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1、高中物理实验教学设计北京师范大学物理系 李春密 L一、实验教学的概念物理实验是有目的、有计划地运用仪器、设备，在人为控制条件下，使物理现象反复再现，从而进行认真观测，获取大量资料的一种科学研究方法。物理实验的主要特点有二：一是可控性，二是可重复性。在物理教学中做的物理实验是物理教学实验。新课程注重科学探究，实质上是注重真正体现物理学研究过程和方法的物理实验。物理实验教学在新课程实施中占有重要地位。科学实验 与教学实验 的比较科学实验教学实验目的发现新现象，探索新规律帮助学生掌握知识和学习方法，培 养能力，提高素质。内容由需要探索的新问题而定，内 容是新的，一般是未知的。按一定的教学目的设计，根
2、据教学 实际的需要安排。比较成熟的。形式通过实验观察、测量、记录、 计算和分析，总结出规律。通过探究等方法使学生形成概念， 掌握规律物理实验在物理教学中的作用1、激发学生的兴趣和求知欲(演示电表)2、创设有效学习环境、促进学生对知识的掌握3、训练学生的科学方法4、培养学生的各种能力5、培养学生的科学态度和情感物理实验教学的主要任务1.获取和巩固物理学的理论知识，学会测量某些物理量。2.学会使用基本物理仪器。（如学生电源）3.明确进行物理实验的一般规范。4.能按要求正确完成实验操作，分析和处理所得实验数据。5.学习操作物理实验仪器、观察物理现象的基本技能、技巧。6.学习和初步运用误差理论。7.明
3、了观察和实验手段研究物理现象的基本程序。8.培养学生在物理实验中的观察、思维和操作能力。9.使学生端正实验态度，养成良好习惯，培养探索精神。10.使学生感受学习物理的乐趣，激发求知欲和动手操作兴趣。1.近30年来我国物理实验教学研究的状况在近30年中，我国基础教育研究经历了三个明显的阶段，物理实验教学研究也经历了三个阶段的发展。第一阶段（19781989）：广大物理教育工作者整理出版了已有的研究成果，为一线教师提供了丰富的实验素材，满足了基础教育阶段物理课程的教学需要。这一个阶段的研究成果有：安忠、刘炳昇主编的中学物理实验教学研究、教育部（原国家教育委员会）教学仪器研究所组织人员编写的初高中物
4、理实验教学系列著作（初中物理学生实验、初中物理演示实验、初中物理自制教育、高中物理学生实验、高中物理演示实验）以及王兴乃的三大本高中物理实验大全。这些书籍不仅系统梳理了中学物理实验的已有研究成果，并且对这些成果进行了高度的总结。这些书籍解决了当时物理教学的需要，成为物理实验教学的里程碑，为物理实验教学的改革和发展奠定了基础。二、我国物理实验教学研究的现状第二阶段（19901999）：我国物理实验教育工作者针对中学物理教学实际，开始了本土化研究，对实验的原理进行细致的分析。这一阶段的成果包括陶洪主编的物理实验论、罗星凯的中学物理疑难实验研究、李春密等主编的中学物理教学法实验研究等著作。这些研究从
5、理论上深入地分析了物理实验的作用和功能，从更深层次剖析实验，解决了中学物理教师在教学中遇到的实际问题，起到立竿见影的效果。在这一时期，我国物理实验工作者在教学实际中，发挥聪明才智，针对原有验证性实验不足的问题提出了探索性实验、开放性实验、设计性实验。在演示实验、学生实验、课外实验，并在此基础上进一步提出了边教边实验的方法（或称为边学边实验）。第三阶段（2000年至今）：我国开始了新一轮基础教育课程改革，我国的物理实验教学研究开始与国际接轨，探究式教学引入到物理教学中，实验教学与其融合在一起。实验教学与前概念、建构主义学习方式、概念转变联系在一起。在这一阶段，刘炳昇主编了中学物理实验与自制教育、
6、撰著了继承与创新初中物理新课程建设的理论与实践研究，广大物理教育研究者和一线教师也发表了大量的实验研究论文。2、我国实验教学研究的优点和存在的不足优 点 在实践中探索出多种实验类型 对实验教学功能进行了翔实的研究研究内容从笼统到具体 文章类型从经验总结到理论研究 不 足 之 处实验教学策略缺乏细致的研究忽视对学生学习、教学效果的研究教师专业化发展研究不足中外实验研究交流缺乏三、国外实验教学效果研究 在建构主义理论的影响下，从上世纪70年代末、八十年代 初开始，国外研究逐渐显示实验的教学效果与教育功能之间 存在一定的差距，由此引发了科学教育界对实验教育功能与实验教学效果之间的不匹配、及其产生原因
7、和对策的研究， 这一研究主题成为30年来实验研究的热点问题。这一浪潮对实验教学和实验教学研究产生了重要影响。当 然，这一波浪潮的目的并不是动摇或削弱实验的地位和作用 ，更不是把实验从科学教育中清理出去，而是为了重新评估 实验的教学功能，找出影响实验效果的因素，为提高实验教 学效果献计献策。自从科学教育进入学校以来，对实验教学就存在着两种对立的观点。一种观点认为实验是科学教育中理所当然的事情，实验对于科学教育就象厨具对于厨房一样是不可置疑的。另一种观点认为“花那么多的时间、人力和物力用在实验上值吗？” 从上世纪七十年代开始，对学生认知结构的研究不断揭示了学生前概念的顽固性和科学教育效率低下这一现
8、实。在这一大背景下，从七十年代末、八十年代初人们开始对实验教学效果、对实验的教育功能提出质疑。题目研究内容结论建议或对策科学教学中实 验的功能：研 究中所忽略的 方面（1982）对有关实 验功能的 研究进行 总结和评 述在教学中，虽然实验对实现多 方面的目标起着重要的作用， 但是由此断定实验对实现所有 的目标都是高效的是不合理的 ；实验的功能几乎与科学课程 的目标一致，实验能实现科学 课程的所有目标，实验好象是 万能的。应该根据实验的具体贡 献来界定实验的功能。演示实验对学 生理解大气压 的影响（1994 ）演示实验 对小学五 年级学生 理解大气 压的影响 。观察实验和课堂活动并没有对 学生的
9、理解产生很大的影响， 有三分之一的学生仍然用自己 以往的知识和经验解释实验现 象，演示实验反而强化了他们 原有的认知。有多个实验演示时，选 取的实验应围绕一个主 题；应该避免让学生看 到无关的变量；所有的 学生都能清楚观察到实 验现象；不能为了实验 而实验，实验应该对学 生的认知有检验作用。有代表性的研究： 题目研究内容结论建议或对策把实验作为 科学方法： 三十年的混 乱和扭曲（ 1996）分析从上世 纪60到90年 代，在发现 学习、程序 导向学习（ process - led）和个人 建构学习中 ，实验在各 种教学中的 实质在发现学习、程序导向学习（ process -led）和个人建构学
10、习 中，实验是对科学探究的歪曲； 科学研究不存在适合于任何情况 的方法、规则或步骤。做科学（doing science ）能实现 科学教育的学习科 学（learning science）、了解 科学（learning about science） 和做科学（doing science）的目标 。演示实验达 不到教学目 标的原因是 什么？物理 学习中的社 会活动观（ 1997）探索演示实 验达不到目 标的原因原因是：学生不拥有从“噪音” 中筛选出教师所发信号的理论知 识；物理课程中其它概念的干扰 ；表面相似的其它物理现象的干 扰；与实验有关的知识评价少； 学生不能把实验所给的分散信息 联系起来；
11、学生缺少机会评价自 己对实验的描述和解释。讨论实验设计、做 实验、解释现象、 建立新概念等所有 活动都应该是社会 活动，是师生共同 讨论的结果。题目研究内容结论建议或对策实验的教学意 图是什么？学 生能从实验中 学到东西吗？ （2000）在实验教 学中学生 是否意识 到教师的 意图实验教学目标是实验活动所要 达到的结果，实验意图是实验 活动安排的原因。当学生了解 到教师安排实验活动的意图时 ，在认知和情感方面将到达预 期的目标。教师在把实验目标告 诉学生的同时，也应 该把实验意图清晰地 告诉他们。 演示实验：是 教学工具还是 娱乐之物？（ 2004）验证演示 实验的效 果，探讨 预测、讨 论对
12、演示 实验的作 用被动观察实验并不比没有观察 教学效果好，预测和讨论能提 高演示实验的教学效果预测和讨论能提高演 示实验的教学效果。题目研究内容结论建议或对策科学教育中的 实验教学：21 世纪的基础（ 2004）对从1982 年到2002 年20年间 的实验研 究进行总 结和评述 “菜谱式”的实验教学材料导 致学生机械的操作；忽视学生 的实践知识和能力的考核；教 学人员和教学管理人员对合格 的实验活动标准不了解；教师 缺乏与探究相适应的实验资源 。实验在促进学生科学 学习方面具有潜力； 要使学生不仅动手， 而且动脑，教师需要 有知识、技能和资源 方面的保证；学生的 行为和感受受教师的 期盼、评
13、价和教学资 源导向的影响；教师 要有能力了解学生在 实验中的表现。实验活动真的 有用吗？科学 教育中实验活 动效果的研究 （2008）了解实验 教学在操 作领域和 思维领域 的效果实验教学对学生操作实物有效 ，而对用所学知识指导实验等 “操作”观念的效果不好；研 究还为评价和探讨实验的效果 提供了一实用模型。无论多么仔细地指导 ，理论不会从观察中 浮现出来。教师只要 认识到这一点，实验 的教学效果将会提高 。 从上面的代表性研究可以看出，研究人员大多来自美国、澳大利亚、加拿大、以色列、英国等科学教育研究较发达的国家。研究方法有教学实验、课堂观察、师生访谈、文献综述和思辩研究等。在这些研究中，除
14、了一篇研究认为实验对学生的学习有积极作用外，其余的观点或研究的基础都是实验的功能与教学效果不匹配。具体的表现是：学生不能观察到教师想让学生观察的现象；演示实验反而强化了学生原有的错误认知；在实验中，学生按照“菜谱式”的实验步骤，寻找答案；学生在实验活动时只操作仪器，而没有“操作”思维等等。对我们的启示： （1）国外实验教育功能与教学效果之间存在差距，在我国也应该 具有同样类似的现象。 （2）在我国，对实验制作和改进等硬件方面的研究较多，而对实 验的教学和教学过程等软件方面的研究却不多。 （3）国外的实验研究浪潮告诉我们应该关注实验教学的细节，不 仅关注教师的教，而且更应该关注学生的学，把这些细
15、节放大，从中 勘察学生实验学习的特点及其影响学习的因素。 例如：在演示实验教学中，教师的教学目标是什么？教师计划如何 实现这些目标？在教学时教师实际行为是怎样的？学生的学习活动与 教师的教学设计有何差别？学生的学习结果与教师的预期有何差别？ 哪些因素影响实验教学效果？如何提高实验的教学效果？教师和学生 的实验观现状是什么？哪些因素影响教师和学生实验观？等等。（4）针对学生的前概念设计和选择实验及其教学方式学生不是空着脑袋走进教室，等待教师向里面“灌”知识；学 生也不是白板，等待教师在上面刻画知识的痕迹；学生是自主建 构的主体，在走进教室之前，他们已经形成了个人自洽的日常概 念体系。在课堂上，只
16、有当学生的日常知识与所教的科学知识发 生对话时，学生的日常概念才可能向科学概念转变；只有当学生 与同伴之间相互交流时，学生才可能体会科学的本质。因此如何 利用实验创设这样的教学情景是需要研究的问题。首先，根据学生前概念设计和选择有针对性的实验。其次，利用有效的教学策略实现概念转变。再如，通过讨论，既可以使学生对实验的描述和解释得到反馈 ，与同伴的观点相互比较，又可以使学生所学的内容与原先的知 识、日常经验相联系。 （5）培养胜任实验教学的教师国外研究显示教学人员不能完全胜任实验教学也是导致实验教育功能和实验教学效果不匹配的原因之一，这就为教师的培训提出了新的挑战。常规的教师培训，特别是教师的职前培训主要是熟悉实验器材硬件方面的内容。单有这些还不够，在以后的教学中，除了训练师范生对仪器的熟悉和操作能力外，还应培养他们的有效实验教学能力、实验教学评价能力和开发适合学生认知发展的实验资源的能力。四、实验研究的基本方法（一）实验研究的一般方法1、明确实验的目的、内容和要求；2、认真研究实验原理；3
