋為智慧技能的執行提供依據.物理實驗活動的順利開展便是動作技能和智慧技能密切配合、相互制約的結果，且智慧技能的作用隨實驗任務的復雜程度和難度的增加而增大，并且居于實驗能力的核心地位.

2.2 物理實驗能力結構

物理實驗能力結構是由實驗知識結構、實驗操作技能結構、實驗問題解決能力結構三部分構成，且它們之間是存在相互聯系的整體結構.

物理實驗能力結構是學生分析、解決實驗問題的重要基礎，在物理實驗能力結構中，實驗知識結構是整個實驗能力結構的基礎，實驗知識結構是否豐富完整和組織有序決定著實驗操作技能結構和實驗問題解決能力結構的發揮.反過來，良好的實驗技能結構和實驗問題解決能力結構，又會促進實驗知識結構的進一步完善.

因此物理實驗能力的培養要求師生充分理解物理實驗能力結構概念，特別是高中教師要在教學中明確分析物理實驗能力結構的各個子結構及其之間的相互聯系，在此基礎上，依據教學目標，制定出相應的培養高中生物理實驗能力的方法；同時對學生來說，知道物理實驗能力結構的概念，有助于他們判斷出自己物理實驗能力結構上的缺陷，從而具有針對性的做出學習上的調整.

3 高中生物理實驗能力培養途徑

雖然《普通高中物理課程標準（實驗）》中對科學探究和實驗能力的要求有七項要素， 但新課標下的高考物理實驗試題主要考查了其中的四項要素，依次是“制定計劃與設計實驗”、“進行實驗與收集證據”、“分析與論證”與“評估”.而“猜想與假設”、“提出問題”與“交流與合作”這三項要素在實驗試題中幾乎沒有體現.所以在這樣的背景下，很容易導致師生重視考查的四項要素的培養.而忽略另外三項要素的培養.

本文提出的對高中生物理實驗能力進行1+1+1培養是指在物理實驗教學中實施“滲透培養”、“分層培養”和“整體培養”相結合的培養途徑，具體來說就是在一個物理實驗中，可以從“滲透培養”、“分層培養”和“整體培養”這三個視角來對高中生物理實驗能力進行培養，并且不同的實驗的側重點不同，下面展開說明.

3.1 課堂演示實驗對高中生物理實驗能力的“滲透培養”

課堂演示實驗是教師在課堂上結合教學內容、教學目標做的一些演示物理現象的實驗，目的是加深學生們對物理現象、物理規律的印象.若教師能在物理實驗教學中合理增加演示實驗，并且在課堂上能恰當選擇演示時機、正確選擇演示方法，那么就可將物理實驗能力諸要素的培養逐漸滲透到課堂演示實驗的教學中，其實際培養效果往往比刻意培養更好，又可節約大量的教學時間.

教師在做課堂演示實驗時，學生的注意力往往比較集中，此時教師若能選擇恰當的演示時機、正確的演示步驟、方法等，便可輕易的就將高中生物理實驗能力的培養滲透到演示實驗教學中.恰當的演示時機的出發點是盡可能引起學生的興趣，調動其積極性，盡可能多的讓學生參與到演示實驗過程中.正確的演示方法可以借助實物與多媒體演示，給學生以強烈的、真實的感官刺激，此時教師在適時的引導學生猜想、假設、設計與改進演示實驗、提出問題、驗證假設等，使學生對探究物理規律更感興趣.下面就七個物理實驗能力要素在課堂演示實驗中的“滲透培養”作具體說明：

（1）“提出問題”、“猜想與假設”

對于抽象概念引入時，學生由于缺乏感性認識以及足夠的知識儲備，此時可以先以課堂演示實驗設置懸念，引導學生提出問題、猜想與假設.對于復雜的演示實驗教學，可以循序漸進的演示，邊演示邊引導學生提出問題、猜想與假設、再提出問題、再猜想與假設……

（2）“制定計劃與設計實驗”、“交流與合作”

課堂演示實驗雖然是在給定實驗器材、實驗方案的基礎上進行的，一般也不需要學生來制定計劃、設計實驗，但是教師可以在完成這個實驗之后，鼓勵學生思考該實驗的不足之處，然后在此基礎上加以改進，制定計劃與設計實驗.交流與合作已經貫穿在整個演示實驗過程中，所以就不作具體說明了.

（3）“進行實驗與收集數據”、“分析與論證”、“評估”

進行課堂演示實驗時，教師不要因為讓學生自己從數據中得出規律費時，就直接給出結論，而應該在演示實驗過程中引導學生仔細觀察、收集數據、分析論證，讓學生自己得出實驗規律.

3.2 學生實驗對高中生物理實驗能力的“分層培養”

學生實驗是培養高中生實驗能力和良好科學習慣的重要途徑，但由于多方面原因，高中生不可能在每一個實驗中都能兼顧到各種物理實驗能力的培養，倘若能對所有的學生實驗進行合理的教學編排，在某幾個實驗或某一個階段重點培養高中生物理實驗能力的某一個或多個要素，這種“分層培養”，既結合了課時現狀，也兼顧了實驗本身及教材的特點，能夠起到切實提高教學的有效性和培養效果的目的.

本文將七個物理實驗能力要素進行分層，第一層次能力：提出問題、交流與合作；第二層次能力：進行實驗與收集證據、分析與論證；第三層次能力：猜想與假設、制定計劃與設計實驗、評估.例如“探究小車速度隨時間變化的規律”主要考查的是學生第一層次能力；“探究平拋運動規律”主要考查的是學生第二層次能力；“探究加速度與力、質量的關系”主要考查的是學生第三層次能力.

具體舉例說明如下：

（1）“探究小車速度隨時間變化的規律”

該實驗是學生進入高中后的第一個探究實驗，此時學生們已經學習了打點計時器的相關知識，已經學會了瞬時速度的計算方法，因此在實驗中，教師應該引導學生提出問題，讓其進行合作交流.在具體實施過程中，逐步使學生從“敢問”、“敢交流”到“愿問”、“愿交流”直至“會問”、“會交流”，最終學會與他人合作.

（2）“探究平拋運動規律”

該實驗是在學生已經掌握了運動的合成與分解以及自由落體運動相關規律之后.因此，教師在此理論基礎上對學生加以引導啟發，讓他們運用已學知識去進行探究實驗.可看出該實驗突出“自主、合作、探究”的教學理念，通過“提出問題、確定方向、設計實驗方案、合作探究、交流總結”等實驗過程，使學生在自主學習、合作探究中不僅發現新知識，掌握新方法，而且其相應的物理實驗能力得到提高.由此可看出對于第二層次能力，重點在完成實驗、收集數據、分析與論證上，這時可淡化其它部分，突出培養重點.所以，實驗前教師應該要求學生自己去了解所使用的儀器；實驗中教師要多巡視，及時指出學生在實驗步驟、實驗方法、儀器使用、數據收集等方面的錯誤；實驗后教師要讓學生總結此次實驗的成功與不足.

（3）“探究加速度與力、質量的關系”

在學習該實驗之前，高中生已經掌握了力、質量、加速度、慣性等概念，知道質量是慣性的量度、力是改變物理運動狀態的原因，會分析物體的受力情況.也已經學習了打點計時器的相關知識，即會利用打點計時器研究勻變速直線運動.此時，學生們根據已有的經驗已經知道“物體的質量一定時，受力越大，它獲得的加速度越大；物體受力一定時，它的質量越小，加速度越大”.因此猜想“a與F成正比”以及“a與m成反比”，此時又考慮到“a與m成反比”其實就是“a與1m成正比”，已知正比例函數圖象是一條直線，因此，很容易看出a與m是否成反比.

教材上就“怎樣測量（或比較）物體的加速度”給出了兩種方法，對于物體做初速度為零的勻加速直線運動，一種是用刻度尺測量位移并用秒表測量時間，然后由公式a=

2xt2

算出；第二種由于a=2xt2，如果測出兩物體相同時間內發生的位移x1、x2，即位移之比就是加速度之比.教材中就“如何為運動的物體提供一個恒定的合力”也給出了兩個案例，為學生實驗方案的設計提供了參考.綜上，可看出此實驗對學生重點考查的能力要素是：猜想與假設、制定計劃與設計實驗、評估.因此實驗前教師應該鼓勵學生大膽的猜想，同時也得教會學生們如何進行科學的猜想；實驗中鼓勵學生們根據猜想制定詳細計劃并設計實驗；實驗后引導學生對不同實驗方案進行合理評估.

綜上所述，“分層培養”看似破壞了物理實驗能力培養的整體性，但其實質是為了讓各個能力都能得到重點培養，最終實現高中生物理實驗能力的整體提高.

3.3 課外探究實驗對高中生物理實驗能力的“整體培養”

該模塊指的是結合課外探究實驗對學生物理實驗能力的七個要素進行整體培養，因此在探究實驗過程中學生必須經歷7個要素的完整過程，整體提高自己的物理實驗能力.由于該模塊是學生們主動探究的模塊，學生是主體，知識是客體，教師作為媒體從旁起幫助作用，所以各種探究活動都需要學生自己去研究、探索，充分發揮學生的主動性、積極性.在該模塊，教師還應了解學生的心理特征和認知結構，這是為了更好的把握探究內容的難度以及探究重心，由于高中生的物理知識結構還不完善，在這種情況下，課外探究實驗設計的重心應立足于引導學生發現問題并探究相應的物理規律，以達到培養學生的物理實驗能力的目的.所以如果課外探究實驗能很好的貼近學生的生活，不僅可以提高學生對物理實驗的興趣，而且可以讓學生感覺到物理貼近生活，從而產生對物理的親切感.

針對“整體培養”的目的，在課外探究實驗中應注意以下要領：

（1）提出問題

教師要引導學生針對所要研究的課題，從不同角度提出問題，而提出問題的途徑有很多，比如觀察現象、分析原因、提出問題；通過歸類、找出共性、提出問題；通過類比、找出異同、提出問題等

（2）猜想與假設

在確定實驗課題后，教師可引導學生通過已學的物理知識，結合日常生活經驗進行猜想和假設.

（3）制定計劃與設計實驗

在確定了研究內容之后，學生們必須結合所要研究的課題，制定詳細的探究計劃，然后根據假設確定實驗目的，根據實驗目的思索實驗原理，最后再根據實驗原理確定實驗器材（此處應該提供盡量多的器材供學生們選擇）以及實驗步驟.該過程由于學生們思維方式、認知水平的差異，將會制定出不同的實驗方案，對于學生的設計方案，不能簡單的用“好、壞”來衡量，而應該提一些建設性意見，供學生參考，讓學生們自己去分析研究.

（4）進行實驗與收集證據

學生進行物理實驗時，對實驗儀器的使用必須嚴格規范，并且要學會收集數據的方法，提前設計好數據記錄表格，實驗過程中如實、科學的記錄數據

（5）分析與論證

數據處理時，學生可能收集了大量數據，但不知如何處理或處理不當，導致無法得出結論.因此教師要有意識的教導學生分析數據的思路和方法，并且鼓勵學生借助圖象、列表以及計算機等方式來處理物理實驗數據.

（6）評估

在探究實驗結束后，引導學生對整個實驗過程進行評估，主要看實驗方案、實驗原理是否科學、實驗步驟是否合理、實驗儀器是否有利于數據的測量、實驗結論是否與預想一致等.通過這些評估，找出優缺點，吸收經驗，進一步改進實驗方案，同時在評估時建議實行師對生評估、學生自我評估、學生間互相評估等方式.

（7）交流與合作

在該模塊，交流與合作貫穿整個實驗，教師既要鼓勵學生之間的交流與合作，又得適當控制，避免學生之間出現閑談現象.

綜上所述，課外探究實驗不僅可以從整體上對學生物理實驗能力進行強化培養，而且可以檢驗在課堂演示實驗中“滲透培養”以及學生分組實驗中“分層培養”的效果.