1、第三章 开发物理实验的 教学功能,第一节 挖掘兴趣因素激发学习动机,培养学生学习物理的兴趣、激发学习的动机是物理教学中的一个重要目标，无论在实施课堂演示实验、指导学生分组实验，还是组织学生课外实验中，都应当把它作为一项重要的指导思想和教学原则。,一、物理实验中的三种兴趣,中学生学习兴趣的发展水平大致分为四种：直觉兴趣、操作兴趣、探索兴趣和理论兴趣。 涉及到物理实验教学中的兴趣，通常分为三种：直觉兴趣，操作兴趣和探索兴趣，其中探索兴趣主要是探索物理事物变化的因果关系和应用理论解决实践问题的兴趣。,1、直觉兴趣,引起学生直觉兴趣的重要因素是新奇和生动的物理现象。,例如：在绝缘台的金属盘上罩上一只金
2、属网，网中放一只小鸟（如图所示），当静电高压起电机起电时，放电球和金属网之间出现明显的闪电和放电声响，而小鸟安然无恙。,直觉兴趣是一种外部的感性兴趣，是较低层的兴趣，有待于向较高层次兴趣转化，但它对物理学习有非常积极的作用，而且它是一种普遍的兴趣，存在于绝大多数学生中。如果忽视这种作用，学生理性的兴趣难以产生，甚至可能使学生丧失对物理学习的兴趣。,2、操作兴趣,在物理学习中，学生常常不满足于只是观察生动的物理现象，还希望通过自己的活动对过程施加影响，亲自动手操作，进行物理实验。这种要求参与和动手操作的兴趣，是学生兴趣发展的必然。教师应当创造条件满足学生的这种要求。,操作能力是实践能力的重要组成
3、部分，每一个学生都应当有一定的操作素养（包括兴趣和能力）。操作的兴趣需要在活动中培养。学生实验和课外实验是培养学生操作兴趣的重要途径。,3、探索兴趣,探索兴趣是一种理论与实践结合的兴趣，它关注于认识事物之间的因果关系和本质联系。这种兴趣不仅能成为学生学习物理的内在动力，而且能成为促进学生能力发展的重要因素。,目前的物理教学中，提供给学生的实验多为理论验证的实验，实验步骤现成，实验结论已知，实验方案唯一，这极不利于培养学生的探索兴趣和创新能力。因此，加强探索性、设计性实验的研究（当然并不排斥验证性实验），是物理教学改革中的重要任务。,二、实验教学中的 兴趣因素的挖掘,1、巧妙地创设奇境,物理教学
4、的实践证明：采用新颖的、奇特的、生动的、惊险的和富有悬念的实验有利于学生萌发热爱物理学的情感，产生旺盛的求知欲。 所以，许多理解学生心理的教师都喜欢在序言课上和新课引入阶段做一些生动的实验。 例如：“覆杯实验”、沸水中的金鱼实验、光的色散现象等,2、巧妙地设置陷阱,应用生动的实验能够唤起学生的无意注意，但更为重要的是，要依靠所创设的实验情景将学生的无意注意转化为有意注意。要以趣导学，不能为趣而趣。 课堂上形成无指向的热烈气氛，如不及时引导，就可能成为一种对学习的干扰。它将会分散学生的有意注意。 激发认知冲突，这是保持学生有意注意、激励学习动机最有效的途径。,3、巧妙地应用变式,在物理教学中，一
5、些教师常常喜欢运用正面强化的方式，对学生给予明确的、强烈的、反复的刺激，但在许多情况下并不能取得好的效果。 因此教师还应善于运用变式，展开多变化的教学，给学生提供变化的饿刺激方式，引起学生的积极思维，达到以奇激趣的目的。,例：教师在说明振动产生的条件必须有回复力的作用，演示了一个“特殊的弹簧振子”的实验。,4、巧妙地组织活动,学生兴趣和能力的形成和发展离不开学生的主动参与，因此真正体现以学生为主体，就必须努力创设学生自主活动的情境，并巧妙地组织和引导，使学生能在活动中培养创新的精神和能力。,例如: 敲击可以发出声音“吹气”可以发出声音爆炸可以发出声音摩擦可以发出声音,从上述过程可以看到，学生的
6、活动贯穿于始终，教师作为一名参与者和诱导者，不去束缚学生的思维和活动，因此学生的积极性得到充分地调动。学生通过相互间创造思维的撞击，以及实践中的意外发现，得到的收获远比最后的知识结论要多得多。,肥皂液的配置,在做肥皂膜的有关实验时，肥皂液的配置是一个技术关键。 配方:按液体体积，取洗洁精（最好是非彩色的）1份，水1份，甘油0.5份，待肥皂液均匀且除去气泡后，用一只圆形的金属框架进入到肥皂液中，再缓缓地将金属框架从肥皂液中拖出，使框架平面呈竖直状态，观察框架上肥皂膜的情况和到达破裂的时间。,如果液膜上干涉的图样很不规则，维持不破的时间又较短，则多半是液膜过厚，肥皂液的浓度过大，此时可以再加一些水
7、。 如果很快出现干涉条纹，且条纹宽度变化迅速，肥皂膜能维持的时间不长，则溶液浓度过稀，可适当地再加如一些洗洁精。 逐次实验，直到液膜能维持较长的时间为止。配好的肥皂液膜可以维持十多分钟甚至半小时不破。 如果吹肥皂泡用，则加入的甘油可以少一些（大约为整个溶液的十分之一）,第二节 提高感知效果培养观察能力,实验的一个重要特点：必须通过观察获取信息，因此，在实验教学过程中，学生必然要经过感知阶段。 感知阶段的教学设计不仅对学生达到一定的认知目标，而且对培养学生的观察能力具有重要的作用。,感知阶段教学设计的任务是解决下述的问题：,观察的目的是什么？ 需要获取哪些信息？ 选择什么样的信息源和信息通道？
8、如何组织信息的传输和接受过程？ 如何使学生主动积极地通过观察实验活动获取信息，为思维加工作好准备？,提高感知效果和加强观察指导，是搞好感知阶段教学设计的两个重要课题。前者主要是针对优化实验而言，讨论如何更好地拓宽信息渠道，提高感知效果；后者主要是针对学生而言，研究如何加强对学生的观察指导，培养观察能力。,一、拓宽信息渠道提高感知效果,信息论的观点认为：观察是外部信息通过感官输送到大脑皮层，经过加工处理、感知外部世界的过程，它包含对信息的感知和加工阶段。,从心理过程来看：观察是一种有目的、有计划的知觉，是与积极思维相联系的。因此，拓宽信息渠道，运用感知规律，降低接受信息的不确定性和提高存储信息的
9、有序化程度是提高感知效果的前提。,在物理实验里，为达到提高感知效果的目标，可以采取如下措施：从信息源开始，力求作到“有声有色”，增强有用信息强度，降低背景噪声，使感知对象与背景之间有明显的对比；从接受端考虑，力求使学生以多种感官感知，以“有准备的头脑”进行积极地观察。,触觉的巧妙运用,巧妙地应用听觉下列表格给出几种不同的刺激的常数,人的听觉在对音高（音调）的刺激方式其灵敏度是很高的。它可以分辨原有频率的千分之三的差异。比起视觉长度的灵敏度要高得多。 例：建立加速运动的概念，让小车从斜面上滑下，通常是用视觉来感知小车的速度（如下图）。,选择最佳实验条件,应用计算机技术捕捉稍纵即逝的现象,二、加强
10、观察指导 培养观察能力,着重讨论演示实验教学中的观察指导问题。在演示方案确定以后，要想达到演示的目的，关键在于对学生的观察指导。同时，对演示的观察指导又是培养学生观察能力的一条重要途径。因此，加强观察指导具有重要的意义。,在这里，观察指导有两层含义：一是演示本身应能吸引学生的观察注意；二是教师在演示过程中及时指导，教给方法。,1、明确观察目的作好观察的思想准备,在进行演示实验之前，一定要让学生明确为什么要做这个实验，以及打算怎样进行，出示的仪器应当有所交待。问题是如何引导学会上积极思考，水到渠成，而不是硬灌给学生。通常有两种引导方法：一是在演示前，引导学生共同参与策划，完成实验的设计工作。二是
11、边演示边引导，使学生逐步地明确目的、思路和方法。,例如：研究液体内部的压强，首先让学生讨论要研究哪些问题，能否把研究液体对容器底部压强的“薄膜实验”迁移到液体内部来研究液体内向上的压强（如图）。,2、突出观察重点 排除无关因素的干扰,学生在观察演示实验时，常常被许多无关的现象所干扰，因此抓不住观察的重点，特别是那种稍纵既逝的现象。为突出观察的重点，演示的程序和引导的时机是很重要的。不到时机不出台，这是一条原则。,例如：1.“膨胀成雾”的实验2.阿基米德原理实验,3、前后对比，抓住因果关系,在演示实验中，要引导学生善于察觉条件的差异和产生结果差异的联系。应使他们了解哪些是自变因素，哪些是应变现象
12、，哪些是控制变量。并且在观察过程中不断地进行猜想。预示可能发生的变化。这样学生的观察和思维联系就十分紧密，以观察促进思维活动的展开，又以思维指导观察活动的进行。,例1：研究导体的电阻和哪些因素有 关，从日常生活中寻找原材料。例2：反电动势,4、同时对比，把握事物特征,前后对比的演示方法是按照现象变化的顺序逐步展开的。它能够使学生更好地把握过程发展的阶段特征，但需要不断回忆已经消逝了的现象。在比较复杂的过程中，可以变部分前后对比为同时对比，两种对比方法结合。,5、正反向对比，深化认识,在指导学生观察时，多采用一些正反向对比的方法，可以使学生加深理解，拓宽思路。,在指导学生观察时，多采用一些正反向
13、对比的方法，可以使学生加深理解，拓宽思路。,例如： 演示声音的产生，既演示有声，又演示无声； 演示空气有质量，既演示充气，又演示放气； 演示石蜡块的浮力消失现象，按照“浮不浮浮”的程序演示； 演示沸点与压强的关系，既演示增大气压，又演示减小气压等等。,微小形变的演示,1、设计的微妙处 2、椭圆截面的墨水瓶（如图所示）。,阿基米德原理实验的导入,第三节 突出本质因素建立科学图景,在物理教学过程中，无论是建立物理概念，认识物理事物规律，还是应用物理知识解决问题，一个极其重要的问题就是要突出现象和过程的物理本质，建立科学图景。可以说，这是学生实现认识第一次飞跃和第二次飞跃的关键。,一、减少干扰，突出
14、本质,1、排除干扰，删繁就简 实验为学生提供了许多信息，但不可避免地夹杂着一些干扰的信息，为了有利于学习者建立概念和规律，应当尽可能地减少干扰因素。 作为帮助学生形成概念和认识规律的演示实验，应当力求使实验装置简单、明了。,例1:浮力产生的原因 下图为五种演示的装置,例2:受迫振动与共振现象,2、多种手段，变小为大,在物理学习过程中常有这样的情况，本质的因素隐蔽着，不易被学生认识，这给学生学习带来困难。因此我们必须设法使本质的东西显现出来。 放大是使本质因素显示出来的一种途径，可以用直接放大和模拟放大的方法。 使微小的现象得以直接放大的方法有多种，如杠杆放大、螺旋放大、光放大、电放大,例3:真
15、空不能传声,例4 :摩擦力的方向,3、迂回显示，变暗为明,在一些演示实验中，为了向学生说明一个关键问题，但由于见不到相关的现象，或者现象十分隐蔽，或者稍纵即逝，因而给教学带来一定的困难。针对这一难题，采用一些间接的方法，可以找到克服困难的出路。,例5:声音是通过机械波的形式传播的例6:非弹性碰撞中的能量转化例7:模拟带电粒子在电场中偏转,二、逻辑引导，建立科学图景,实验的认知功能不仅提供了感性认识，而且贯穿于认识的过程，引导着思维的发生和发展。 因此在实验教学设计这一过程设计中，围绕实验的全过程的设计构思是十分重要的，而要搞好这一过程设计，就必须研究学生在学习时的思维活动，既要物理原理正确，又
16、要符合学生的认识规律。,例8:静电平衡时电荷分布在导体外表面 的演示,三、参与探索过程，学习科学方法,实验教学中要使学生建立物理图景，揭示本质因素，从根本上来说，就是要以科学方法和学生的心理规律为指导来组织实验教学过程。 从科学方法的角度来看，形成物理概念和认识物理规律的实验教学模式大体有如下几种：,1、抽象概括本质特征的模式解决问题的需要例9 : 力的概念的建立,抽象出反映某类事物的共同属性，推广使其具有一定的普遍性和反映某种本质特征,例10 振动概念的建立,2、运用比值定义物理量的模式,从某两个物理量的依存关系中构建另一新的物理概念，它反映的本质与这两个物理量都没有关系。许多运用比值定义的
17、物理量，如密度、速度、加速度、比热等都采取类似如下的模式：,3、归纳得出规律的模式,实验归纳可以分为两类： 一类是研究物理的变化过程和单因素变量引起的变化规律，如晶体熔化的特性，水的沸腾等。 二类是研究多因素变量引起的变化规律，如滑动摩擦，液体内部压强，阿基米德定律等等。,4、假设验证模式,这是一种推测在前实验在后的模式。根据已经掌握的事实和理论作出某种推测和猜测，再用实验验证。,例11 研究小灯泡伏安特性,讨论实验的方法和设计电路：实验电路如下图所示。,5、实验理想化的模式,许多物理实验规律单靠实物实验是得不出来的，必须借助于理想化的方法。 附录：自感现象的演示,第四节 联系生活实际向相关学
18、科渗透,高科技时代的一个重要特点就是科学技术的高度综合化和社会化。 科学、技术、社会的关系越来越密切。因此联系生活、联系社会、加强学科间的相互渗透和向现代科学技术开放已成为物理教学改革的一个重要方向，理所当然，它应当是开发物理实验教学功能的一个重要方面。,一、从生活中寻找课题,物理学在生活中的应用是非常广泛的，选择生活中的课题设计物理实验，不仅能使学生感到十分密切，而且感到物理学非常有用，从而激发学习物理的动机。从生活中寻找课题进行实验，可以有多种思路。,例如： 从某一知识点出发，由学生自己去调查这一知识点在生活中的应用。 从社会生活中某种需要出发，考察为满足这种需要的事物现存的缺点和不足，进
19、而提出改进和创造的课题。 以某种生活用品为对象，进行小型实验的探索研究。在许多情况下，可以采用以上多种模式的综合。,二、向相邻学科渗透,传统的理科教学中，学科界限比较分明，物理课程很少涉及其他学科的知识，这不利于培养具有较强综合能力的人才。由于课程整体的改革难度较大，从实验教学做起，淡化学科界限，有利于课程改革的进展。,1.适度综合 有一些实验现象含有多学科的知识，如化学和物理的知识。让学生做这类实验，有助于培养学生综合运用知识的能力。 2.技术迁移 物理实验技术在其他学科中的应用是相当多的，让学生制作一些建议的物理一起去研究一些跨学科的问题，可以开阔学生的眼界，认识物理技术的普遍意义。 3.
20、原理迁移 把物理学的原理运用到其他学科领域，设计一些构思巧妙的实验，对学生有很大启发作用。,三、联系社会热点,联系社会热点有助于学生理解物理学和物理方法对社会的意义，并培养学生参与科学决策的民主意识和评价能力。例如：调查空气中的烟尘；对二氧化碳含量的调查.,四、普及现代科技知识,在课堂教学中，加强理论联系实际，也可以经常对学生开设一些讲座。在课堂或在课外讲座时，如能配合讲解做一些演示实验，则会更加生动，可以化解一些由于知识深奥而给讲解带来的困难。 例如：光导纤维与光通信光导纤维的演示,第五节 加强小实验 增加学生动手动脑的机会,加强学生实验是物理教学改革的一个重要内容，而加强物理学生实验又是加
21、强物理实验的核心。实验教学的功能最终必须落实于学生亲自动手的实验中，没有学生的介入和实践，实验教学的目标也就不能达到。,一、随堂实验,随堂实验的特点和作用 物理演示实验是以教师操作、学生观察现象的实验教学形式，它是教师用以激发学生学习动机、提供感性认识、启发积极思维和作出技能示范的重要手段。它的不足之处是学生处于比较被动的地位。,随堂演示实验有如下优点：（1）有利于发挥学生的主动性（2）有利于发挥教师的指导作用（3）有利于提高学生实验在教学中的比重和提高课堂教学的效率,2、随堂物理实验的选题要求从内容上看，以下几方面的内容可以考虑采用随堂实验的形式：初次认识一般物理仪器和应用器件的课题需要建立
22、感性认识的小型课题可见度不高，不宜作为演示实验的内容,运用探究或验证方法建立概念和认识规律的小型课题学生中有争议、易于产生模糊观念的问题可以用多种小型实验方案解决同一问题、又能够起相互启发的作用的内容,例如：阿基米德定律的实验,3、随堂实验教学过程设计,随堂实验教学过程是一个以学生为主的边学边实验的过程，可以有教师的讲解、演示实验、学生的讨论和动手实验等活动，活动形式多样，学生思维和操作能力的差别将使过程中的复杂程度加大，因此，搞好这种类型的实验教学设计是十分重要的。,随堂实验教学过程设计的基本内容是：确定教学目标和教学策略，选择实验内容和形式，选择合适的教学媒体，构思教学过程，编写教学方案。
23、,4教学过程中教师对学生的指导,教师对学生活动的指导，关键在对学生思维活动的指导。教师可以用启发性的语言，由浅入深地提出一个个思考问题，或者创造生疑的情境，由学生发现问题。,当一个问题解决时，又出现一个新的问题，这样不断地激励，又不断地使学生得到满足，从而使学生的思维在实验活动中不断深入发展。有时也可以把教学程序编成实验工作的指令，发给学生，以指导学生的实验活动。,二、课外小实验,课外是学生学习物理的广阔田地。充满五光十色现象的自然世界、与世界知识应用密不可分的生活环境，到处都能找到观察、思考、实验的课题。 观察思考作业 这种实验以定性观察为主，要求学生用所学的知识对现象进行解释。 例：塑料瓶
24、中的气球,定量推量的定性实验 实验观察和数学推理是科学研究中的两种重要手段只有使这两种手段有机结合，才能够获得关于物理现象的全面的、内在的本质认识。 因此在实验教学中，应十分注意数理的结合，即使在定性的观察实验中，也应当重视运用数学工具进行科学推理的训练，以提高学生运用数理知识分析和解决实际问题的能力。 例：覆杯实验,设计性的小实验 为了使学生领会实验设计的思想和方法，除了课内多做一些设计性的实验，还可以给学生布置课外设计性小实验。 这些实验应以课堂所学的知识和技能为基础，但所用器材尽可能简单一些，同一课题可以有很多种方案，这样有利于调动学生自主实验学习的积极性和提高学生发散性思维能力。 例：
25、测量物体的密度,第六节 加强探索性实验，培养创造能力,在当今世界各国的基础教育改革中,培养学生的创造力已成为一个重要的课题。创新意识和探索能力是理科教学的重要目标之一。 现在中学生的实验活动主要是验证课本上的知识。,当前中学生物理实验教学中主要存在以下几个问题： 缺少由学生自己发现问题和提出课题的训练。 缺少提出猜想和假说，并根据猜想和假说自己设计实验的训练。 实验中很少有意识地设置能使学生观察的机会。 问题的答案往往是唯一的理想化的。,因此，我们必须精心地设计活动的内容、模式和指导方法。这里提出如下几个具体途径，供参考：一、增加观察探索性实验二、加强设计性实验,一、增加观察探索性实验,一切定
26、量探索都是从定性思考开始的。没有定性构思，也就没有定量的方案。 将观察、思考、定性和半定量实验作为一种探索实验的类型，还可以使学生暂时排除测量和数据处理的任务，更有利于学生集中精力地投身于探索研究的前期工作，培养发现问题、提出问题、科学推理、作出假设和构思定性实验的能力。,中学生的观察思考性实验，大体上有三个层次：,一、运用已学习的知识定性解释较为简单 的实验现象，或运用实验技能，通过观察和思考排除较为简单的故障。 二、通过一定的数学推理和物理思维解释和预测物理现象的变化。 三、提出一些小型的观察实验课题让学生进行观察。,二、加强设计性实验,在物理实验中，方案的构思和设计是十分重要的环节，是培
27、养学生思维创造力的关键。,这种训练可从如下方面进行改进：,1、将某些验证性实验改为探索性随堂实验 需考虑以下几个方面的问题：（1）从科学方法的角度考虑 （2）从学生的 认知水平和思维水平考虑 （3）从学生的兴趣水平考虑 （4）从教学条件和效率考虑,2、设计测定性实验教材中有一些测定性实验，要求测量某种普适的物理量、反映某种物质属性的物理量的物理常量和物理量。通常只给出一种确定的设计方案，教师可指导学生在此方案的基础上设计更多的实验发方案，再进行实验。,通常考虑新方案的基本思路是：,设法寻找未知量和已知量之间的物理关系，再从这些关系中寻找直接测量的量。 设计时，要求学生灵活地运用知识和实验方法，力求避开一些难测的量和不可测的量，充分考虑能够提供的实验条件。 在学生独立思考的基础上，组织实验方案设计的讨论，最能够激发学生的创见和集体的智慧。,3、设计定量研究性实验例：研究随机误差的分布,
