高中物理拓展性實驗教學的實踐研究*

孫春成 于路軍

(江陰市青陽中學 江蘇 無錫 214401)

高中物理拓展性實驗教學的實踐研究*

孫春成 于路軍

(江陰市青陽中學 江蘇 無錫 214401)

分析了高中物理拓展性實驗教學的研究背景和基本內涵，解讀了高中物理拓展性實驗教學的目標和建構策略，重點介紹了高中物理拓展性實驗課程的建設實踐．

高中物理 拓展性實驗 課程建設

1 高中物理拓展性實驗教學的研究背景

杜威在《民主主義與教育》 中所提出的“做中學”這一寶貴思想至今依然有著重要的現實意義．新課標指出，實驗是物理教學的一種重要手段，是培養學生物理學科核心素養的重要途徑，在教學中發揮著舉足輕重的作用．探究性教學，強調學生運用所學知識和技能親自探索“新”規律、發現“新”現象．在當前的物理實驗教學過程中，教師們往往從實驗原理、步驟、注意事項，甚至連實驗結果都面面俱到地進行講解，然后由學生按部就班地操作，實驗教學流于形式，完全不能發揮培養學生物理學科核心素養的作用，從而失去了實驗教學的意義．

我們在教學實踐中也深刻地感受到：給學生創設具體的實驗情境，讓學生親身經歷實驗探究的全過程，是培養學生物理學科核心素養的最佳途徑．

2 高中物理拓展性實驗教學的基本內涵

高中物理拓展性實驗是對“做實驗不如看實驗，看實驗不如講實驗”現象的反思的基礎上，在近幾年的教學實踐中不斷完善、發展、創新的一種教學范式．

拓展性實驗，是指以高中物理中的演示實驗、學生實驗以及自主實驗等為基礎和起點，教師根據學生的認知結構以及物理實驗的特點，通過對實驗目的、實驗平臺、實驗領域、實驗評價等進行拓展而形成的系列實驗．

拓展性實驗探究教學，要求學生能夠在新情境下逐步做到主動設計實驗、親身經歷實驗、深入反思實驗等．這樣的教學方式，實現了實驗教學目的拓展，實驗課程從封閉性的、驗證性的實驗向開放性的、探究性的實驗課程轉變；實現了實驗平臺的拓展，實驗探究教學以我們“江蘇省高中物理拓展性實驗課程基地”為依托，為學生提供數字化實驗室、虛擬實驗室、大學先修實驗室、創新物理實驗室等豐富的平臺；實現了實驗領域的拓展，在課程標準規定的實驗之外，通過開發新技術應用型探究課程、生活體驗型物理實驗課程、學術探究型物理實驗課程、問題解決型物理實驗課程等，拓展高中物理的實驗領域；實現了學生評價方式的拓展，對學生的評價從傳統的筆試評價轉化為對實驗過程中的操作能力、創新能力等進行的綜合評價．

3 高中物理拓展性實驗教學的目標解讀

(1)回歸教育本質追尋科學真諦

物理課程是建立在人類對世界本質認識基礎上的，全面提高學生的物理學科素養是物理課程教學的核心．物理學的事實和理論是在人類不斷探索的過程中逐步發展起來的，實驗探究便是這一過程中最有效的方法之一．我們以國標課程的主干知識為載體，依托實驗室設備，通過提供一系列的拓展性實驗課程，以及物理教師和物理科學研究人士的專業引領，引領學生主動參與探究，養成動手實驗、動腦思考的認知習慣，培養在實踐體驗中認識事物、獨立分析和獲取新知識的意識和能力．

(2)關注生活實踐增強社會責任

物理科學與人類的日常生活、經濟活動、環境保護等方面密切相關，我們創設的拓展性實驗項目和提供實驗研究的內容相當部分來自于學生身邊的生活實際，通過親歷拓展性物理實驗的研究過程，不僅引導了學生養成嚴謹、務實的科學精神，還提升了學生勇于面對困難、善于進行團隊協作的人文精神，豐富了學生的情感體驗，增強了學生對他人包容能力和社會的責任感．

(3)拓展成長空間培養特色人才

我們的拓展性實驗活動開拓了教師的視野，為物理教師的專業成長開辟了新的空間．同時，拓展性實驗項目的不斷豐富，使得物理教學更加貼近了學生的生活，最大限度地滿足了學生對科學類課程的不同學習需求．這類有個性特色的拓展性物理實驗活動，幫助學生了解了未來可供選擇的高校物理、工程、數學類專業以及未來職業的相關內容，為學生興趣、愛好、特長、職業和事業融為一體的人生未來奠定了基礎，培養了社會所需的特色人才．

(4)彰顯學校特色發揮輻射效能

我們結合國家課程每年開發了5門以上適合的拓展性物理實驗選修課，以及一定數量的學生自主實驗項目．通過課內向課外的延伸、校內向校外的延伸、書內向書外的延伸；物理學科向工程、技術、數學、信息等的拓展，彰顯了學校特色．同時，借助于領銜人的核心力和影響力，展示探究成果，展示研究過程，推廣項目價值，擴大專業引領的影響，助推教師的專業成長，強化了骨干教師孵化器的作用．

4 高中物理拓展性實驗教學的建構策略

(1)凝練物理學科觀念生成實驗探究主題

我們研讀物理學科標準，明確了各個學期學生通過哪些知識的學習要實現哪些物理學科的核心素養，并思考如何通過實驗探究來幫助學生實現物理學科素養的發展．我們研讀物理教材，優化高中物理的課程體系，實現學生知識體系的模塊化和能力體系的結構化．我們凝練物理學科的大觀念，生成了系列實驗探究的主題．

(2)創設真實探究情境導入物理學科問題

“情境”是新一輪高中課程改革最核心的概念，將物理學習內容與真實情境結合，在情境問題的解決過程中實現知識的獲得與物理學科素養的發展一直是我們思考的重點．我們的實驗探究主題都是根據學生在學習和生活中可能會碰到的問題來設置，例如“長度的測量”．設置的主題也是圍繞教學目標中要解決的核心問題，整個探究過程在本質上就是一個問題解決過程，每一個問題，都能明確指向物理學科核心素養的發展要求．

(3)采用師生協作方式親身經歷探究過程

我們通過組建不同類型的物理探究實驗小組來進行協作學習，各小組配備不同個性特色的指導教師，通過實驗實踐來培養師生合作探究的意識和能力，充分調動與發揮了學生的主體性和創造性，增強了學生的主體力量、彰顯了生命價值，發揮了學科的人文素養作用．

5 高中物理拓展性實驗教學的課程建設

我們以拓展性物理實驗探究為抓手、以建設物理實驗中心為依托、以開發多元探究性課程為載體進行課程建設．具體而言，我們通過建設4個實驗中心，開發了4個拓展性物理實驗系列課程．

(1)建設DIS數字實驗中心，開發新技術應用型拓展性物理實驗課程．DIS數字實驗能夠有效地與傳統實驗方式實現優勢互補，DIS數字實驗能夠形象展示動態過程并具有強大的數字處理能力，有助于幫助學生接觸到新技術，深入理解物理概念和分析物理過程，提高實驗效率，將節省出來的時間更多地用于物理規律的探討，信息技術與實驗的整合有助于培養學生的自主學習和合作學習的能力，且新材料新技術的使用有助于催生學生的創新思維因子．我們面向全體學生，要求學生親自動手，充分運用DIS數字實驗的多樣性，廣泛開展實驗探究活動，實現核心知識全覆蓋．我們建設了DIS數字實驗中心，包括一個力學DIS數字實驗室、一個電學DIS數字實驗室、一個熱學DIS數字實驗室．

與之對應，我們開發了新技術應用型探究課程，具體包括以下2個方面.

1)數字化拓展性物理實驗探究

篩選人教版高中物理教材中所有的物理實驗，挑選出常規實驗無法完成或實驗效果不明顯的實驗，例如電容器的充放電過程、氣體的幾種狀態變化、通電自感和斷電自感現象等，借助用數字化信息采集系統，將難于觀察的物理現象“可視化”，加深學生對物理現象的認識和理解．同時借助校本課程進行物理專題探究，對物理教學沒有時間去研究的問題和現實中學生感興趣的問題進行深入的專題探究．針對一些具體的問題讓學生提出設計方案，思考并提出數字化實驗可能被擴展應用的各種想法，設計出實現以上各種想法的物理思想和可行性方案思考并提出應用DIS進行測量各種物理參數的操作方案．

2)虛擬實驗室拓展性物理實驗探究

中學物理虛擬實驗室是充分利用Authorware，3DMAX，Photoshop等多媒體軟件設計實現的．它利用3DMAX軟件按照物理實驗器材真實建摸，虛擬出真實物理實驗場景；利用Authorware 軟件合理的組合編程，達到充分合理的人機交互功能，便于學生使用．它匯集視頻、動畫、文字講解，結合模擬實驗操作，輔以階段測試，通過實踐與檢測等多種環節來提高學生對實驗內容的理解與掌握程度．內容豐富，重點突出，為廣大中學生提供更實用、更便捷的學習物理實驗的機會．可利用虛擬實驗室進行實驗探究的有兩類；一類是基于儀器和元器件，如，游標卡尺、螺旋測微器、示波器、模擬電路、電子電路、分光儀等；另一類是部分無法通過實際實驗觀察的實驗，如，經典理想實驗、近代物理原子實驗和部分DIY實驗．

(2)建設趣味物理實驗中心開發生活體驗型拓展性物理實驗課程

探究性趣味物理實驗與學生的日常生活密切相關，直觀、形象、充滿趣味性，能夠極大地調動學生的興趣，能使學生產生強烈的好奇心，激發他們的學習和動手操作的積極性．這樣的開放性實驗成本不高，以因陋就簡、構思巧妙見長，面向全體學生，因此參與面更廣，由學生親自動手制作和體驗，能夠充分滿足和發揮學生的探究性欲望及能力，對教師和學生，都蘊藏著極高的設計智慧和教育價值．

與之對應，我們開發了生活體驗型拓展性物理實驗課程，具體包括以下3個方面.

1)玩具類趣味實驗開發拓展

將趣味實驗分別與人教版物理教材必修1，必修2，選修3-1，3-2，3-3，3-4中的物理知識相對應．例如學生動手完成“浮沉子”、“滾動的膠囊”、“飲水鳥”、“變幻無窮的肥皂膜”、“惡作劇電震玩具”、“硬幣的游戲”等有趣好玩的玩具，這些玩具類趣味性探究實驗不但能激發學生的學習的好奇心和積極性，而且能讓學生理解消化物理知識，學以致用，提升學習成就感．

2)常用物品類趣味實驗開發拓展

“從生活走進物理，從物理走向社會”是物理新課程的基本理念．利用身邊有很多小物件可以作為物理實驗資源，可以開發很多趣味實驗．如，“調皮”的直尺、瓶子對抗賽、打球壓癟易拉罐、吹不掉的乒乓球、燈泡中的風車、神氣的鏡子、天花板上的“彩虹”、水龍頭下的實驗等．學生通過身邊的材料制作趣味實驗，既能提高學生觀察生活的能力，又能鍛煉動手能力，豐富物理知識．

3)生活中趣味實驗課題研究拓展

課題研究屬于研究性學習，同學在老師指導下，從自身生活和社會生活的體驗中選擇和確定研究專題，學生從趣味實驗內容為切入進行課題研究，進行初步嘗試．常見的有玩具中的課題研究，例如悠悠球的閃光現象分析，睡眠空轉現象分析等；家庭生活的傳感器研究，例如鼠標、電熨斗、電飯煲、聲控熊貓玩具等．

(3)建設大學物理先修實驗中心開發學術探究型拓展性物理實驗課程

我們將部分大學物理實驗引入高中，引導優秀學生開展這些實驗，這能彌補當前高中教材基礎性有余而先進性不足的缺點，滿足部分學生的創新欲望和攻關欲望，深層次地促進他們對有關物理知識理解，同時，能極大地拓寬學生和教師的視野，有效促進學生和教師對實驗教學進行更深入的思考．

與之相應，我們開發了學術探究型拓展性物理實驗課程，具體包括以下4個方面.

1)長度測量的拓展性實驗課程

在高中利用直尺、游標卡尺、螺旋測微器等測量方法的基礎上，拓展下列的一些方法：千分表、用光杠桿法測量長度、用霍爾傳感器法測量位移變化量、動態共振法測量楊氏模量實驗、用聲速法測量長度、熱學方法測量長度、用電磁學方法測量位移變化量、用光衍射法測量位移變化量、光偏振法測定薄膜的厚度、全息干涉計量測微小位移等一系列與長度測量有關的物理知識和方法．

2)中學物理常用常數測定的拓展性實驗課程

中學物理中常見物理量的常數都是由教材直接給出，學生對這些常數的測得方法存在好奇心理，通過此課程讓學生動手操作測出這些常數，對學生知識的獲取、方法的指導、能力的培養起到很大的幫助．以下常數可以通過實驗測出：重力加速度的測定、金屬彈性模量的測定、空氣密度的測定、空氣中聲速的測定、密立根油滴實驗測元電荷、霍爾元件測量磁場、直流電橋測量電阻、用掠入射法測定透明介質的折射率、用雙棱鏡測光波波長、普朗克常量的測定．

3)奇妙的光學世界的拓展性實驗課程

光學與生活和現代科技息息相關，幾何光學和物理光學的探究是學生感興趣的課題，通過此課程將學生帶入奇妙的光學世界．可以在高中階段讓學生接觸到的光學實驗有：薄透鏡焦距的測定、顯微鏡和望遠鏡、衍射光柵的研究、牛頓環與劈尖干涉、偏振現象的觀察與分析、液晶的電光效應與顯示原理、全息照相．

4)重現經典物理實驗拓展性實驗課程

2002年評選出的十大經典物理實驗的核心是抓住了物理學家眼中最美麗的科學之魂：用簡單的儀器和設備，發現了最根本、最單純的科學概念．學生在重溫這些經典實驗時，既體驗物理學的美，又了解了近代物理學的發展史．部分實驗高中已經涉及，在實驗時要從更高要求、深度研究，提升學生的綜合科學素養．

(4)建設創新設計實驗中心，開發問題解決型拓展性物理實驗課程

我們建設了創新設計實驗中心．該中心是一個聚焦在創新、設計、技術、工程交叉領域的開放性實驗室平臺，具有交流、跨學科、共享的特征．借鑒STEM教育理念，創新設計實驗中心通過創設引人入勝且具有適度挑戰性的問題情境，讓學生持續投入各類體現其個性特點的科學探究活動，親身經歷設計研究實驗、從事科學觀察、基于證據形成理論假設等典型科學探究過程；通過提供真實的、與生活密切聯系的技術問題情境，讓學生持續投入富有想象力的技術設計活動，發展技術意識和操作能力．

與之相應，我們開發了問題解決型拓展性物理實驗課程，具體包括以下3個方面.

1)技術工程的體驗拓展

高中物理教材中，注重滲透STS教育，在物理知識的技術應用上與生活科技聯系緊密，尤其是人教版側重于物理學技術應用的選修2系列高中教材，該教材某些章節內容完全是技術應用，如2-1第三章第3節，2-2第二章第2節等．但是教材中對技術的介紹(包括選修3系列)完全是從理論的角度出發的，沒有學生的體驗實踐、完成工程或技術項目的活動．本課程從完善教材的角度出發，讓學生體驗實踐，可以開展的項目有：必修1中設計跳臺跳水的水深，設計手提式彈簧測力計，自制簡易的加速度測量計．必修2中利用極限速度設計谷物清潔裝置、設計玩具小火車軌道．選修系列中制作伏打電池、自制小發電機、制作無線話筒等．

2)“頭腦風暴法”科學設計

“頭腦風暴法”是一種培養學生創新思維能力的方法，在科技節活動中讓不同類型的學生構成小組圍繞某一問題進行自主探究．小組成員思維高度活躍，打破常規，產生大量創造性設想，利用常規器材進行科學設計．可以讓學生進行科學設計的有：“保護雞蛋”、“制作船模型”、“起重機模型制作”、“螺絲模型制作”、“橋梁模型制作”、“紙塔模型制作”等．

3)創新實驗教具的改進與制作

針對目前教材當中的演示實驗與學生實驗觀察現象不明顯、誤差比較大、引出規律理由不充分等弊端，指導學生以解決這些實際存在的問題為目的來重新設計實驗教具，鼓勵學生或對常規的實驗儀器加以改造、或選用日常生活物品、或自制儀器，從而提高學生在知識學習、技能訓練、科學素養養成、學科興趣培養等方面的效率．例如，“探究功與速度的變化關系”、“探究法拉第電磁感應定律”、“測量動摩擦因數”、“探究泊松亮斑”、“探究平拋運動”、“探究簡諧運動的表達式”、“非純電阻電路中電功與電熱的關系”等實驗教具的改進．

總之，高中物理拓展理實驗教學的研究，讓教師們摒棄了物理課堂教學“教師講授、學生靜聽”的傳統模式，促使了教師革新課程教學觀念，積極反思課程教學過程，形成了明確的課程意識．具有課程意識的教師以自己對課程的獨特理解為基礎,從目標、課程、教學、評價等維度來整體規劃教育實踐活動,從而成為課程教學的組織者、建構者、創生者與研究者，在提升學生生命品質的同時，也提升著教師的生命品質．

*系江蘇省教育科學研究院“十三五”規劃重點課題“運用拓展性實驗培養學生物理學科核心素養的實踐研究”的研究成果.

2017-03-11)