義務(wù)教育階段物理實(shí)驗(yàn)方法研究及其啟示

彭柳婷,陶 揚(yáng),邢紅軍

(首都師范大學(xué) 教師教育學(xué)院,北京 100048)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,實(shí)驗(yàn)作為物理教學(xué)的基礎(chǔ),對(duì)提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義. 《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“物理課標(biāo)”)提出要培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究方法解決日常問(wèn)題的意識(shí)[1],但并未明確給出具體的物理實(shí)驗(yàn)方法. 這就引申出一系列問(wèn)題:物理實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)當(dāng)如何分類(lèi)?學(xué)生需要掌握哪些物理實(shí)驗(yàn)方法?教師應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)?顯然,這些問(wèn)題都有待進(jìn)一步深入研究. 為了更好地開(kāi)展義務(wù)教育階段物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),本文依據(jù)物理課標(biāo),對(duì)物理實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分類(lèi)歸納,而后進(jìn)行深入解讀,為優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ峁﹨⒖?

1 義務(wù)教育階段物理實(shí)驗(yàn)方法分類(lèi)研究

物理實(shí)驗(yàn)是根據(jù)研究目的和學(xué)習(xí)目的,利用物理儀器和設(shè)備,人為地控制或模擬物理現(xiàn)象,排除各種偶然、次要因素的干擾,抓住主要因素,在有利的條件下重復(fù)研究物理現(xiàn)象及其規(guī)律的活動(dòng)[2]. 作為一種科學(xué)活動(dòng),物理實(shí)驗(yàn)不僅離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材,同樣也離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)方法. 美國(guó)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》[3]和英國(guó)的CIE A- level等主要依據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)物理實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了分類(lèi). 受此啟發(fā),本文根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程將物理實(shí)驗(yàn)方法分為操作過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)方法,并參照此分類(lèi)對(duì)物理課標(biāo)中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行歸納,如表1所示.

表1 義務(wù)教育階段物理實(shí)驗(yàn)方法歸納

對(duì)上述物理實(shí)驗(yàn)方法及其出現(xiàn)頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2所示.

表2 義務(wù)教育階段物理實(shí)驗(yàn)方法統(tǒng)計(jì)

研究發(fā)現(xiàn):義務(wù)教育階段中出現(xiàn)頻次較高的物理實(shí)驗(yàn)方法有觀察法、控制變量法、轉(zhuǎn)化法、列表法等,這些實(shí)驗(yàn)方法具有較強(qiáng)的遷移性,普遍適用于大多數(shù)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和數(shù)據(jù)處理過(guò)程. 同時(shí),這些實(shí)驗(yàn)方法也對(duì)學(xué)生提出了較高的要求. 例如,列表法在探究類(lèi)實(shí)驗(yàn)中需要分辨出自變量、因變量以及無(wú)關(guān)變量,在測(cè)量類(lèi)實(shí)驗(yàn)中需要分辨出直接測(cè)量量、過(guò)程計(jì)算量和結(jié)果測(cè)量量. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,往往需要應(yīng)用這些實(shí)驗(yàn)方法,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型決定記錄次數(shù)[4].

然而,由于某些實(shí)驗(yàn)方法具有特殊性,因此在義務(wù)教育階段中出現(xiàn)頻次較低,例如伏安法適用于電學(xué)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程,排水法適用于與浮力知識(shí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程. 但并不意味著降低對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求,如測(cè)量固體密度時(shí),學(xué)生根據(jù)密度的計(jì)算公式,找到未知量“固體的體積”,再運(yùn)用排水法測(cè)得固體的體積,在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生需要在理解實(shí)驗(yàn)原理、把握實(shí)驗(yàn)邏輯的基礎(chǔ)上使用該實(shí)驗(yàn)方法.

2 義務(wù)教育階段物理實(shí)驗(yàn)方法解讀

為了厘清物理實(shí)驗(yàn)方法的內(nèi)涵,更好地開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),本文對(duì)物理實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行解讀.

2.1 操作過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)方法

物理實(shí)驗(yàn)離不開(kāi)現(xiàn)象的觀察和儀器的操作,因此明確物理實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)方法內(nèi)涵是進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ).

2.1.1 直接測(cè)量法

直接測(cè)量法是指將待測(cè)物理量與選作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的同類(lèi)物理量(或標(biāo)準(zhǔn)量)直接比較,得出大小的測(cè)量方法. 比較是直接測(cè)量的主要形式,如利用天平測(cè)量質(zhì)量,利用電流表測(cè)量電流等[5]. 在義務(wù)教育階段,測(cè)量類(lèi)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是讓學(xué)生學(xué)習(xí)各種測(cè)量工具的使用和讀數(shù)方法,包括測(cè)量?jī)x器的基本原理、功能、量程、分度值和操作規(guī)范等[1].

2.1.2 控制變量法

控制變量法是討論物理量之間的關(guān)系時(shí),通過(guò)控制其他物理量不變,只改變1個(gè)物理量從而轉(zhuǎn)化為多個(gè)單一物理量影響某個(gè)物理量的問(wèn)題的研究方法[5]. 運(yùn)用控制變量法探究某一物理量的影響因素時(shí),每次實(shí)驗(yàn)只改變1個(gè)物理量,嚴(yán)格控制其他物理量不變,才能推理出該變量是否是影響因素. 根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段理論,控制變量法的掌握對(duì)應(yīng)于形式運(yùn)算階段的認(rèn)知水平.

2.1.3 轉(zhuǎn)化法

轉(zhuǎn)化法是根據(jù)物理量之間的各種效應(yīng)和定量關(guān)系,利用變換原理將不能或不易測(cè)量的待測(cè)物理量轉(zhuǎn)化成能測(cè)或易測(cè)的物理量進(jìn)行測(cè)量,然后再求待測(cè)物理量,實(shí)際上也是間接測(cè)量法的具體應(yīng)用. 轉(zhuǎn)化法一般可分為參量轉(zhuǎn)化和能量轉(zhuǎn)化兩大類(lèi),在初中物理實(shí)驗(yàn)中,只討論參量轉(zhuǎn)化,即利用物理量之間的變換關(guān)系(或函數(shù)關(guān)系)進(jìn)行間接測(cè)量[6].

2.1.4 留跡法

留跡法是將瞬間即逝的物理量(位置、軌跡、圖像等)記錄下來(lái)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法[7]. 例如,在探究平面鏡成像時(shí),需要在玻璃板下方鋪張大紙,沿著玻璃板在紙上畫(huà)條直線,代表平面鏡的位置,并在紙上記下蠟燭以及蠟燭像的位置.

2.1.5 觀察法

觀察法是按照一定的目的和計(jì)劃,直接運(yùn)用各種感覺(jué)器官或利用儀器,對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行觀測(cè),取得可靠資料和準(zhǔn)確數(shù)據(jù),得出觀察結(jié)論的方法. 一般來(lái)說(shuō),物理實(shí)驗(yàn)觀察的方法可以分為整體觀察法、局部觀察法、現(xiàn)象觀察法、過(guò)程觀察法和特點(diǎn)觀察法[5].

2.2 數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)方法

在完成相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)操作后,需要對(duì)收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解釋,根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果分析各物理量的變化及其關(guān)系. 因此,學(xué)生需要掌握數(shù)據(jù)處理過(guò)程中所涉及的物理實(shí)驗(yàn)方法.

2.2.1 列表法

列表法是通過(guò)表格全面、準(zhǔn)確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析表格中各變量之間的關(guān)系,尋求實(shí)驗(yàn)結(jié)論的方法[5]. 在列表記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)要注意:

1)完整地記錄物理量,例如探究實(shí)驗(yàn)中的自變量、因變量和無(wú)關(guān)變量.

2)明確各物理量的記錄位置和單位,探究類(lèi)實(shí)驗(yàn)中的因變量和測(cè)量類(lèi)實(shí)驗(yàn)中的最終測(cè)量結(jié)果需要放置在表格的最后一行或最后一列,并將對(duì)應(yīng)單位寫(xiě)在物理量之后,用“/”隔開(kāi).

3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄次數(shù),例如在探究某2個(gè)物理量是否有關(guān)時(shí),至少需要記錄2次數(shù)據(jù),而在探究某2個(gè)物理量成正比或反比時(shí)至少需要記錄5組數(shù)據(jù)[4].

2.2.2 平均值法

平均值法是物理實(shí)驗(yàn)中為了精確測(cè)量某一物理量,減小偶然誤差而對(duì)該物理量進(jìn)行多次測(cè)量求平均值的方法[2]. 在實(shí)驗(yàn)前要清楚多次測(cè)量的目的,判斷是否需要求平均值,例如在測(cè)定值電阻的阻值時(shí),多次測(cè)量的目的是求平均值減小偶然誤差,而在測(cè)不同電壓下小燈泡的電阻時(shí),多次測(cè)量的目的是為了讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到溫度對(duì)小燈泡電阻的影響.

2.2.3 圖像法

圖像法是在物理實(shí)驗(yàn)中,為了更直觀地看出各物理量之間的變化關(guān)系,選取合適的坐標(biāo)系,并在坐標(biāo)紙內(nèi)繪制最佳擬合直線或曲線以顯示圖形趨勢(shì)的方法[5]. 連線時(shí)應(yīng)盡可能通過(guò)或接近大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn),并使數(shù)據(jù)點(diǎn)盡可能均勻地、對(duì)稱(chēng)地分布在圖線兩側(cè),對(duì)于個(gè)別誤差太大的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以舍去.

2.3 物理實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用案例——驗(yàn)證阿基米德原理的漂浮實(shí)驗(yàn)

阿基米德原理實(shí)驗(yàn)在人教版教材中以下沉實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn),步驟繁多且需要用到三力平衡的知識(shí),實(shí)驗(yàn)要求高于學(xué)生的物理認(rèn)知水平[8],因此本文以漂浮實(shí)驗(yàn)為例,對(duì)阿基米德原理實(shí)驗(yàn)展開(kāi)研究,分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所采用的實(shí)驗(yàn)方法.

阿基米德原理的漂浮實(shí)驗(yàn)基本思路是:首先測(cè)出物體的重力G物,然后將物體置于溢水杯中,用塑料袋收集溢出的水;當(dāng)物體在水面處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),根據(jù)二力平衡可以得到F浮=G物;用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量溢出水的重力G排,再比較F浮與G排的大小,發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)二者相等,從而驗(yàn)證阿基米德原理[8].

實(shí)驗(yàn)器材:木塊(經(jīng)過(guò)不吸水處理后)、彈簧測(cè)力計(jì)、塑料袋(質(zhì)量忽略不計(jì))、溢水杯、鐵架臺(tái)、適量的水.

實(shí)驗(yàn)步驟:

1)用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出木塊的重力G物.

2)在溢水杯中加適量水,直至水恰好能從溢水口溢出.

3)將木塊放入水中,同時(shí)用塑料袋收集溢出的水,待溢水停止,用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量溢出水的重力G排.

4)在實(shí)驗(yàn)誤差的范圍內(nèi),F浮=G排,即木塊所受浮力與排開(kāi)水的重力相等,從而得到阿基米德原理.

不難發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,測(cè)量物體重力G物和溢出水重力G排時(shí)運(yùn)用了直接測(cè)量法,收集溢水杯中溢出的水時(shí)運(yùn)用了排水法,測(cè)量物體漂浮在水面上所受到的浮力大小時(shí)運(yùn)用了轉(zhuǎn)化法,根據(jù)二力平衡將其轉(zhuǎn)化成物體的重力;在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,運(yùn)用列表法將測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表中,通過(guò)比較F浮與G排的大小,從而驗(yàn)證阿基米德原理,由此彰顯在物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中物理實(shí)驗(yàn)方法的重要性.

3 研究啟示

通過(guò)對(duì)物理課標(biāo)中的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行提煉、歸納與解讀,從而得出如下研究啟示.

3.1 明確物理實(shí)驗(yàn)方法的內(nèi)容

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》是義務(wù)教育階段物理學(xué)科的綱領(lǐng)性指導(dǎo)文件,體現(xiàn)了物理教學(xué)的指導(dǎo)作用. 物理課標(biāo)明確提出了發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的要求,并將部分實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)方法作為示例,以供一線教師、教育研究者參考. 為此,建議物理教育研究者深入研究物理實(shí)驗(yàn)方法,挖掘物理實(shí)驗(yàn)方法的價(jià)值,從而落實(shí)物理課程標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)“學(xué)生運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究方法解決日常問(wèn)題的意識(shí)”的教學(xué)目標(biāo),以高水平的研究支撐高水平的物理教學(xué),避免物理教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中由于認(rèn)識(shí)有限、理解不到位等原因,而偏離物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo). 此外,教研活動(dòng)應(yīng)當(dāng)幫助教師夯實(shí)學(xué)科教學(xué)知識(shí)素養(yǎng),提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力. 只有當(dāng)教師深刻理解并熟練運(yùn)用各種實(shí)驗(yàn)方法,才能更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入物理的奇妙世界,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)熱情,提升學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐能力.

3.2 顯化物理實(shí)驗(yàn)方法

教學(xué)應(yīng)該回歸“以學(xué)生為中心”的育人本位,關(guān)注學(xué)生個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展需求,增加課程適宜性[1],教材也應(yīng)該關(guān)注學(xué)生的主體地位,給不同發(fā)展需求的學(xué)生提供相應(yīng)的學(xué)習(xí)材料,滿(mǎn)足學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟町愋园l(fā)展,以及學(xué)生和社會(huì)未來(lái)發(fā)展的需要. 美國(guó)中學(xué)物理教材在開(kāi)篇第一章“物理工具箱”中系統(tǒng)地介紹了學(xué)習(xí)和研究物理必備的科學(xué)方法,在“測(cè)量”和“繪制數(shù)據(jù)圖”兩部分內(nèi)容中詳細(xì)地介紹實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理的重要方法[9]. 相對(duì)而言,我國(guó)物理教材更重視物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程,針對(duì)不同種類(lèi)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)有不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容敘述框架,著力讓學(xué)生能夠遵循實(shí)驗(yàn)過(guò)程內(nèi)在的邏輯進(jìn)行思維和操作[10],而不顯化對(duì)應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)方法和內(nèi)涵. 綜合考慮教材應(yīng)當(dāng)保障學(xué)生學(xué)習(xí)“下線”,因此建議教材顯化物理實(shí)驗(yàn)方法,方便學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)方法的內(nèi)涵和本質(zhì).

3.3 重視物理實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師不僅要分析物理課程標(biāo)準(zhǔn)與教材,還要根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)特點(diǎn),有側(cè)重地進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué). 恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方法不僅可以幫助學(xué)生更加直觀地理解抽象的物理概念,還能提升學(xué)生的實(shí)踐能力,發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維. 例如,測(cè)量類(lèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)芙探o學(xué)生物理量的測(cè)量方法、使用測(cè)量工具和正確讀數(shù)的技巧. 而在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),列表法等實(shí)驗(yàn)方法可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)地整理和分析信息. 學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn),能夠加深對(duì)物理實(shí)驗(yàn)方法的理解和掌握,這種認(rèn)知過(guò)程依賴(lài)于教師使用正確和有效的實(shí)驗(yàn)方法指導(dǎo). 因此,教師在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中要強(qiáng)化物理實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)[11],確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)技能,理解實(shí)驗(yàn)方法的科學(xué)原理和邏輯,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的意識(shí)和能力[12],從而發(fā)展學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

4 結(jié)束語(yǔ)

本文參考美國(guó)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》、英國(guó)CIE A- level對(duì)將物理實(shí)驗(yàn)方法按照操作過(guò)程和數(shù)據(jù)處理過(guò)程進(jìn)行分類(lèi),據(jù)此對(duì)物理實(shí)驗(yàn)方法展開(kāi)進(jìn)一步的研究,將物理課標(biāo)中學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行歸納、分析和解讀,為教師的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)方法教學(xué)提供針對(duì)性的幫助. 物理實(shí)驗(yàn)是作為一種科學(xué)活動(dòng)離不開(kāi)方法的支撐,因此,物理實(shí)驗(yàn)方法是中學(xué)物理教學(xué)的重要內(nèi)容,同時(shí)也是學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾M成部分. 在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師應(yīng)認(rèn)識(shí)到顯化中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)方法的必要性,引導(dǎo)學(xué)生在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)方法,并運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題. 綜上,本文按照實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)物理實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行歸納、分析和解讀,為教師提供了關(guān)于物理實(shí)驗(yàn)方法教學(xué)的具體文本材料,幫助教師優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),最終促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成.