高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的探討

王順敬

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的表達(dá)能力和合作意識(shí)，并從整體上提升學(xué)生個(gè)人探究學(xué)習(xí)能力及學(xué)科素養(yǎng)。目前高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展還存在一些有待改進(jìn)的地方。本文圍繞高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)有效性探討，提出具有可行性的策略。

高中物理實(shí)驗(yàn)與物理理論相輔相成，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)展示過(guò)程，證實(shí)物理理論，體驗(yàn)物理探究過(guò)程的科學(xué)性，能夠培育學(xué)生物理核心素養(yǎng)。提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性是十分必要的。什么是教學(xué)有效性？關(guān)鍵在于學(xué)生真正發(fā)生學(xué)習(xí)。如何讓物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)真正發(fā)生，本文結(jié)合實(shí)例從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面進(jìn)行探析，為教學(xué)提供參考。

一、教學(xué)內(nèi)容

（一）對(duì)小組實(shí)驗(yàn)提出有效的疑問(wèn)，試圖進(jìn)行創(chuàng)造性的問(wèn)題解答

《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》清楚表明：為了防止同學(xué)們按照教師或教科書所設(shè)定的步驟假裝“探究”，不要僅僅關(guān)注于符合探究假定的物理學(xué)事實(shí)，還要關(guān)注并搜集與期望結(jié)果不一致的資料信息。也就是應(yīng)當(dāng)啟發(fā)鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑、猜想，包括實(shí)驗(yàn)儀器、方法等。做真實(shí)驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)真問(wèn)題，不能機(jī)械地照搬書上內(nèi)容。比如探究加速度與外力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，就有很多值得探究的問(wèn)題。如為何要平衡摩擦力？如果不平衡摩擦力有什么影響？可以完成實(shí)驗(yàn)嗎？為何要控制小車（包括車上鉤碼）質(zhì)量遠(yuǎn)大于懸在空中的鉤碼的質(zhì)量？怎么理解“遠(yuǎn)大于”，并做到“遠(yuǎn)大于”？是否有其他更好的方案？即同一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生思考設(shè)計(jì)多個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生在質(zhì)疑、思辨中分析問(wèn)題，在交流評(píng)價(jià)中尋找解決問(wèn)題的最佳方案。

作為第二課堂的研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，其課題來(lái)源于生活，可以是課堂上爭(zhēng)辯難解的問(wèn)題，也可以是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)遺留的問(wèn)題。物理研究性學(xué)習(xí)具有開放性、實(shí)踐性、綜合性和生成性，是探索新知的學(xué)習(xí)過(guò)程，是課內(nèi)實(shí)驗(yàn)的延伸，研究過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰撞出創(chuàng)造的火花，有利于學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。比如課題“如何測(cè)量微小力”，不同的學(xué)生可能會(huì)提出不同的解決方案。第一，用勁度系數(shù)很小的彈簧做成彈簧秤測(cè)量；第二，利用光的直線傳播測(cè)微小形變的方法測(cè)微小力；第三，利用微小力改變封閉氣體的體積，在等溫變化的情況下，通過(guò)測(cè)量壓強(qiáng)的變化來(lái)間接測(cè)量微小力……從學(xué)生的方案中可以看到平時(shí)上課和作業(yè)的影子，這也是一種知識(shí)的遷移應(yīng)用，如方案二學(xué)生聯(lián)想到了“力可以使物體產(chǎn)生形變”，這就是在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行知識(shí)重組，產(chǎn)生出解決問(wèn)題的方法，這個(gè)方案可能有人涉足過(guò)，但對(duì)于學(xué)生而言，這是了不起的創(chuàng)新嘗試。

（二）改進(jìn)豐富演示實(shí)驗(yàn)，靈活處理解決問(wèn)題

演示實(shí)驗(yàn)是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)重要的補(bǔ)充，形象直觀，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生在觀察或者參與實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中開啟積極的思維，有利于建立物理觀念，尋找物理規(guī)律，落實(shí)核心素養(yǎng)。

教材中的迷你實(shí)驗(yàn)、課后習(xí)題中的實(shí)驗(yàn)以及物理聊吧等欄目中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師在備課過(guò)程中應(yīng)該綜合考量，根據(jù)實(shí)際情況靈活處理。例如：必修第一冊(cè)P112中“上段還是下段的細(xì)繩先斷”，僅從慣性的角度解釋不清楚、不到位，建議放到動(dòng)量學(xué)習(xí)完再處理；必修第二冊(cè)P13中“影響動(dòng)能大小的因素”，該實(shí)驗(yàn)似乎不能很好說(shuō)明問(wèn)題，學(xué)生容易認(rèn)為動(dòng)能大小與高度有關(guān)，建議更換；必修第二冊(cè)P35中“鋼珠在磁鐵吸引下的運(yùn)動(dòng)”這個(gè)實(shí)驗(yàn)看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作不容易成功，鋼球離磁鐵太遠(yuǎn)、受力小，基本沒(méi)偏轉(zhuǎn)，鋼珠離磁鐵太近容易被吸住，偏轉(zhuǎn)效果也不明顯，建議將實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)處理。

某些實(shí)驗(yàn)可設(shè)計(jì)成小游戲，增強(qiáng)教學(xué)趣味性、有效性。例如：必修第二冊(cè)P39第6題為考查運(yùn)動(dòng)合成與分解設(shè)計(jì)的吹乒乓球的趣味實(shí)驗(yàn)；P65第2題為考查圓周運(yùn)動(dòng)向心力來(lái)源設(shè)計(jì)的用葡萄酒杯搬運(yùn)乒乓球的游戲。這種小實(shí)驗(yàn)取材于日常生活，可隨時(shí)隨地開展，不僅新穎、有趣，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及其中涉及的知識(shí)學(xué)生也會(huì)產(chǎn)生深刻印象，更輕松、準(zhǔn)確地掌握相對(duì)抽象的概念知識(shí)，同時(shí)有助于營(yíng)造輕松、愉快的課堂氛圍，改變高中物理課堂沉悶死板、鴉雀無(wú)聲的局面。

利用生活中的物品自制簡(jiǎn)易教具，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，一些較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以自己完成。例如：必修第一冊(cè)中P70中向上“滾”的圓錐、P94中平行四邊形模型、P120中簡(jiǎn)易加速度計(jì)；必修第二冊(cè)P76中習(xí)題第8題水流星模型等。學(xué)生把做的儀器帶到教室，上課時(shí)讓制作者演示給全班學(xué)生看，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，又給學(xué)生提供了上臺(tái)展示表達(dá)的機(jī)會(huì)，豐富提升了課堂教學(xué)效果，一舉多得。

（三）承上啟下充實(shí)實(shí)驗(yàn)，搭橋連接解決問(wèn)題

初中階段的物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容非常豐富，但一般都比較直觀，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。高中階段實(shí)驗(yàn)比較綜合，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰λ接懈叩囊蟆Ｒ虼俗龊贸醺咧秀暯?，熟悉初中教材和課標(biāo)，能夠提高高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性，有助于學(xué)生更好地適應(yīng)高中階段的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。例如，關(guān)于感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件的探究，初中生們認(rèn)為“當(dāng)閉合電路的部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流”。高中教學(xué)時(shí)可先設(shè)計(jì)“向已連接電流計(jì)的螺線管中插入或拔出條形磁”產(chǎn)生感應(yīng)電流的實(shí)驗(yàn)，磁鐵的插入和拔出改變的是線圈處的磁感應(yīng)強(qiáng)度，與初中所學(xué)的不同?？此泼艿膬烧撸寣W(xué)生對(duì)初中的結(jié)論產(chǎn)生質(zhì)疑，啟發(fā)思考。再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生，若將磁鐵視為不動(dòng)，則相當(dāng)于閉合線圈在切割磁感線，進(jìn)而開展下一步探究學(xué)習(xí)。

二、教學(xué)方法

（一）基于大概念的綜合，使物理學(xué)的知識(shí)結(jié)構(gòu)更加完整

《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》緒論部分對(duì)學(xué)科教學(xué)大綱提出了“以學(xué)科大概念為中心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為導(dǎo)向，情景化教學(xué)內(nèi)容為主，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)” 。大概念引領(lǐng)下的大單元教學(xué)，從整體上對(duì)單元教學(xué)進(jìn)行有序設(shè)計(jì)、有效整合，有利于將眾多知識(shí)圍繞大概念串聯(lián)成一個(gè)知識(shí)體系，遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，有利于概念規(guī)律在頭腦中的提煉和升華。

將物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與大單元教學(xué)結(jié)合起來(lái)，可以幫助同學(xué)們建立一個(gè)完備的物理學(xué)科知識(shí)系統(tǒng)，極大地提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果。

以魯科版教科書必修第1冊(cè)為例，第2章第1節(jié)“速度變化規(guī)律”提供的數(shù)據(jù)不是基于真實(shí)運(yùn)動(dòng)的模型建構(gòu)，更像是為了說(shuō)明勻變速運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，為了計(jì)算簡(jiǎn)便而虛構(gòu)的數(shù)據(jù)。第3節(jié)“實(shí)驗(yàn)中的誤差和有效數(shù)字”舉例用刻度尺測(cè)量紙帶上兩點(diǎn)間的距離，可此時(shí)還沒(méi)開始學(xué)習(xí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的使用，還沒(méi)做實(shí)驗(yàn)，有點(diǎn)突兀。建議采用人教版的教學(xué)邏輯，將魯科版教科書必修第1冊(cè)的前兩章作為一個(gè)單元進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，通過(guò)紙帶、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)將運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)串聯(lián)起來(lái)。第一，第1章第1節(jié)空間和時(shí)間，第2節(jié)質(zhì)點(diǎn)和位移；第二，實(shí)驗(yàn)：練習(xí)使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄勻速運(yùn)動(dòng)物體和勻加速直線運(yùn)動(dòng)的位移、時(shí)間信息，既深化了對(duì)位移的理解，又為之后的學(xué)習(xí)提供素材——紙帶；第三，第2章第3節(jié)實(shí)驗(yàn)中的誤差和有效數(shù)字，利用紙帶數(shù)據(jù)測(cè)量講解有效數(shù)字和測(cè)量中的誤差；第四，第1章第3節(jié)速度，利用紙帶描繪位移時(shí)間圖像，講解瞬時(shí)速度和平均速度，并進(jìn)行測(cè)量；進(jìn)一步講解系統(tǒng)誤差和偶然誤差；第五，第1章第4節(jié)加速度，利用紙帶中速度的變化引入加速度的概念；第六，第2章第1節(jié)速度變化規(guī)律，通過(guò)描繪速度時(shí)間圖像引入勻變速直線運(yùn)動(dòng)概念，并求加速度；第七，第2章第2節(jié)位移變化規(guī)律；第八，第2章第5節(jié)自由落體運(yùn)動(dòng)，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器證明自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速運(yùn)動(dòng)并求重力加速度。

（二）結(jié)合信息技術(shù)，激發(fā)高效的學(xué)習(xí)能力

美國(guó)教育家布盧姆把思維過(guò)程分為六大目標(biāo)：記憶、理解、應(yīng)用、分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造。分析、綜合、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造屬于高級(jí)的思維能力，是更高的認(rèn)識(shí)層面，提倡從淺顯的知識(shí)中獲得和解析轉(zhuǎn)到深入的認(rèn)識(shí)和運(yùn)用中，從被動(dòng)地獲得知識(shí)和技巧轉(zhuǎn)到有意義的思維學(xué)習(xí)，這對(duì)實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)和智能教學(xué)環(huán)境的建設(shè)具有重要意義。

物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生高層次思維的一種主要手段，它可以使“評(píng)價(jià)”和“創(chuàng)造”的思維在實(shí)驗(yàn)“分析”中得到充分提高。而將信息技術(shù)融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能更自如地創(chuàng)設(shè)物理問(wèn)題情境，更有利于學(xué)生在情境中建構(gòu)知識(shí)，激發(fā)高效學(xué)習(xí)能力。

1.視頻素材。

為了有效增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性、有效性，在教學(xué)設(shè)計(jì)中教師可以引用新穎、豐富的視頻素材為大家展示原本抽象的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。比如抖音，B站上的學(xué)習(xí)視頻資源就非常豐富。這些視頻用學(xué)生喜聞樂(lè)見的方式呈現(xiàn)出來(lái)，能將難懂枯燥的知識(shí)變得生動(dòng)活潑，方便學(xué)生理解物理知識(shí)，特別是一些教師自己平時(shí)不易做的實(shí)驗(yàn)，比如共振條件&高樓阻尼器。還有些視頻是習(xí)題中的實(shí)驗(yàn)，有點(diǎn)“小題大做”的感覺(jué)，但是對(duì)學(xué)生理解某個(gè)知識(shí)點(diǎn)非常有效，形象直觀，比如夾角真的不變嗎？（活結(jié)與死結(jié)問(wèn)題）。

另外像《加油向未來(lái)》《是真的嗎》等具有科學(xué)探究性質(zhì)的綜藝節(jié)目拍攝的物理實(shí)驗(yàn)可以篩選供學(xué)生學(xué)習(xí)，比如特斯拉放電展示、兩本交疊的書要多大的力才能拉開、羽毛和球誰(shuí)先落地等。

2.希沃白板。

希沃白板是功能強(qiáng)大的互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，儲(chǔ)存了海量的視頻課程資源，包括仿真實(shí)驗(yàn)。相比于普通的黑板授課，在希沃白板中可以展示立體圖像，比如各種磁極磁場(chǎng)和電流周圍磁場(chǎng)、帶電粒子周圍電場(chǎng)分布，方便多角度觀察，更加形象直觀。一是可為磁場(chǎng)形狀、方向、強(qiáng)弱以及相互作用等概念的整體建構(gòu)創(chuàng)造有利條件；二是洛倫茲力的教學(xué)，三維呈現(xiàn)出來(lái)分析便于學(xué)生理解。由于受環(huán)境和器材的限制，在教室里做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生觀察效果不理想。希沃白板投屏功能支持對(duì)手機(jī)屏幕進(jìn)行投屏，可將實(shí)驗(yàn)過(guò)程在教室電腦大屏幕上實(shí)時(shí)展示出來(lái)，全班同學(xué)都能看清楚，大大提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。

3.智能手機(jī)。

（1）智能手機(jī)的慢放功能雖然達(dá)不到高速攝像機(jī)的精度，但是效果也很不錯(cuò)，如果能將其運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察與理解，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。比如利用過(guò)山車的軌道模型演示時(shí)，借助手機(jī)慢放功能能夠清晰地看到小球在哪個(gè)位置脫離軌道，對(duì)于分析豎直面圓周運(yùn)動(dòng)很有幫助。

（2）Phyphox是一款為物理實(shí)驗(yàn)而專門設(shè)計(jì)的手機(jī)程序，它通過(guò)手機(jī)內(nèi)部的傳感器做大量有趣的物理實(shí)驗(yàn)，并產(chǎn)生圖像，實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程，輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)、揭示物理規(guī)律等方面提供新思路和新途徑。一臺(tái)智能手機(jī)相當(dāng)于一個(gè)微型DIS實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合身邊的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，打破時(shí)空限制，能夠激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和潛能，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究精神。實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)以圖表等形式形象展示出來(lái)，還能導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析。例如應(yīng)用該軟件可以探究超重和失重的加速度問(wèn)題、探究向心力與角速度的關(guān)系、測(cè)量落體運(yùn)動(dòng)的加速度等。

4.視頻分析軟件。

以必修第一冊(cè)加速度這節(jié)課為例，課堂都是引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)比值定義法得到加速度的概念，即單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量。然而在歷史上，一個(gè)物理學(xué)概念的建立卻沒(méi)有這么容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)速度變化快慢的比較有兩種看法。一是對(duì)各時(shí)段的速度變化量進(jìn)行對(duì)比，二是對(duì)單位位移內(nèi)的速度變化量進(jìn)行對(duì)比。怎樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比呢？可以通過(guò)Tracker軟件的錄像解析。首先，將小車在坡道上下滑進(jìn)行勻變速直線運(yùn)動(dòng)拍下來(lái)，然后利用這個(gè)軟件，將小車的位置、速度和時(shí)間等數(shù)據(jù)提取出來(lái)，通過(guò)對(duì)v-t圖像和v-s圖像的對(duì)比分析，讓學(xué)生們對(duì)這兩幅圖像的差異及特征進(jìn)行分析，v-t圖像是一條直線，更有其優(yōu)越性和簡(jiǎn)潔性，因此用描述物體速度的變化快慢比用更為合理。

再比如研究簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的位移速度圖像，分析平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，視頻分析軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力能夠讓實(shí)驗(yàn)“可視化”，更容易發(fā)掘物理現(xiàn)象中蘊(yùn)含的物理規(guī)律。

三、結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，認(rèn)真落實(shí)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，特別是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，積極開展拓展性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與初中及大學(xué)課程的銜接，有機(jī)整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，促進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合，讓學(xué)生真正發(fā)生學(xué)習(xí)，將能更好地提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性。