大單元教學背景下高中物理實驗教學的探索

曹殿龍

一、 引言

高中物理是離不開實驗的一門課程,而“電流熱效應的影響因素”則是基礎實驗之一,要想讓學生更好地融入高中物理學習之中、順利掌握實驗技能,形成包括創新思維以及創新精神在內的綜合素養,就應當重視實驗教學,做好實驗教學的每一個過程。

二、 研究背景綜述

(一)大單元教學

大單元教學是運用系統化、整體化的教學思維,將若干小知識點聚合在一起,以一個單元的視角來展開教學。比如人教版(2019)物理必修三教材中,在第十一章《電路及其應用》和第十二章《電能 能量守恒定律》中,包含電源和電流、導體的電阻相關內容。包含的實驗有導體電阻率的測量、串聯電路和并聯電路、電路中的能量轉化、閉合電路的歐姆定律,還有電池電動勢和內阻的測量、能源與可持續發展等知識內容。上述這些內容,又被劃分成兩章九節內容,呈現在教材中。以大單元視野展開,需要凝練教學內容結構,讓學生完整地去學習大單元知識。除此之外,鑒于教材中某一些內容有重復,一些內容有聯系,大單元教學還可以是主題式教學,重構教學內容結構,將重復的知識結合在一起教學、將有聯系的知識內容結合在一起教學,帶學生去感受知識體系框架。

而在大單元教學下,實驗是教學的一部分,一個大單元中會有一個或若干實驗,涵蓋內容范圍較廣。

(二)實驗教學與“電流熱效應的影響因素”實驗

實驗教學是指實踐性教學的一種組織形式,指學生利用儀器設備,對實驗對象進行觀測、測定、抽象、分析、總結等一系列過程,進而獲得知識與發展能力的一種方式。實驗教學可分為演示實驗、自主實驗、合作實驗、項目實驗等幾種形式,演示實驗即教師在課堂上進行演示,讓學生觀摩、測定并記錄實驗;自主實驗指讓學生個人設計并完成實驗;合作實驗事實上也是自主實驗的一種形式,即以小組合作的形式展開;項目實驗則指的是將某一個學習內容打包成項目的形式提供給學生,多為實踐性、調研性項目,讓學生對該項目進行分析,并完成這一項目,比如調研電熱水器和電風扇的能量轉化,比如制作門鈴報警器的實踐實驗。

電流熱效應指電流通過電阻時,將電能轉化為熱能的一種現象,已知影響電流熱效應的因素包括電流大小、電阻、通電時間,進而去深入認識焦耳定律Q=UIt;Q=I2Rt。實驗的大體結構為:通過控制變量法,改變一個閉合電路中的實驗器材,如電動機、電燈泡,對比相同電壓、電流、通電環境等因素,隨之觀測在不同條件因素下,電阻的溫度變化,最后整合所有數據去分析影響電流熱效應的因素。在該實驗過程中,教師引導學生進行大膽猜想,假想設項,設計實驗組,再通過實驗過程去探究驗證,獲得知識的同時可提升實驗技能。在實驗過程中,實驗環境、實驗器材、操作等問題可能會導致出現一些差錯,教師引導學生對實驗問題進行改進,一方面能夠讓實驗更加順利地進行下去,一方面則是為了讓學生進行創新研究,培養學生的創新意識。

三、 實驗教學的必要性

(一)激發學習興趣,體會物理樂趣

高中物理知識內容較為抽象且復雜,理論學習很容易讓學生陷入枯燥乏味的學習氛圍之中,進而逐漸喪失學習興趣,學習效果自然不盡如人意。而實踐教學卻是相對靈活的、寬松的,是有趣的,學生參與實驗學習,能夠深度融入學習環境中,學習興趣得到顯著提升。而興趣是學生最好的老師,學生在有學習興趣的基礎上,學習力也會隨之提升,體會物理有趣、物理有用,更有助于學生全面成長。

(二)促使學生加強對理論知識的理解

展開實驗教學,讓學生圍繞實驗目標獨立自主地去完成,在“創新—質疑—驗證”的過程中去學習,凸顯學生在學習中的主體地位,不僅學生的學習興趣能夠得到激發,同時也能夠讓學生更深入地理解物理理論知識。原本一些很難理解或不容易記憶的知識內容,通過實驗教學,學生的理解能更深刻、記憶更加清晰。例如在電流熱效應的影響因素實驗中,通過實驗學生能夠深度認識到電流經過電阻發熱這種現象,認識到影響發熱的一些因素,結合生活中一些常見的電器例子,思考電器發熱的原因所在,對焦耳定律有具體的思考。

(三)培養學生的科學探究能力

在素質教育深入發展的當下,培養學生物理核心素養是物理課程的核心目標之一,“科學探究”能力則是物理核心素養之一,它反映了學生應當懂得物理研究的程序,能夠獨立地根據素材或證據,去實驗論證,去分析獲得物理知識;也表現為學生應具有較強的實踐動手能力,能科學利用實驗環境,這也是新課標一直在強調的。實驗教學無疑就是在培養學生的“科學探究”素養,為學生提供一個實驗的項目,然后讓學生去準備實驗,去質疑假想并設項,再去分析實驗結果。學生科學探究能力的培養,能夠讓他們在物理領域走得更快、更遠。

(四)培養學生的創新能力

在素質教育目標下,創新能力也是學生應具備的綜合素養之一,在高中物理實驗教學中,或讓學生去創新猜想,或讓學生去創新實驗,或讓學生去總結、研究實驗結果,或讓學生去物理創造……諸多環節都在培養學生的創新意識和創新能力,讓學生在學習、生活中倍加受益。

四、 實驗教學常見問題

在高中物理實驗教學中,常見的教學難點與問題體現在三個方面。首先是自主與分組實驗較少的問題。盡可能多地讓學生相對獨立、自主地進行物理實驗,是實驗教學的基本原則,如此才能滿足學生的實際學習需求,但是目前來看,一些情況下,學生自主或分組實驗的數量難以保障。分析其原因,一方面可能是學校和教師對實驗教學的重視程度不足,受到傳統應試教育理念的影響仍然存在,認為讓學生多學、多背、多做就能得分;另一方面,可能是因為學校不能提供足夠的實驗環境,在實驗室、實驗器材、實驗材料等方面存在不足。

其次,可能存在按部就班開展實驗的問題?；蛞驗閷嶒炐问嚼匣?對學生吸引力不足,或因為實驗教學形式對學生引導不足,實驗教學中學生往往按部就班地進行物理實驗。學生缺少創新,缺少設計實驗,仍在機械性、重復性完成實驗,這種實驗教學的形式效果是不足的。

最后,還存在未能嚴格把控實驗程序的問題。很多時候高中物理實驗教學沒有教學任務和考核指標,這就導致學生得過且過,不會花費較多心思在實驗學習上。實驗課教學開展了之后,學生學懂了沒有、學得怎么樣、是否掌握實驗技能,這些都不明確,這就讓實驗課程教學失去了原本的意義;或者,在實驗中未能嚴抓科學與紀律,學生篡改數據的現象也會影響實驗教學的質量。

五、 實驗教學的展開策略

(一)實驗引入

在實驗引入階段,教師要讓學生明確實驗內容,實驗設置的原則是要與教學內容緊密相連,具有促使學生理論知識理解、強化學生實際動手能力的作用;或者嘗試去激發學生參與實驗研究的興趣;或者向學生傳輸完善的物理知識。

例如在“電流熱效應的影響因素”實驗中,圍繞電流熱效應的現實例子引入,生活中常見的電熱毯、電飯鍋、電熱水器等,都是電流熱效應的實際應用例子。另外,電器為了減少電流熱,常常采用設置散熱片、散熱風扇、液冷裝置等方式來進行散熱,電器安裝的位置也很關鍵,重點發熱元件不要靠近敏感元件和重要元件,均可作為實驗引入的素材,向學生滲透電流熱效應的基本概念,并且激發學生的實驗熱情。

(二)實驗規劃

在拿到一個實驗主題后,應引導學生對物理實驗進行大膽的質疑假想,將質疑假想的方向設置實驗項,而不是讓學生按部就班地完成實驗,如此一來能夠讓學生有更強的實驗動力。

例如在“電流熱效應的影響因素”實驗中,先引導學生圍繞“電流熱效應的影響因素”進行猜想,學生根據已有的電路知識猜想電壓、電流、電阻(通電材料)、環境因素、通電時長等,教師將其一一備注,均可以作為實驗研究的項目,再引導學生設計對照組實驗。

除此之外,教師還要做好準備,準備實驗材料,規劃實驗計劃,注意實驗細節事項,讓學生初步分析實驗研究主題,并讓學生思考如何去完成它、分哪些步驟去完成它、需要收集哪些相關的資料、需要準備哪些材料、重難點又是什么等,進而設置對照組實驗。實驗規劃前要明確實驗紀律,不但對學生的科學探究能力、科學思維進行了訓練,而且潛移默化地培養了學生對科學探究的認真態度。

(三)實驗過程

實驗過程即學生真正做實驗的過程,根據前期制訂的實驗計劃,按幾個步驟完成,每個有哪些技術,由誰去完成、怎樣去管理等,計劃制訂得越詳細,項目執行起來就會越輕松。在這一系列過程中,均由學生獨立自主去完成,或者以小組合作的方式去完成,即便合作完成也要分配角色和任務,學生自主完成實驗探究的整個過程,才能對物理知識點產生深入理解,才能切實提升實驗操作能力。

“電流熱效應的影響因素”實驗可進行分組實驗,要注意巧妙規劃以及嚴格管理,目的是讓學生學會由實驗到結論的物理研究方式,學生之間可以相互分享自己對這一項目的理解和思考,配合著完成該項目研究,各自承擔相應的實驗任務。合作實踐能提高學生的交流探究素養和合作配合能力。分組則要均勻分組,能起到以強帶弱的作用。實驗過程中,學生的實際動手能力和技術基礎并不完備,自然會犯下各種各樣的問題,而學生不斷解決這些問題,就是在深化物理知識理解和技術應用。當然,教師也應及時關注學生做實驗的過程,對學生完成實驗的情況進行指導,比如學生使用實驗器材時方法不正確,老師應及時去糾正,培養學生嚴謹的科學態度。

例如在“電流熱效應的影響因素”實驗中,電壓、電流、電阻(通電材料)、環境因素、通電時長等是影響電流熱效應的因素。學生分別設計了對照組實驗,比如對“電流”因素,設計了同一個閉合回路的對照組實驗,通過改變電流的大小,去觀測小燈泡或其他熱敏元件的反應,來獲得對應的電流數額與溫度數據;比如對“電阻”因素,同等道理,設計了同一個閉合回路的對照組實驗,使用不同電阻的小燈泡,來觀測燈泡溫度。

(四)實驗總結與創新

經過實驗研究,在實驗結束后匯總實驗結果,讓學生對實驗結果進行反饋,形成完整的實驗報告,制作圖例和最初的質疑假想進行對比,分析得出實驗結果。教師督促與檢查,在物理實驗中,每一個數值都要精準,不能弄虛作假,實驗本就是研究的過程,通過實踐去驗證自己的猜想,如果數據造假,那么實驗就會失去意義。

教師教導學生如何去剔除明顯錯誤的實驗數據,得出真實且有效的實驗結果?；蛞龑W生對實驗研究的難點進行創新,比如說做該實驗,實驗溫度不好測量,溫度計不容易固定,對此進行創新,在閉合回路中,在電阻上滴上幾滴石蠟或松香油,待其凝固,觀測不同條件下石蠟或松香油熔化的時間,以此來代替溫度測量……這就是創新實驗的例子所在。

(五)實驗評價

物理是一門離不開實驗的課程,在素質教育深入發展的今天,更加提倡以實驗來幫助學生學習物理。探索實驗教學的策略,最終目的是促進學生的全面發展。在實驗開展過后,教師需引導學生進行評價,這是學生進行自我反思的過程,能很好地促進他們掌握知識,同時,認識自己的學習情況。這樣一來,學生才能在參與實驗教學的過程中,通過實驗教學將理論知識融會貫通,深入探究物理知識;同時,通過實驗教學提高自己的實踐動手能力,獲取和掌握實驗探究技能。它更能夠讓學生在實驗教學中“創新—質疑—驗證”地展開學習,培養學生的創新意識與創新精神。具體操作時,教師可以讓學生上臺說明自己的實驗成果,說一說自己在完成實驗中遇到的難題以及如何去解決的,說一說實驗中有哪些創新之處。教師和同學根據學生的表現,進行評價,并引導學生總結本次實驗的經驗教訓。

六、 完善頂層設計,促使實驗教學順利實施

實驗教學是高中物理教學必不可少的組成部分,但卻可能存在實驗室、實驗器材、實驗材料不足,實驗教學少等一系列問題。因此,為了更好地發揮實驗教學的價值,學校應做好頂層設計,盡可能為學生配置足質足量的實驗條件,保證實驗室規模能夠應對一個班級人數,保證實驗材料能夠滿足學生所需。在課時規劃上也要進一步優化,增加實驗教學的分量,致力于解決學生參與實驗教學太少的問題,明確要求高中物理應完成多少實驗,應執行多少實驗課時,以此來保證高中物理實驗教學的質量。物理課程中大部分知識點都是可以通過物理實驗來獲取的,這需要教師思維層面提起重視程度,明確實驗教學對學生學習興趣、知識理解、核心素養培養的重要意義,學校則需要加強頂層設計,做好對教師的教學監督,督促教師順利展開實驗教學。另外,應在堅持“學—考”一體化原則下,提高實驗教學在課程教學中的比重,開展相應的實驗考核,要改變傳統只進行筆試的落后考核模式,給學生設計物理實驗主題,檢查學生完成該物理實驗的表現,以量化標準作為考核成績判定依據。

七、 結語

綜合來說,實驗教學是高中物理必不可少的一個環節,讓學生圍繞某一物理學習項目展開探究,去探索性學習物理知識,去質疑假想,再用實驗去解決這一項目,在全過程中對實驗進行創新。因此,在大單元教學背景下,教師應積極帶領學生開展物理實驗,做好演示實驗、分組實驗等,以學生為主體,鼓勵學生去創新猜想,去動手論證,使其成為更加優秀的人才。