高中物理探究实验活动类型及思路

侯丹 尹航宇

摘要：在总结高中物理探究实验的基础上，根据学生完成探究活动任务所需要程序的特点不同，分析学生对任务处理的方式，将高中物理探究实验活动分为六类，并对学生完成探究活动的一般思路进行分析，为促进高中物理教师更有效的教学提供一些理论依据。

关键词：高中物理 探究实验 探究实验活动类型 探究实验活动一般思路

物理探究实验活动是高中物理教学中一项重要的组成内容，通过探究实验活动，不但可以提高学生学习兴趣，促进学生对物理学知识本质的掌握，还可以培养学生解决问题的能力，从而提高学生整体的科学素养。为了协助教师更加有效地完成物理实验探究教学，本文在梳理高中物理实验探究活动的基础上，对物理探究实验活动的类型进行分类，并针对不同活动类型的一般探究思路进行分析和总结。

一、物理探究活动的基本类型

物理实验最传统的分类方式是根据物理学科知识内容将其分为力学实验、热学实验、光学实验、电学实验和近代实验；若根据研究目的进行分类，可将其分为决断性实验、模拟性实验、对照实验；若根据教学目的和要求可将物理实验分为探索性实验、验证性实验、基本训练性实验、测定物理常数和物理量的实验、设计性实验；若根据物理学科知识本质及知识探究本质类型可将物理实验的内容分为测量物理量、探究验证物理规律、物理知识应用。

从梳理高中物理课程标准探究活动建议的主题的结果来看，高中阶段的物理探究实验分布于力、热、光、电四大模块中，主要包括物理量测量、物理规律验证、物理规律推理、物理规律研究、物理知识应用、传感器实验研究等方面。基于以上分析，本研究将从物理探究实验的本质特点出发，将物理探究实验分为“测量性实验探究”、“验证性实验探究”、“推理性实验探究”、“研究性实验探究”、“应用性实验探究”、“传感器实验探究”六种探究活动类型。通过这六类探究活动的完成，习得核心物理知识、应用物理知识、掌握基本物理实验技能、训练科学探究的思维与方法，提高科学素养。

二、物理探究活动的一般思路

“物理探究实验”一直肩负着学生“发现问题”和“解决问题”的重任。“发现问题”指在物理探究实验的过程中发现自己的认知冲突，在教与学的过程中，通过探究的逐层深入提出问题，然后让学生在真实的情境中解决真实的问题。而通过本研究的分类方法，物理学科中真实的问题被分为“物理量测量”、“物理规律验证”、“物理规律推理”、“物理规律研究”、“物理知识应用”、“传感器实验研究”等方面的具体探究问题。实验的探究过程是一个认知过程，它要求学生具有能够将知识应用于实际情境中的能力，即当个人面对问题情境没有现成方法可以利用时，将已有情境转化为目标情境的认知过程，同时实验探究的过程又是学生的一个心理活动过程，即当他们面临新的情境时，为解决新的问题与主客观之间的矛盾而形成的处理问题的一种心理活动过程。

因此，应用物理探究实验活动进行教学不仅是培养学生的物理实验技能，更重要的是培养学生发现物理问题、解决物理问题、研究物理问题的实践能力，这是过程学习方法中较高层次的要求。

1.测量性实验探究活动的一般思路

物理量测量一般包括直接测量类活动和间接测量类活动。直接测量类活动为物理实验的基础学习，通过对物理量的直接测量，熟练掌握基本测量仪器的使用，为进一步进行物理实验打下基础；间接测量类活动，则通过物理量之间的关系，寻找与待测量相关的能够直接测量的物理量，进行测量后，通过公式计算出待测物理量。因此，本研究只对间接测量物理量进行探究活动的相关研究。

测量物理量探究活动的核心问题是物理量之间的相互关系；测量物理量探究活动的核心步骤为通过探寻物理量之间的相互关系，间接地测量物理量。例如，速度的测量、电源电动势和内阻的测量、分子直径大小的估测等，所利用的基本知识主要有速度、时间、位移的关系，加速度、速度、时间的关系，欧姆定律等。

在进行测量性实验探究活动时，第一步都是要进行与待测量量相关的可直接测量量的分析探究。判断待测物理量是否可以直接通过测量仪器测量出，如不能直接测出则需要寻找与之相关的可以直接测量的物理量，确定这些物理量的关系式，用关系式通过直接测得的物理量计算出待测物理量。图1为确定直接测量量的流程图。

（1）力、热测量性实验探究活动的一般思路

对于力学和热学类测量性实验探究活动而言，探究的第一步为寻找与该待测量相关的可直接测得的物理量，并确定他们之间的关系（如图1所示）。第二步为选择测量所需的实验器材，确定实验步骤，对实验可测量量进行测量。第三步，根据测量方法选择合适的处理实验数据的方法对测量结果进行计算，如逐差法、图像法、列表法、平均值法等，得出待测量。最后，对计算结果进行误差分析，进一步修正待测量的结果。具体流程如图2所示。

（2）电学测量性实验探究活动的一般思路

对于高中的电学测量类实验探究活动，本质均为电流、电阻、电压三者之间关系的探究，利用的原理均为欧姆定律。在进行探究活动的过程中，主要需要学生确定各个器材的关系，选择正确量程的测量器材，选择合适的电路连接方式，对待测量进行测量，测量结束后选择合适的数据处理方式，对结果进行处理，并进行误差分析。具体流程如图3所示。

2.推理性实验探究活动的一般思路

在物理规律的学习中，有很多物理规律的探究，是需要学生通过推理研究后分析推导得出的。探究活动的一般思路为：第一，要根据所探究的问题，进行科学猜想。猜想与所需探究的物理问题相关的物理量有哪些，这些物理量之间存在着哪些相互的影响。第二，通过讨论、分析与研究，确定与待探究物理问题相关的物理量。根据已有的物理知识猜想这些物理量之间的关系，可以通过理论推导计算等方法进行猜想。第三，选择合适的实验器材，设计实验步骤，确定实验内容。在确定实验内容的过程中，需要进行分析，从而不断改进实验步骤，更换合适的实验器材，使实验更加准确。最后，进行实验，对实验结果进行处理，并进行误差分析，得出需要探究的结论。

学生在进行推理性实验探究的过程中，需要不断进行实验的尝试，并不断改进实验计划，通过分析总结、计算图标等方式推导出需要探究的物理问题。具体探究活动流程见图4。

3.验证性实验探究活动的一般思路

对于验证性实验探究活动，在探究的过程中，学生要学会选择恰当的思想方法，包括等效法、控制变量法、转换法、累积法、留迹法等。选择恰当的实验方法后，通过对实验现象进行观察、对实验结果进行分析来确定所验证的物理问题。

验证性实验探究活动的一般思路为：第一，根据待研究物理问题确定相关的物理量；第二，根据待研究物理问题，选择恰当的实验思想方法；第三，选择合适的实验器材，设计实验步骤；最后，观察实验现象，对测量实验所测得的数据进行处理，分析实验结果，验证待验证的物理问题。具体流程见图5。

4.研究性实验探究活动的一般思路

在进行物理探究实验过程中，有一类物理实验是针对某一物理现象或物理问题，利用某一已知的物理定律、物理定理或物理公式来进行研究的实验。对于这类物理实验，学生在探究的过程中，需要根据已知的物理知识设计相应的实验过程进行探究。

研究性实验探究活动的一般思路为：首先，根据待研究的物理现象或物理问题，确定与研究相关的物理定理、物理定律或物理公式；其次，明确与研究相关的物理量，选择恰当的实验器材，进行实验设计；再次，进行实验测量，测量的过程中对实验设计进行改进；最后，选取合适的实验数据，用适当的方法对实验数据进行处理，分析实验结果，完成探究活动。具体流程见图6。

5.应用设计性实验探究活动的一般思路

在物理学的学习过程中，学生习得一定的物理知识，会应用这些物理知识设计相应的物理实验进行进一步的物理知识学习，同时也起到巩固物理知识的目的。这一类实验，还包括物理实验器材改进、物理实验方法改进、自制物理实验器材、解释生活中的物理现象等。

（1）解释生活中的物理现象的应用设计性实验探究活动的一般思路

对于生活中的物理现象，要求学生能够根据已习得物理知识对其进行正确的解释。对于生活中物理现象的探究，学生首先要通过科学猜想，确定与生活中物理现象相关的物理知识、物理规律等，然后通过已习得的物理实验方法及实验思想设计实验进行验证，最后正确地解释生活中的物理现象。

（2）实验器材改进、自制物理实验器材的应用设计性实验探究活动的一般思路

对于实验器材改进、自制物理实验器材的实验探究活动，学生首先根据所选实验内容，根据已习得的物理知识，确定实验原理，对实验器材、实验方法进行改进或自制实验器材，再通过具体实验项目进行测量，确定改进器材、改进方法或自制实验器材能够更好地替代原有实验器材进行实验。

综上所述，应用设计性实验探究活动的一般思路为根据已有物理知识，确定待解决的问题；通过科学猜想，确定实验原理、实验步骤；进行实验验证，验证实验问题。具体流程如图7所示。

6.传感器实验探究活动的一般思路

随着传感器技术的广泛推广，传感器也逐渐被应用于物理实验中，用于更加精确的测量物理实验数据，也用来观察许多采用传统物理实验所不能观察到的物理现象。例如，测量电流选择电流传感器、不可直接测量的速度可选择位移传感器直接进行测量、观察不可见的声波可选择声音传感器进行观察等。

在对传感器实验探究活动的研究中，学生根据所要研究的物理问题，确定与待研究问题相关的物理量，根据待测量量选择适合的传感器，设计实验步骤，进行实验探究。具体流程如图8所示。

通过对高中物理探究实验活动的分类及实验探究一般思路的分析与总结，可知学生在进行不同探究实验活动时采用的处理方法和完成活动任务的程序均有各自不同的特点。因此，教师在授课的过程中，应首先确定探究实验活动的类型，参考探究活动流程图，明确每一步探究活动对学生特定的能力培养内容，从而促进课堂的有效教学，使学生在物理探究实验的过程中，提高物理实验探究能力，理解物理知识的本质，学会物理知识的应用，达到全面提高学生科学素养的目的。

参考文献

[1] 张乃达.数学思维教育学[M].南京：江苏教育出版社，1990.

[2] 李春密，梁洁，蔡美洁.中学生科学探究能力结构模型初探[J].课程·教材·教法，2004（6）.

[3] 郭玉英.学生的科学探究能力：国外的研究及启示[J].课程·教材·教法，2005（7）.

[4] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003.

[作者：侯丹（1984-），女，内蒙古通辽人，天津师范大学物理与材料科学学院实验师，博士；尹航宇（1987-），男，内蒙古通辽人，内蒙古通辽市三中教师。]

【责任编辑 郭振玲】