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【校本研修成果】+张永峰+市直 实验高中

趣味实验对物理课堂教学的有效性研究

【摘要】本文通过总结教学过程中的资料，参考网络上一些有价值的物理趣味实验，将趣味实验与高中物理教学紧密联系，得到一套适合高中学生特点，适合校情的一套教学资料。将实验的趣味性、实用性、安全性、可操作性，紧密结合教学实际。丰富和拓展演示试验和学生试验，结合教材与课程实验，拓展实验是手段，创意与创新是目的。参考和筛选国内外最新的趣味物理实验，进行可操作性和我们能够做得到的生活化器材，进行改造和探究，能简单化的随时走进课堂，贴近学生。充分发动学生，依靠集体力量开发或借助现有器材和生活材料进行实验组装。借助玩具器材进行有效改造。开发出一系列物理趣味实验，坚持方便、实效、安全、新颖等特色，形成有特色的实验方法或器材，增强物理课堂的趣味性从而提高学生学习积极性。

【关键词】   物理实验   趣味    有效性    课堂教学

随着新课程全面实施，新课程理念指导着课堂教学发生着巨大的变化。中学物理实验作为物理教学的一种重要手段，作为学生自主学习、科学探究的重要载体，在教学中发挥着举足轻重的作用。合作探究性的学习方式，强调学生运用所学知识和技能亲自探索“新”规律、发现“新”现象。而以往的实验课教学过程中，教师生怕学生听不懂，或者担心学生在操作过程中会出现这样或那样的错误，于是教师从实验原理、步骤、注意事项，甚至连实验结果都面面俱到地讲解，然后由学生按部就班地操作，做实验流于形式，从而失去了实验教学的意义。高中物理课程标准的出台首次提出了“科学探究”这个术语，新的课程标准从科学本质和科学素养的高度论述了加强科学探究的意义及其培养科学探究意识和能力的内涵，使我们对加强物理实验教学有更深的理解和明确的方向。科学探究进入课堂并改变着学生的学习方式，课堂上学生的主动性有所加强,过去普遍被忽略的实验得到重视，科学探究在实验中可以得到更好的体现。抓好了物理实验教学，基本上就使加强科学探究落到实处。因此对于探究性实验教学的研究就显得尤为重要了。

一、高中物理实验教学状况的调查与分析

1.学生对实验课的收获和对实验课重要性的认识

新课程实施后，学生认为物理实验学习的最大收获是提高了个人问题解决能力和探索新事物的欲望的比例增加了，相比之下，认为“物理实验就是验证所学知识”的同学减少了，这表明新课程理念不断深入人心。

2.学生对实验的兴趣的认识

新课程实施后，不喜欢物理实验的学生比以前减少了，绝大多数的学生喜欢物理实验。

3.学生对实验的教学方式和资源开发的看法

新课程实施前学生希望“做实验前教师少讲，实验中学生多做”的多，新课程实施后这一比例降低了；更多学生开始希望在实验前老师能够详细地讲解实验原理、实验步骤和实验注意事项。

二、新时期新形势下的高中生期待的实验教学

物理课程标准的理念改变了物理实验教学的目标、性质和模式,从单纯为了学习知识验证理论及学习操作技能,转变为以全面地培养学生科学素养为目标的课程,实验教学对于实现“知识与技能”、过程与方法、情感态度与价值观“三维教学目标有独到作用。下面是我们课题组对调查的数据的分析：

1.关于学生对目前物理实验的喜欢程度,实施探究式实验教学后比实施前比例高。

我们认为：这是新新的探究式实验教学方式增强了学生的自主性和探索性所引起的,调动了学生实验探索的积极性。

2.关于最不受学生欢迎的实验,大部分学生最不喜欢事先知道实验结果的实验和实验现象不容易观察到的实验。

我们认为：这一比例高说明学生更加希望自主地学习,他们不愿被动地接受现成的实验,而验能够发挥他们的主观能动性,满足他们自主学习的愿望和他们的好奇心。但同时也可看出相当一部分高中生在做实验的过程中缺乏耐心,意志力不强。

3.关于学生对将来物理实验的期望这一问题,学生对物理实验要与实际生活相联系的呼声很高,并且学生对探索性实验和能自己动手进行设计、制作的实验也表现出了相当的热情。

我们认为：学生已不满足于那些脱离实际和主动性受到限制的实验,希望物理实验课有所改变,改变的方向是贴近实际生活,与时代保持同步,同时能激发学生的探索欲望和满足其好奇心。

4.调查中发现大多数学生认为做实验前教师尽可能简短地讲一些重要事项,大部分内容让学生自己去思考并完成,更乐于运用自主探究式教学。

我们认为：高中生的独立意识已经相当强了,他们中的大多数人希望做实验时能够按照自己的想法去做,不希望教师过多的关照他们。在实验教学上学生亟需自主性和探究性。

我们觉得过去中学物理实验教学的基本原则没有得到充分的体现,从教学内容到教学方式没有给学生留出足够的发展空间.而现在新课程已经实施,这种教师讲什么学生照着做什么的实验教学模式已经不适合了,学生也希望实验多点自主多点探究,中学物理实验教学应走出原有的误区,汲取新课程理念,进行大胆的改革和尝试。

三、物理实验在新课程中有如下特点

物理实验在物理教学中占有重要的地位,它既是物理教学的基础,也是物理教学的内容、方法、手段,在新课程标准的物理教学中倡导学生自主学习、研究性学习,加强科学探究,《课程标准》对科学探究及物理实验能力的要求,说明实验在物理教学中的地位不但没有削弱,还大大加强了,因为实验既能为学生的自主学习、科学探究打下基础,又能为学生的自主学习、科学探究提供物质的保证,在学生智能结构的发展中占有重要的地位。物理实验是一项动手、动脑的创造性活动，物理实验教学应把实验理论教学、实验能力培养和学生创新意识的培养结合起来，以此来促进学生科学素养的不断提高。接下来我们认真分析了新课程对实验教学的要求和新课程下物理实验的特点。

1．实验与其他教学内容紧密结合,不再规定“必做”实验。凡是《课程标准》要求“通过实验”教学的内容都安排了实验;将原来实验中的演示实验和学生实验融合在内容标准之中,使它们成为有机的整体,不再单独列出。

2．实验内容明显增多,有示范性实验、探究性实验、演示实验、分组实验、“做一做”小实验,另外还设计了以实验为背景的“问题与练习”、“课题研究”栏目,而且学生分组实验和探究性实验完全安排在课堂教学中进行,进一步确立了物理知识体系与实验的依赖关系,凸显实验教学的重要,真正做到还给学生实验探索空间,由静态变为动态,由独立变为合作,由观察者变为探索者,由单纯动脑变为手脑并用,调动学生实验的积极性。

3．新教材没有对实验的具体做法，使用的器材等做硬性的规定,这样便于因地制宜开展实验教学,便于提出不同实验方法,有利于实验设计,使师生更注重实验的科学思想,而不是记忆实验器材、步骤等条文,不过分强调实验数据的精确和操作技能,而是更注重实验设计,因为实验设计的思想更能提高学生的心智技能。

四、我们对高中物理探究式实验教学进行了构想和实施

建构主义提倡在教师指导下的以学习者为中心的学习,教师要为学生创设良好的学习情境,提供多样化的信息来源,学生应该认识到自己拥有解决问题的自主权,通过独立探究、合作学习等方式,努力使自己成为知识的积极建构者,逐步提高自控能力,学会自主学习。可见，这种理论对于新课程下的实验教学具有实际的合乎实验教学特点的指导意义。

《物理课程标准(实验)》认为：科学探究是一种学习方式,是学习目标,也是学习内容;教学中对学生探究行为的设计是提高探究能力的关键,如要提高制定计划和设计实验的能力,就要让学生去优选实验方法,去选择实验器材,去分析和控制变量,去评价现有的方案;科学探究的行为应渗透在整个物理教学中;学生的自主探究和教师的合理指导相结合,学生在科学探究中需要有自主性。

1.初步构想

高中物理自主探究实验教学模式以促进学生的“知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观”为根本目的,以自主学习理论、探究教学理论为基本依据,在教师的引导下, 创设实验问题情境,激发学生提出问题,让学生运用已有的知识和技能,充当新知识的探索者和发现者的角色,通过自主设计实验方案,自己摸索操作方法,自主拟定实验步骤,自行探究实验结论,并通过评价与交流,促进学生知识、能力与态度的和谐发展，这是一种以自主学习为核心,以探究为主线的实验教学模式。我们课题组构想的高中物理探究式实验教学过程为通过自己的实验（含收集资料数据、分析思考等）找到答案的一种实验方法。它采用的一般程序是：发现问题→提出假设→设计实验→实验操作→记录分析结果→总结归纳结论。

2.设计教学方案

我们课题组的老师在此构想的指导下对试验班级进行试验我们在教学时以合作探究性的学习方式为指导，采用如下过程进行设计：

该实验教学的过程设计，我们以高中物理学生实验“描绘小灯泡的伏安特性曲线”为案例进行详细描述。在这个实验的教学准备中，认真分析了这个学生实验，有如下一些特点。

该实验是联系初高中电学实验的纽带，学生在初中用伏安法测小灯泡的电阻已做过学生实验，有了一定的基础。为学生的自主预习提供了条件。　　

该实验又为高中后面的电学实验如测定金属电阻率、把电流表改装成电压表、测定电源电动势和内阻等提供了基础，是学生在高中阶段必须彻底弄清楚原理的一个实验。

根据以上特点并结合教学实际和学生实际进行操作过程设计。　　

（1）学生分组：将全班学生分成多个合作组。在学生自愿组合的基础上进行微调，合作组间可一起分享所获得数据，但写实验报告是要求各人一份。　

（2）问题提出：在学生预习了实验之后，提出如下一些典型的问题。

问题一：要描绘出小灯泡的伏安特性曲线，必须测出小灯泡的哪些电学参量？

问题二：要测小灯泡两端的电压和流过小灯泡的电流，应采用怎样的电路图？

问题三：电流表应采用内接法还是外接法？滑动变阻器采用分压式接法还是限流式接法？

问题四：实验需记录几组数据，数据如何进行处理等。　

（3）查阅资料，提出假设：以合作组为单位，让合作组成员将自己所收集的信息及自己的理解进行分享和交流，开展研讨，引导学生各抒己见，提出假设，以便寻求正确的答案，为做好实验作充分的准备。　　

（4）学生实验方案设计：教师可以精讲实验原理，引导学生自己设计实验，并动手画出电路图。讨论他们的设计是否合理，如不合理，再加以修正。　

（5）实际实验过程：合作组成员间采用互动式场景对话，鼓励实验课堂上的交流与讨论。

场景一：熟悉器材,说明各部分的用途——进一步明确实验原理。

场景二：连接电路,说明其操作方法——讨论注意事项。如部分学生按电路图连接完全正确后，合上电键发现两表均有读数，可是小灯泡不亮，学生就认为是小灯泡坏了。此时，教师可以适当进行点拨：当流过小灯泡的电流很小时，根据焦耳定律可知，灯丝发出的热量还不能使它的温度上升得足够高，从而灯不亮。

场景三：提示学生,观察实验现象——记录并处理数据。这一阶段，学生之间互相配合，了解电表的读数规则并通过改变滑动变阻器滑片位置记录数据。　

（6）小组汇报交流　　实验完成之后，引导小组先组内讨论总结，并让各个小组派代表发言，阐述自己小组的实验结果和误差分析。同时，针对部分合作组中出现的故障原因进行探究分析。　

（7）总结、撰写实验报告　　由于每个学生在各个程序中充分参与、思考，均有发言和总结的机会，并且每个同学的记录、总结的着眼点不一样，学生在完成实验报告时就有自己的观点，从而能有效避免实验报告的雷同和抄袭，提高了实验教学质量。

3.分析小结

我们课题组的老师在此构想的指导下对试验班级进行教学试验，发现教师的指导作用尤为重要,强调以教师为主导,以学生为主体,发挥学生的自主性,注重探究的过程与亲身实践,这样教师的指导和学生的自主性之间就构成了一对矛盾：学生要有自主性,教师就不宜过多指导;但教师不指导,探究有时就很难进展下去。解决这一矛盾的方法就是具体分析和规划实验的过程目标。对于具体的实验,学生应该在哪个要素上下功夫,或者说,教师事先设计需要强化的要素上。不同的实验分别突出了不同的要素,学生所得到的是探究的本质和能力。

4.螺旋上升

课题组老师在进行反复试验的基础逐步完善高中物理自主探究实验教学模式的各个环节。举例来说：

（1）案例一、探究求合力的方法

先由本课题组王老师设计本节课如下：

由橡皮筋伸长到同样的位置，说明力F 等于F₁和F₂的合力。

再说明实验的目的：我们需要研究的是：合力F与分力F₁、F₂有什么关系？

探究时要注意下面几个问题。

问题（一）：几个力的方向是沿着拉线方向的，因此要把拉线的方向描在木板的白纸上。

问题（二）：几个力的大小由所挂砝码决定，用力的图示法在纸上画出表示几个力的箭头。

问题（三）：怎样表述合力的大小、方向与分力的大小、方向的关系？

建议用虚线把合力的箭头端分别与两个分力的箭头端连接，也许能够得到启示。

问题（四）：得出你的结论后，改变F₁和F₂的大小和方向，重做上述实验，看看结论是否相同。

本课题组老师集体对该案例进行评价和修改完善，教材改变了验证平行四边形法则的模式，采用了探究求合力的方法——由实验归纳得到平行四边形法则。教材改变了“教学生做实验”的传统写法，给学生较多独立思考的空间，但又不失用灵活的形式给学生必要的提示和指导。老师们提出如下问题：

问题（一）：是否是把“验证”变为“归纳”就是探究？

问题（二）：猜想和假设是科学探究的关键要素，它与胡猜乱想有什么区别？

问题（三）：科学的猜想和假设需要经验或（和）一定的理论依据，经过一定的逻辑思维或想象推理，才能形成一定的假设。

实验的技术方案需要综合考虑探究的可行性、误差影响、技能训练等因素，力求选择优化的方案。

让学生做出平行四边形的猜想，有些困难。学生既缺少经验，也没有可供思考的理论依据。

作为学生实验，力的大小只能以一个砝码为单位跃变式的选择，力的方向通过改变滑轮位置来改变，实际操作比较困难。

课题组老师集思广益对该方案提出修改建议

建议（一）、教师演示：用3、4个砝码牵引橡皮筋，求两分力成直角时的合力。

建议（二）、学生猜想：合力和分力可能有什么关系？

建议（三）、学生实验：用两个弹簧测力计拉伸橡皮筋，验证你的猜想。

改变后的方案的特点

教师先无意的示范操作演示一种特殊情况（看似无意实则精心筛选的一种特殊情况），实验难度降低，通过它说明力的合成的概念；演示实验只给出了一种特殊情况下的信息，它为学生提供猜想的依据，而不是实验的结论；选用一种有较大尝试空间且操作难度较小的实验方案，让学生动手，验证自己提出的猜想。

（2）案例二、探究影响滑动摩擦力的因素

①选择和评价可控变量

初中物理中的内容及要求：

发散性地猜想：滑动摩擦力的大小可能与哪些因素有关？教材给出某些猜想。

控制变量，进行实验：匀速拉动木块，读出测力计的读数。分析实验数据，得出定性的结论。

如何在初中的基础上深化？借用初中实验得到的数据完全可以直接归纳出滑动摩擦力与压力成正比的结论。然后得出表达式，引入并阐明动摩擦因数的概念。是否仅此而已？

在形成“猜想与假设”上下功夫讨论：在提出猜想和假设的过程中，我们是怎样思考的？

为什么我们会提出滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度有关？——经验。

为什么会提出与压力有关？——经验。

②大胆质疑：

猜想：滑动摩擦力发生于有相对运动的两物体接触面间的一种作用力，压力作用效果与压强有关，能否认为滑动摩擦力的大小与压强有关？

猜想：我认为：滑动摩擦力的大小应当与接触面积大小有关，例如滑冰运动员鞋底装上冰刀后摩擦力减小了，为什么初中说与接触面积大小无关呢？

一种思考过程从个别到一般的思考：由经验我们可能得到，压强越大，滑动摩擦力越大。但不能说明滑动摩擦力与面积有关。

另一种思考过程由经验我们可能得到压强相同，但滑动摩擦力大小不同。说明不能由压强来决定滑动摩擦力的大小。

由两例可以说明：压力越大，滑动摩擦力越大。

教师进行方法点拨：当我们做出某种猜想时，可以提出可能与许多因素有关，这些因素彼此间应当是相互独立的，

例如，我们提出滑动摩擦力与压强和面积有关，压强与面积不是独立变量，而压力和面积就是独立的变量。

又如，闭合电路的路端电压与哪些因素有关，可以提出：电流，内电压，电动势，外电阻，内电阻等，应当审视哪些之间是独立的变量，哪些是自控的变量，从而提练出合理而可探究的猜想和假设。

③实验检验假设

滑动摩擦力的大小与接触面间的压力有关，并探究其关系。

5.分析总结结论

在课题组老师的反复试验的基础上我们逐步完善高中物理自主探究实验教学模式，将该模式流程总结如下：

情景设问激趣→→→自主猜想讨论→→→自主探究设计→→→自主选择方案→→→自主实验探究→→→自主意义建构讨论交流→→→优化意义建构引导探究→→→总结评价体验迁移拓展。

探究形式有互动探究、局部探究、合作探究、自由探究、定向探究和完整探究,自主的实质是内在地或自我驱动地选择、参与学习。首先教师要创设实验问题情境,激发学生兴趣、动力,设定教学目标和要求。然后实验方案学生可以自主选择,也可以独自创立制定新的实验方案,自主拟定实验步骤,自行选用实验器材,自己摸索操作方法,自行探求实验结论,自己撰写实验研究报告。如果可以,学生实验不再分组,每人独立地完成每个实验,每个同学都有动手的机会,真正使学生从实验中找出学习物理的兴趣,从实验中找出实验的方法与实验步骤,学会如何设计实验和改进实验,使学生养成用实验探究物理规律的良好习惯,使学生从局部自主，部分自主向完全自主过渡。自主探究实验教学模式并不是固定、刻板的模式,在实验教学中能体现自主性和探究性就符合这个模式。

本课题组老师将该成果推广应用于我校课改年级各班的物理实验教学中，均取得了理想的教学成绩。

五、自制仪器展示

展示一：

                   自制仪器——电磁波的发射与接收

 在实际教学中，我发现在讲授高中物理选修3-4第十四章第三节：“电磁波的发射与接收”一课时，由于教材内容编排较为专业抽象，且实验室中的仪器相对较为复杂，致使学生在理解上受到很大的影响。因此在参考相关知识后，我本着“取材简单，现象明了”的指导思想，自制了一套电磁波的发射与接受的仪器。

所选器件为：

①:木架，②:放电叉（或一端削尖的金属条）（2个），③:带短导线鳄鱼夹（两个），④:带双鳄鱼夹导线（2条），⑤:氖管，⑥:电子感应圈，⑦；遮光板。

装置及原理介绍如下：

按照上图连接各仪器，当电子感应圈接通电源后，选择适当的档位，可以观察到两个放电叉的金属球之间不停的有火花跳跃，此时两金属球向外发射电磁波。同时可以观察到下方氖管发光，说明氖管通过带短导线的鳄鱼夹接受到了电磁波。实验现象明显，整个教室的学生都可以看到氖管的发光。（如果在木架的后面放一块黑色遮光板，效果更加明显）

实验现象如下图所示：

展示二：

自制仪器——教学用气火箭

    在进行高中物理《牛顿第三定律》及《反冲运动  火箭》的教学时，如果能现场模拟演示火箭的发射过程，将会对学生的学习效果起到很大的促进作用。但现实中更常见的是水火箭，虽然效果明显，但是由于取材原因，不可能在教室随堂演示，针对这些弊端，我将水火箭改为气火箭，可以将器材拿到教室随堂演示，操作安全便捷，效果极具震撼力。

所需器材为：

①:大可乐瓶，②:橡胶塞，③:自行车气嘴，④:硬橡胶管，⑤:风筝线（10米左右），⑥:短木棒（2根），⑦:缓冲垫，⑧:打气筒。

组装如下图所示：

    按上图连接各仪器，在演示时，可让两学生站在教室过道的前后，将细绳置于过道的上方，双手握棒置于胸前（如下图所示），将橡胶塞塞入瓶口，使松紧度适当（塞得越紧，威力越大），连接打气筒打气，当瓶塞被瓶内气压顶出时，会出现“嘣”的一声响，可乐瓶沿绳快速射出，其有效发射距离在20米左右（取决于橡胶塞的松紧程度），实验效果明显，易操作。操作中需要注意的是：1、如果是在教室操作，橡胶塞不宜塞的过紧；2、不要让学生太靠近绳子周围。

实验方位如下图所示：

展示三：

《针对“探究摩擦力与哪些因素有关”的创新实验 》

针对教材中采用推箱子的实验引入，趣味性不足，静摩擦力和滑动摩擦力都是纯理论分析，缺少直观的实验。 我自制了三个“探究摩擦力与哪些因素有关”的创新实验，分别用于引入，定量分析，引发学生思考。

引入实验，银猴翻身

为了吸引学生的注意力，激发学生的探究欲望。我制作了一个引入实验，银猴翻身，让装有钢球的纸筒从斜槽中滑下，换铺有砂纸的线槽，再做一次，纸筒将会翻滚下来，现象如此神奇，它的原理就是纸筒下端与纱布摩擦，上端由于惯性进行翻滚，翻滚后钢珠又到纸筒下端，于是纸筒不停翻滚下来。该实验用常见的线槽制做银猴翻身的实验，激发学生动手的兴趣。

图片如下：

课题研究存在的主要问题及今后的设想

探究式实验教学是当今物理教学改革中极为推崇的一种课堂教学模式。课堂教学中应用这一模式进行教学一定要注意避免：创设情境激发学生兴趣不够，研究目标不明确，放任自流。

同时教师还要注意是否是把“验证”变为“归纳”就是探究呢？猜想和假设是科学探究的关键要素，它与胡猜乱想有什么区别？

在备课上要围绕的问题，不仅要考虑好探究目标、过程和方法，而且要设计丰富多彩的实验来实现知识的应用和升华。在上课时，要善于诱导、启发学生进行实验来实现探究的过程，摒弃空洞的说教来传授知识。物理教学离开了实验探究将是无源之水，无本之木。对于一些难以说清道明的概念和规律，往往是千言万语说不清，一看实验便分明。围绕目标设计新颖实验难度较大，我想只要物理老师注意观察生活，扩大视野，注意收集，是可以很好地做到的。

在物理实验的教学改革实施中，我们还将面临着许多新的问题，还需要在今后的工作中进一步的研究与探索，我们将在不断的反思中，不断地改进、不断地总结经验，使物理实验的教学改革工作不断地深入，不断地完善。

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