中考物理知识点|初中物理探究式演示实验教学的初步研究
中考物理知识点|初中物理探究式演示实验教学的初步研究
一、问题的提出
《九年义务教育全日制初级中学物理教学大纲》（试用修订版）明确指出：“学生通过物理课学到初步的物理知识，培养科学探究精神，获得观察、实验的初步技能，逐步发展自己的能力，逐步形成自己的世界观。”作为物理教学的重要内容和重要手段——演示实验，对学生掌握知识，形成概念和理解规律有着举足轻重的作用，已经得到了物理教师的高度重视。但是，演示实验的教学模式基本上是教师演示，学生观察，实验目的的确立、实验器材的选择、方案步骤的设计、数据的处理，由教材和教师决定，学生处于被动地位，观察兴趣在一定程度上得到了满足，操作兴趣、探究欲望受到了压抑。这种演示实验的模式为：提出课题→实验验证→得出结论。本人对演示实验的教学作了如下的问卷调查：
对象：我校初三年级十二个班共663名学生。
时间：2001年9月中旬
问题1：你喜欢教师用什么方法做演示实验？
A、照课本演示
B、教师先演示，然后自己也做一遍
C、师生共同演示
D、师生一边讨论，教师一边演示
问题2：在“大气的压强”新课学习刚一开始，教师就演示了“可乐瓶变瘪”的实验，如图1，接着，你的想法是：
A、希望自己亲自演示一下这个实验
B、教师马上解释可乐瓶变瘪的原因
C、自己迅速阅读课本开头的一段话， 以明了其原因
D、教师稍候一会儿，让自己猜想 可能的原因
从调查中看出，多数学生不再满足于物理现象的感官作用，他们有较强的参与心理和探究欲望。
因此，在演示实验教学中，营造一个能够充分满足学生参与心理和探究欲望的课堂演示实验氛围，如观察、讨论、操作、设计、验证等方式来匹配不同学生的心理需求，让学生在一个充满挑战、机遇、困惑、成功的物理环境中培养实践能力和创新精神，显得尤为重要。
二、探究的原理和意义
探究，一般指探讨和研究，以便人们理解和弄清周围的世界。探究心理源于理智感和好奇心，即人们有较强的自己寻找问题答案的兴趣。影响人的好奇心的重要因素是有否“诱惑物”即“真问题”的存在。所谓“真问题”，是客观存在的有探究价值且可以被说明的问题。 这种问题一旦被发现，就可能激起人们探究的兴趣。
以施瓦布为首的现代教育家多次指出：学生天生就有探究的欲望，也具备一定的探究能力，这一能力将随探究实践的累积而增强并首先提出了“探究学习”的概念。
所谓探究学习，简单地说就是教师组织和引导学生通过相对独立的各种探究活动，使自己发现知识、掌握技能，同时提高各方面素质的一类学习模式。
个人以为只要在教学的某个环节中教师引导学生体验了知识技能的形成过程，使学生自己尝试发现或解释说明了某些新的结论和问题，就可以说是探究学习。因此探究教学是一种发展的、引导的、创造的、思维的、开放的教学。
实施素质教育的物理教学是面向全体学生，以物理知识为主干，以学生探究能力的发展和创新素质的养成为核心的教育。然而学生探究精神的树立，创新意识的形成，光靠教师的教是难以办到的，学生还必须通过物理知识的摄取，将所学知识与操作实践相结合，进行新的探索，再形成新知识和技能，如此反复，这正是探究学习所要求的程序和过程。在探究学习中，学生始终处于一种积极参与、相互交流，多向联系的状态，尤其因为探究以假设为基础，探究中既有形象思维、逻辑思维，还有直觉思维；既有发散思维又有集中思维，因而学生的创造思维能力会得到充分发展，这是其一；其二，现代的探究教学强调“引导——探究式”，它是以解决问题为中心，着眼于思维和创造性培养的模式，它遵循着发挥学生的主动性，侧重探究的方法和策略，通过发现问题、提出问题、分析问题，创造性地解决问题等去掌握知识，培养创造力和创新精神。从长远看，这样的学习是发展的，是事半功倍的。第三，可使学生的各种非认知因素得到全面发展。在探究过程中，学生的各种非认知因素有效地投入到认知过程中，因而，他们克服困难的勇气，锲而不舍的精神、情绪、态度等势必得到理想的发展，并在探究中获得一种意志、个性上自我完善的满足感和愉悦感。另外，由于探究式教学中学生有相当的自主性，因而也一定程度地克服了以班级为单位的集体教学形式不利于个别施教的一面。而且，由于开展探究教学的教师本身的工作也是一个不断探究创造的过程，这势必使教师的素质得以充分发挥和提高。
三、探究式演示实验教学的模式、应用与讨论
依据演示实验教学现状和探究教学的原理，笔者经过一段时间的探索与思考，认为在演示实验教学中宜采用探究式，即：提出问题→猜想假设→设计实验→实验证实→得出结论。
初中物理的演示实验一般可分为两类：第一类，学生有一定的感性认识，但具有较少的相关物理知识；第二类，学生既有一定的感性认识，也有一定的相关的物理基础知识。
对第一类，教师以学生具有的感性认识为探索的出发点，给定实验器材，引导学生的思维方向，对于探究途中出现的思维断层，教师应及时“牵线搭桥”。
例一：研究滑动摩擦力的大小和哪些因素有关。
提出课题
滑动摩擦力的大小和哪些因素有关？
猜想假设
（教师）请同学们根据自己的生活经验或你了解的有关知识猜想一下滑动摩擦力的大小和哪些因素有关。
（学生）摩擦力的大小可能和①重力的大小有关；②接触面的粗糙程度有关；③接触面的大小有关。
设计实验
（教师）谁能设计一个实验证实我们提出的猜想？
（学生）一时无人响应（不知如何下手）。
（教师）如果我给你一个木块，一只弹簧秤、一块木板、一条棉布、几个砝码，你能利用这些器材设计吗？可以分组讨论。
（学生）踊跃发言，设计如下：
1、把木块放在水平长木板上，用弹簧秤拉木块，读出这时的拉力，在木块上放砝码，再用弹簧秤拉木块，读出拉力，比较两次拉力的大小来证明摩擦力的大小和重力的关系。
和课本实验相比，方法相同，但是①学生对只有匀速拉动弹簧秤时拉力的大小才等于摩擦力的大小不明确；②学生对重力和压力的概念的区别不清楚。教师在演示中给予讲解，并通过演示操作得到结论。
2、在水平长板上固定好棉布，放上木块（不加砝码），重做上面的实验，把这次读出的拉力和实验1中不加砝码时的拉力相比较，研究滑动摩擦力的大小和接触面的粗糙程度的关系。
3、把木块放在木板上（不铺棉布），使木块大小不同的两个表面分别和木板接触，用弹簧秤匀速拉木块，读出拉力，比较两次拉力的大小来证明摩擦力的大小和接触面积的大小是否有关。
实验证实
上述设计，由学生分步演示。并得到分步的结论。
得出结论
学生总结三步实验结论，得到：滑动摩擦力的大小和压力的大小、接触面的粗糙程度有关，和接触面积的大小无关。
对第二类，学生一般能根据已有的物理知识寻求解决问题的途径，教师不给定实验器材，通过指出学生设计中的不足并要求其改进的方法引导思维，完善设计，最终解决问题。
例二：焦耳定律的演示探索
提出课题
（教师）电流通过导体时要产生热量，这叫做电流的热效应。那么，灯泡接入电路中时，灯泡热得发光，电线的发热却觉察不出来，这是为什么？假如在照明电路中接入大功率的电炉，电线将显著发热，时间长了，有可能烧坏绝缘皮，甚至引起火灾，这又是为什么？由此，我们猜想，电流产生的热量跟哪些因素有关呢？
猜想假设，设计实验
（学生）思考后回答：灯泡和导线串联在电路中，通过的电流相同，但灯丝的电阻大，电流产生的热量可能和电阻的大小有关；照明电路中接入大功率的电炉，电压一定，由P=UI，可得I较大，电流产生的热量可能跟电流的大小有关，另外，还跟通电时间的长短有关。
（教师）让我们试着设计一个实验确定电流产生的热量跟电流、电阻、通电时间的关系。
（学生）思考
（教师）引导：我们要研究的是一个物理量和三个变量的关系，应采用“控制变量法”，即分别控制两个变量相同，研究电流产生的热量跟第三个量的关系。
（学生）提出一个设计方案（方案一）
将电源、电流表、滑动变阻器、一个定值电阻、开关组成一串联电流，把一只温度计的玻璃泡放在定值电阻上，取相同的测量时间，测出电流不同时定值电阻的温度，看产生的热量的多少和电流的关系。
（教师）充分肯定设计原理正确，指出不足：用温度计直接测量电阻丝的温度时，由于温度计玻璃泡不能充分和电阻丝接触，并且电阻产生的热量向空中散失得太多，测量误差大，能否改进？
（学生）提出修改方案
在原实验中将定值电阻放入装满纯净水的烧瓶中，电阻产生的热量被水吸收，水温升高，用温度计测量水的温度，从而判定电阻产生的热量的多少。
（教师）引导：水的特点是比热较大，相同条件下，升温较慢，能否换一种液体，测量效果会更好。
（学生）把水换成酒精或煤油均可，但煤油比热更小，宜选煤油。
（教师）进一步引导：用温度计测煤油的温度升高来判断电阻产生热量的多少，不够直观，也不方便，能否进一步改进？
（学生）思考后提出：用橡皮塞塞住烧瓶口，插入细玻璃管，煤油吸热体积膨胀，在玻璃管里上升。电流产生热量越多，玻璃管中煤油上升得越高。这样效果更好。
（学生）建议在煤油中滴入几滴红墨水，便于观察。
（教师）我们已经成功地设计出了研究电流产生热量和电流大小的关系的实验，现在继续设计研究电流产生热量和电阻大小的关系的实验。
（学生）利用前面设计的电路，在电路中串联一个电阻，同样置于盛满煤油、插有玻璃管的烧瓶内，两个定值电阻的大小要有明显的差别。闭合开关，这是在通电时间和电流相同的条件下，研究电流产生热量和电阻的关系。（方案二）
（教师）还需要设计研究电流产生的热量和通电时间的关系的实验吗？
（学生）不需要，方案一、二的实验均可表明电流产生的热量和通电时间的关系。
至此，学生的设计方案已十分接近课本上的演示实验。教师让学生阅读课文，并协助教师演示课本实验。
实验证实、得出结论
实验表明：当电阻和通电时间一定时，通过导体的电流越大，产生的热量越多；当电流和通电时间一定时，电阻越大，电流产生的热量越多；当电流和通电时间一定时，通电时间越长，电流产生的热量越多。
然而，一部分学生不满足于得到这种定性的结论。焦耳定律揭示的就是一个定量的规律。课后，立即有学生追上教师，提出二个问题：①能否设计实验证实电流产生的热量跟电流的平方成正比？②二个方案较复杂，而且，两玻璃管中的液柱降回到原来的高度，耗时太长，能否变两步实验为一步实验？
学生创新思维的火花已经点燃。教师把握这一契机，向全班提出了这一新的课题。学生探究欲望高涨，跃跃欲试。教师宣布成立二个攻关小组，开展设计竞赛，教师担任顾问和裁判。
两个课题小组在课外开始了紧张的研究，教师每天了解进展情况，进行点拨和指导。不到十天，两个小组都拿出了设计方案。在一节活动课上，两个组长分别讲述设计原理、实验电路、实验步骤，然后全班开始评价方案，进行优化。最后确定了最优方案，即：分别取RA=2Ω，RB=4Ω，RC=2Ω的三根电阻丝，连接成如图2所示的电路，电源电压为4~6伏。
接通电源后， IC=3IA=3IB RC =RA=1/2RB tA=tB=tC
则玻璃管中液柱上升高度有下列关系：hC=9hA hB=2hA ，说明QC=9QA，QB =2QA 从而得到了焦耳定律。
现在，可以认为学生的设计已相当完善。教师仍不满足，又提出新的课题：这么多的实验器材，没有进行组装固定，操作并不方便，能否将它们装配成一个演示仪器？命名为“焦耳定律分析仪”。
这一课题的提出，再次激发了学生的探究欲望。教师决定成立焦耳定律分析仪设计制作组，并担任组长。
八九个学生在课余时间忙碌起来，画结构图，找家俱厂，访装璜店，购材料动手制作，历时近一个月，经过三十几次调试，焦耳定律分析仪（结构图如图3所示）终于呈现在全班学生面前。大家陶醉在发明创造成功的喜悦和满足之中。
根据师生的探究实验结果，本人撰写了《焦耳定律分析仪的设计与制作》，刊于《中学物理教学参考》2002年第四期。
前述事例展现了学生在演示实验中的主动性及其对演示实验的探究。其实，对演示装置的重新设计，对现有演示器材功能的发掘以及由实验过程派生而出的相关子问题的再研究、相关问题的延伸实验或者对原有实验过程的压缩、简化与扩展等等，总之，演示实验提供的可供用于探究的资源是多方面多层次的。从探究的序列上看，可分为课前探究，主要着眼于问题探究的方案设计；课堂探究，着眼于各种方案的交流、整合与选择优化；课后探究，着眼于对各种现象的理性思考、合理推理及本质揭示。从探究对人的发展性功能上看，大致可分为技巧型， 以对仪器本身的探究为主要目标；关联型，即通过运用原有一套装置或者只添加少量日常用具完成一组相互关联的问题系列的研究，它常常由1~3个具有相互包容性的实验组成；反思型，它以对原有实验的熟练操作为基础，形成关于实验思索的思索，也可以是运用新观念对原有实验的再思考，期望形成更具概括性的方法、技巧与策略。美国心理学家R·M·加涅关于问题解决学习策略的研究表明了“专家”与“新手”所采用的思维策略的差异。证据表明，对问题解决过程的不断反思是专家们通常使用的一种技术。因而，物理探究式演示实验的高级目标应是形成学生的反省思维，培养其反思能力，以达到对原有实验的不断补充、完善和实验结论的不断精确化。
根据上述观点，作为对前述模式应用的一种补充，现再示例如下：
原有实验：验证阿基米德原理（演示实验装置及方法见人教版初中物理第一册）。
关联实验：
关联1——水中载物与载物体浸没于水中体积的关系。
演示方法如图4 a、b、c所示。
图4
关联2——载物体浸入液体中的深度与液体密度的关系（方法略）。
关联3——运用阿基米德原理测物体密度。
①测密度大于水的不规则物体的密度。
②无天平条件下，测密度小于水的不规则物体的密度。
三个关联实验进一步验证了阿基米德原理的正确性，同时作为一条基本的实验定律和规则，其在解决实际问题中的效用得到了证实；三个关联实验作为阿基米德原理的肯定例证，再次从不同角度为定律本身作出了表征，也引发了学习者头脑中贮存的关于该原理所适用的问题情境的进一步扩展，这为学习者将该定律概括到同类型的其它情境之中提供了支持。
个体的学习历程在性质上是累积的。探究性演示实验成功与否，取决于学生先期技能与下位知识的学习、提取及与新演示情景的整合过程，那么学生怎样才能将问题情境纳入到原有的认知图式的适当“空位”之中呢？它需要一系列有效的教学事件，其中最为关键的是教师的旨在促成回忆的问题提示，因此，问题作为演示探究的一种基本构成成份，始终贯穿于教学模式即提出问题→猜想假设→设计实验→实验验证→得出结论的各个阶段之中。这种始于问题并导致发现的演示实验教学正是本文所讨论的探究式演示的内涵所在，也是它区别于传统演示的地方。
四、对探究式演示实验教学的建议
经过对探究式演示实验教学的初步研究，现提出如下一些教学建议：
1、引导适度
探究学习是有条件的，主要是教师要指导学生进行探究，决不能对学生放手不管或包办代替。只有适度引导，把握分寸，才能化被动为主动，出现真正意义上的探究学习。随着学生知识、能力的提高，教师的作用可以而且必须减少，但决不能完全取消，至少学生探究的问题和方法需经教师审查和指导，使探究符合教学目的。
2、负担合理
探究的程度和份量，应该难易适度，负担合理，使大多数学生在规定的时间内经过努力可以完成，并留有余地，以利于学生生动活泼、积极主动地探究学习。要充分估计学生在知识、技能、探究的态度、探究的信心上有何不足，加以弥补。
3、鼓励提问
在探究的过程中，问题与操作具有互动关系，如图5 所示,
对于学生不熟悉的现象，可以让他们先观察或尝试操作，
然后再提问题，这样得到的可能是“真问题”。让学生提问，还要他们猜测和预料可能的原因和结果。要尽可能不漏掉一个有关问题（即提出一切可能的有关变量），否则不可能得到正确结果。为了让学生自己提出问题，教师可以先提问题，也可以在他们对重要问题有遗漏时加以提示。但教师提出的问题是引发性的，不是肯定的。问题仍要学生自己提出。为了让每个同学都有机会提问，互相启发，还可以学习小组的形式讨论提问，教师再把各种问题整理归类，然后引向探究性操作。
4、指导方法。
探究实验的一个重要过程就是对探究方法的探究。主要是学生自己提出问题、自己解决问题和自己得出结论的方法，包括提出一切可能的有关变量、选择以至设计解决问题的实验手段的程序，分离和控制变量，确定变量间的关系，排除无关变量，锻炼归纳和假设演绎等等一些主要的基本的科研方法和能力。而只有教师长期地有意识地指导学生探讨和使用这些方法才可以使学生形成和掌握探究的能力。
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