物理教学论文：试论物理实验教学中的“过程设计”蔡千斌

物理教学论文：试论物理实验教学中的“过程设计”蔡千斌

试论物理实验教学中的“过程设计”

蔡千斌（浙江大学理学院物理系，浙江杭州310027）一、什么是物理实验教学中的“过程设计”首先，“过程设计”就是一种教学设计．其次，它更为强调的是重视过程的教学，详细地说，物理实验教学中的“过程设计”就是指在实验教学中教师设计实验的情境或系列的问题，使学生经历问题的探索过程，重蹈科学家关键的设计步骤，体悟实验的设计思想，掌握仪器的使用事项，提升实验结果的分析能力的一种教学设计．二、物理实验教学中为什么要进行“过程设计”这要从一则教学事例谈起．在“探究感应电流产生的条件”的实验中，实验装置如图1所示．教师教学时对这一“成型实验”的设计未作铺垫，学生并不清楚科学家设计该实验的心路历程．以至于教学中有些学生竟然认为：“这么简单的实验，很容易得出结论呀！法拉第怎么用了十年的时间？他真是太笨了！”可见，教师在已经“成型实验”的教学中有必要还原科学家的心路历程．法拉第在当年先是怎么设计的，后是怎样改进的，以后是怎样突破的，最终又是怎样设计的．别人为什么没有做成功，唯独法拉第做成功了．在充分揭示科学家思维的形成过程中，让学生适时地经历从实验的初始设计到逐步完善的思维过程，这样，学生才能领略到实验设计的精妙所在，也才能感受到法拉第的伟大之处．因此，教师在实验教学中应当注重“过程设计”，三、物理实验教学中如何进行“过程设计”1．仪器使用的过程设计仪器使用的传统教学模式是：结构简介——教师示范——学生模仿．教师先简单介绍仪器的结构、功能，再分步介绍操作步骤，第一步怎样操作，第二步怎样操作，……，要注意不能有什么样的操作，同时做好示范，然后学生照样练习，直至纯熟，这种教学模式丧失了学生的自主性，削弱了学生的探究能力．这样的设计并不可取．仪器使用的“过程设计”能较好地解决这一问题．其设计模式如图2所示．设计的线索是：(1)教学内容；(2)过程设计，其中，过程设计又分为：①学生活动；②过程小结，案例：实验：使用多用电表测电阻．采用“仪器使用的过程设计”进行教学时，教师不需强行灌输多用电表的使用方法，学生在活动中即能发现问题、解决问题、总结规律．其过程设计见后页．实践表明，这种设计能使教师教得轻松，学生学得愉快，经过动手动脑后获得的知识，对学生来说，其印象也更为深刻．2．成型实验的过程设计本文所讲的成型实验指的是已远离了实验的原型，经历了多次的修改后呈现出来的一个最终完善的电路、一套完整韵仪器、一种完美的实验方案．它经过了多次的打磨，虽则完美，却磨掉了思维演变的痕迹，如果直接呈现出来，学生将无法感受到探索过程的艰难和探索过程的乐趣，理解起来也更为困难．案例：用以下器材测量待测电阻见的阻值．待测电阻R阻值约为lOOR电源E，电动势约为6.OV，内阻可忽略不计；电流表Ai，量程为0~50mA，内电阻ri=20Q,;电流表A2，量程为0—300mA，内电阻r2约为4Q;定值电阻风，阻值Ra-20Q;滑动变阻器R，最大阻值为10Q;单刀单掷开关5，导线若干．(1)测量中要求两块电流表的读数都不小于其量程的1/3，且要求尽量多测量几组数据，试画出测量电阻R，的实验电路原理图（原理图中的元件用题干中相应的英文字母标注）．(2)若某次测量中电流表Ai的示数为，电流表A2的示数为，2．则由已知量和测量量计R，的表达式为Rx=________.这是本校一道高三复习的测试题．它难倒了一大批学生．试题讲评时，教师直接呈现正确的实验电路，然后做一扼要的解释，结果，很多数学生直呼：“太神奇了！”他们觉得自己是很难想出这种设计方案来的．究其原因，该设计脱离了学生的思维实际，难以引起学生的共鸣．明显有曲高和寡的感觉．如何解决这一问题？“成型实验的过程设计”不失为一种好的方式，其操作模式如图3所示．据此，过程设计如下．第一步，构画原型，根据问题情境，要测电阻Rx的阻值，明确实验的原型是伏安法测电阻的电路，题中“要求尽可能多测几组数据”，可知滑动变阻器的连接方式为“分压式”接法，由此，构画出实验的原型电路，如图4(a)、(b)所示第二步，构画实验设计1．题中提供的是2个电流表而无电压表．故需造一个电压表．已知内阻的电流表Ai串联一个定值电阻Ro可当电压表用．如图5所示，其中图5中虚线框内Ro、Ai的组合相当于一个电压表．验如图7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ，根据实验，在表1、表2中填人实验现象．此时，A2未达1/3满偏．故此电路尚不符合题意.第三步，构画实验设计2．设计依据：已知通过电流值的定值电阻也可当电压表用．设计实验如图6所示．其中，图6中虚线框内的风就相当于一个电压表。由此确定图6为所求的实验电路图，按照“成型实验的过程设计”分三步进行教学，学生觉得根据这一方法自己也应该会设计所要求解的电路，也并不觉得这样的实验设计有什么高深之处．在这里，凭借一个实验原型，根据问题的情境，适当地加以修正，所求实验电路就能水到渠成，通过这样的设计过程，学生在实验设计上就有思路可循，能轻松地掌握实验设计的方法．3．实验现象分析的过程设计许多时候，实验现象非常精彩，可惜由于过程分析不得法，学生无法深入思考，教师只能匆匆地给出结论．表面上课堂教学变得顺畅了，实际上学生的思维却未能很好地得到训练，教学中留下了很多的遗憾．要尽量减少这类遗憾的发生，教师应做好实验现象分析的过程设计．比如，楞次定律的教学．研究感应电流方向的实验如图7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ，根据实验，在表1、表2中填人实验现象．分析：由表1知，(a)(b)中线圈内磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相反，由表2知，(c)(d)中线圈内磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场的方向相同．结论：感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化．以上教学，虽然思路流畅，但是要判断感应电流的方向怎么会想到要引入“感应电流的磁场”作为“中介”来表述，因而在表格中列入“感应电流的磁场方向”呢？这一点教师未作什么交代，学生是很难想得通的，实验现象分析的过程设计要以实验为基础，以问题为主线，按一定的逻辑顺序展开，逐步推出结论，才能令人信服．案例：实验：探究感应电流方向的规律．如图8(a)所示．实验的现象：条形磁铁N极靠近金属铝环，铝环向右摆，条形磁铁N极远离金属铝环，铝环向左摆，分析过程：沿着以下两条线索（如图9）层层展开问题的设计，最终得出判断感应电流方向的规律——楞次定律．磁铁靠近铝环时，铝环向右摆，说明磁铁对铝环有斥力，这个斥力应是磁场力，它与铝环产生的感应电流有关，图8(a)中相互作用的情况等效于图8(b)中相互作用的情况，问题1：结合(a)、(b)图，判断铝环中感应电流的磁场方向及铝环中产生的感应电流方向．问题2：在图(a)中标出条形磁铁的磁场方向、感应电流的磁场方向、感应电流的方向．(标出后的结果如图(c)所示）问题3：标出条形磁铁离开铝环，铝环被吸引向左摆时，条形磁铁的磁场方向、感应电流的磁场方向、感应电流的方向．(标出后的结果如图(d)所示）问题4：条形磁铁靠近铝环时，铝环中感应电流的磁场方向与条形磁铁的磁场方向相反；而远离时，却相同，这会引起铝环中的磁通量发生怎样的变化？问题5：如把条形磁铁在铝环中产生的磁通量称为原磁通量，则条形磁铁靠近铝环时，原磁通量增加，感应电流的磁场是使原磁通量增加还是减少？条形磁铁远离铝环时，原磁通量减少，感应电流的磁场是使原磁通量增加还是减少？这说明，感应电流的磁场对原磁通量是起促进作用还是起阻碍作用？经历以上现象的分析后，再引导学生分析图7中的(a)、(b)、(c)、(d)四种情况，学生将不再对引入“感应电流的磁场”感到突然了，而会认为这是理所当然的事．四、结语开展物理实验教学的“过程设计”，目的是让学生充分经历实验的设计过程、现象的分析过程、仪器的使用过程，从而在质疑问难中、在对比分析中、在动手动脑中训练学生的设计思维，提高学生的探究能力，激发学生的探究热情，使学生在过程中获得丰富的情感体验，最终全面提高学生的科学素养．参考文献：[1]人民教育出版社、课程教材研究所、物理课程教材研究开发中心．高中物理选修3-2(第3版)[M].北京：人民教育出版社，2010：10.[2]束炳如，何润伟．高中物理选修3--2教师用书（第1版）[M]，上海：上海科技教育出版社，2005:45—46．