对提高探究实验有效性和实验设计能力的思考

郭永记

摘 要 教学的有效性可以衡量一个教师的教学能力，同样一个教学模式是否成功也要看它的教学有效性。《义务教育物理课程标准》突出强调了学生探究活动，那么如何提高物理探究活动──探究实验的有效性就成为值得思考的问题。

关键词 中学物理 有效性 实验探究 实验设计能力

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2014）15-0076-03

新世纪颁布的物理新课程标准，提出了崭新的课程标准与教学理念，强调了探究实验在物理教学中的作用；在新课程标准影响下，广大的物理教师干劲十足，大胆尝试，将各类型的物理实验探究化。现在我们冷静下来想想，我们的做法是否有点一窝蜂，有点走向极端？

不管是旧大纲，还是新课标，它们的出现都是要满足当时的教学需要，为了提高教学的有效性。现在推行的新课标强调的是学生的学习过程，着重培养学生的探究能力。那么是不是所有的物理实验都是适合学生探索？探究实验的有效性该如何衡量？

一、什么是探究实验的有效性

物理新课程的三维目标（知识与技能、过程和方法及情感态度与价值观）是判断探究实验有效性的最好依据。有效的探究实验必须是以学生为本，能突出实现三维目标中的一个或多个。

1.学生积极主动参与是有效探究的核心。有效探究实验应以学生为本，能充分激发学生的探究兴趣与热情，使学生积极主动地参与活动。如果学生对所设置的活动内容缺乏兴趣或设置的活动内容脱离学生的知识背景，并得不到相应的材料资源的支持，学生就会对探究活动失去热情，活动只能停留于表面，缺乏思维的参与。虽然有时探究活动显得热闹，但学生一阵忙乱后，活动就成过眼云烟，学生的不到任何收获，这样的活动就成为一个无效探究活动。因此学生积极主动的参与是有效探究的核心。

2.有效探究活动至少能实现三维目标中的一个。物理探究活动的基本模式是：发现问题──提出问题──确定解决问题的方案──收集资料（实验操作）──分析资料（或实验现象数据）──形成科学结论──交流讨论──提出新的问题。作为课堂探究活动，可以是上述过程的全部，也可以是过程中的一个片段或某一个环节，只要学生能通过探究活动掌握了一定的知识，或学会了某种科学的方法、技能或形成一种科学的态度和价值观，能很好地达到其中一个目的，这样的活动就可以称为一个有效的活动。应改变以通过探究的学生是否取得成果或得出正确的结论作为衡量探究活动有效性的标准的观念。

二、如何提高物理探究实验的有效性

1.明确探究任务和目标是提高探究实验有效性的重要措施。我们要深知培养学生的探究能力不是单靠一两个实验就可以成功，每个探究实验应该有培养学生某项能力的作用。在设计探究实验时，教师要突出探究的问题，要凸显这次探究实验的目的，其余的不要延伸过长，混淆学生的视线。例如在探究“重力大小与什么因素有关”的实验中，三维目标是培养学生分析与处理数据的能力，所以实验探究活动时间应该放在“分析资料（或实验现象数据）”的环节上。因此，只有明确的探究目的和任务，探究活动才能做到有的放矢，提高活动的有效性。

2.把握学生探究实验的达成度是提高探究实验有效性的重要保证。“凡是学生能探索的决不能替代，凡是学生能够思考的决不暗示。”这可以说是探究式教学引导的原则。我们要让学生经历探索过程，既要考虑他们的成功，也要考虑他们的失败，失败也是一种对生命的磨练。但是反复的失败对于学生这种幼嫩的心灵是无法承受的，经常的失败必将导致学生丧失探究的信心，相反如果轻易地探索就能得出结论，也会诱发学生浮躁态度的滋生，所以教师要把握学生探究的达成度。

首先，我们必须设计好探究实验情景的障碍。探究源于问题，而问题又离不开具体的情境。因此问题情境的创设十分重要，它需要有适度的障碍性。适度障碍性指问题能造成一定的认知冲突，其难易程度适合全班学生的实际水平，以保证大多数学生在课堂上处于思维的活跃状态。所以创设的问题要基于学生经验又高于学生的经验，把问题难度设在学生的最近发展区。例如在探究“浮力大小”的实验中，我们先用两张同样大小锡纸分别作成船型和实心球形，放入水中。引导学生观察现象及猜想：浮力大小与它排开水的体积有关；然后再把船形锡纸放在盐水中，与刚才放在水中的情形进行比较及猜想，这时的情境已超出学生刚刚建立的感性认知，学生已不能很快地进行准确预测了，面对这个障碍学生已有的知识已不够，自然而然地就需要学习新的知识来解释这一现象。也使得下面的探究实验活动对学生来说更具吸引力。

其次，我们必须为探究实验搭建问题解决的“脚手架”。“脚手架”理论是近代教学模式的一种创新。它特别强调根据学生的认知规律和以旧探新的需要，使大部分学生较好地开展探究活动，教师要不断再现学生已有知识，这种铺垫主要为学生提供背景资料，指导学生正确使用某种学习方法或提出若干思考问题，在提供思维的材料和方法上给予学生以帮助。（1）唤醒已有经验。课上教师可通过这样的提问：“对这个物体（或现象）你已经知道什么，你还想知道些什么？”“这个实验你们以前做过，现在还能做吗，想一想以前是怎么做的？”等等，唤醒学生对这方面的已有知识，激活内存。（2）提供辅助工具，体验方法科学化。例如在八年级上声音的特征一节，利用传统的示波器演示《声波的特征》很难进行实验探究，我们就利用了HPCI—1物理实验微机辅助教学系统、声传感器让学生探究了各种声源特征。

第三，大胆进行课程整合及改进实验器材为提高物理探究实验的有效性创造了可能。新课程下初中物理教材有一个凸出的特点，就是探究性实验特别多，一些过去是验证性实验现在也改为了探究性实验。探究时间多了必然导致教学时间不够用。另外也不是所有的实验都适合学生探究。在对教材使用情况的调查中我们可以看到：九年级课本“探究斜面的机械效率”由于探究引入比较生硬，缺乏情景创设，实验中易出现错误结论因而不适合探究的问题存在。所以笔者认为要提高物理探究实验的有效性必须对教材及实验仪器进行改进。

第四，归纳总结及反馈练习是验证物理探究实验有效性的途径。我们对教材及实验进行改进的目的除了给学生留下对实验数据进行收集记录、分析和处理的时间外，更重要的是给学生消化知识的时间。在探究实验中得到的理论要通过反馈练习来吸收。而且在应用物理知识解决实际问题时，一般或多或少总要进行数学运算和推理的，处理的问题愈高深，应用的数学也愈多。所以在中学物理教学中要重视培养学生运用数学工具表达和处理物理问题的能力。要求学生能根据具体物理问题列出物理量之间的关系式，进行推导和求解，并根据结果得出物理结论。要学会运用图像进行表述、分析和处理问题。这里的所说数学运算，既包括数字运算，也包括符号运算。既要重视定量计算，也要重视定性分析和推理。这些能力都的需要大量的基础练习来培养。只有学生能利用探究实验的结果解决出实际问题，物理探究实验才有具有效性。

三、培养学生实验设计能力

科学探究包括“七个环节”，根据教学目标提出一个有价值的问题，会引发许多的猜想；猜想仅停留在主观层面。要验证猜想，就得制定计划和设计实验。如果没有制定计划和设计实验这一环节，一切问题无法解决；一切猜想无法验证。只有合理设计试验这一环节，才能进行实验、搜集数据；从而进行分析论证，进而交流和评估。因此，设计实验在科学探究中就像一根栋梁，承上启下。如何养学生设计实验能力；笔者认为可以从以下几个方面尝试：

1.在筛选猜想中设计实验。根据生活经验或创设物理情景中，引发学生提出问题后；学生会从不同角度、不同认知、不同经历，提出种种猜想；这是一个发散思维过程。我们不可能对所有猜想都一一用实验验证。例如；探究电阻大小与什么因素有关；学生猜想有长度、密度、体积、横截面积、质量、材料等有关。那么，我就与学生一起分析考虑长度、横截面积，实际上考虑了体积；考虑材料实际上考虑了密度；考虑了体积、密度，实际上考虑了质量。经过分析，学生才明白为何只考虑材料、长度、横截面积以及温度。这样也大大节省进行实验时间。但这不能走向极端；有时探究某些物理量难以分析而试验又容易做，还是依猜想设计实验。比如，探究摩擦力大小与什么因素有关？学生猜想除了与压力、接触面粗糙程度有关外；还涉及压力的作用点、运动方向、运动速度、接触面面积等等，可以做实验给学生看，并不占有教学时间。

2.在明确实验原理中设计实验。物理教材中涉及物理量之间的定量关系常常用公式表示。例如：V=S/t、%j=m/v 、I=U/R等等；往往将这些公式作为原理设计实验。测运动物体的平均速度，只要测运动物体的路程以及通过这段路程的时间，围饶测这两个物理量，选用器材和仪器设计实验。有时为了减小误差，还要考虑先测什么，后测什么，选用器材和仪器的规格。在测定电功率实验中，实验设计思路是：根据实验原理，明确要测物理量是电流和电压；根据所测物理量设计电路图，从电路图中体现选用器材和仪器的规格，然后连接实物电路（提醒注意事项、实验步骤），根据所测物理量设计表格。设计思路清晰，给学生程序性知识，学生设计实验能力就会在潜移默化中提高。

3.在比较实验方案中设计试验。在探究欧姆定律实验中，我让学生根据实验原理上台板画设计电路图。甲同学画设计电路图没带滑动变阻器元件符号；乙同学画设计电路图带滑动变阻器元件符号。针对这种情况，让全班同学展开讨论取得共识：甲同学画设计电路图只能测一组电流和电压值，乙同学画设计电路图能测多组电流和电压值，可做到保持R两端的电压不变，且操作方便。比较实验方案虽然费时，但在以后设计测电功率电路费时较少，非常值得。比如在测液体密度时，是直接测量法还是用剩余法好？让学生进行比较，从而培养学生改进实验的意识，到达提高设计实验能力。

4.在明确实验方法中设计实验。初中物理研究方法常有：控制变量法、等效替代法、转换法、类比法、图象法、模型法以及逆向思维法等.根据研究对象，结合教学实际恰当选择研究方法，可以帮助学生理清探究思路，增强实验设计能力。比如，研究物理量同影响它的多个因素中的一个因素的关系，可将除了这个因素以外的其它因素人为地控制起来，使其保持不变；单独研究物理量与这个因素的关系，得出结论。然后再逐一研究综合起来得出规律。当我们研究电阻大小与什么因素有关、凸透镜成像规律等问题时，为什么没有实验原理照样可以进行设计实验，其原因就是明确实验方法。明确实验方法不但可以解决没有实验原理情况下设计实验，而且可以突破器材和仪器及研究者的某些限制。在演示力作用效果时，用手捏紧广口玻璃瓶，广口玻璃瓶形变几乎肉眼看不出。如果我们将红色的水装进广口玻璃瓶，用橡皮塞塞紧瓶口，再用细玻璃管插进橡皮塞中间并伸进广口玻璃瓶里，此时用手捏紧广口玻璃瓶，观察细玻璃管液面变化，就可以看出广口玻璃瓶形变。这个方法就是转换法！可见，实验设计能力强弱与理解、明确实验方法有关。

经过这几年的教学实践和对《义务教育物理课程标准》逐渐理解，要实现物理教学的有效性就要根据自己所教的学生的特点对现存的教学理念、教学方法和教材进行大胆的改革和创新。转变的主旨是将学习的重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从学生的被动接受知识向主动获得知识转化。但这些转化不能操之过急，简单的理解就是在教师的引导下学生能通过自己的探究获得能力的提高就实现了探究实验的有效性。

（责任编辑 全 玲）