实验与理论相交替的物理教学设计探讨

刘增泽 冯 杰(上海师范大学数理学院 上海 200234)

实验与理论相交替的物理教学设计探讨

刘增泽 冯 杰
(上海师范大学数理学院 上海 200234)

新课程对物理教学提出了更高的要求，实验的地位逐渐提高，因此在这种研究背景下，根据新课程的要求，提出了一种交替式教学设计的方法，有助于新手教师较好地进行教学设计.总结给出了在物理学学科特征的指导下，遵循教学设计的共性而设计的一种实验与理论相融合的课程设计，给出了实验为主线和理论为主线的角度的实例，便于读者理解应用.

教学设计 交替 理论 实验

物理是一门实验科学，物理学源于现象和实验中发现的问题，经过实验的探究，产生理论(假说)，并通过可重复性实验的验证，最终再应用于实际生活.我国著名的物理学家张文裕教授曾指出，“科学实验是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础”，伽利略同样重视实验的重要性，曾倡导理论与实践相结合[1].那么实验在物理教学中的地位显而易见，如何处理实验教学与理论教学间的关系，则关系到物理教学的质量.下文将通过物理学是一门实验性科学的这一特征为读者介绍一种基于实验的课程设计模式，这种模式是根据物理学的学科特征来编排的，并且结合中学物理课程的设计特点，明确共性与个性间的关系，总结得出的一套交替式教学设计方法.

1 中学物理教学原则

中学物理教学原则对教师的教学实践具有重要的指导性意义，主要原则有：教育性原则、科学性原则、突出学科特点与注重观察实验原则、注重物理思想方法教育原则、注重科学探究原则、理论联系实际原则等.物理教学原则在实践的发展过程中将不断的完善[2].

2 中学物理教学过程简析

在教学原则的指导下，开始进行教学过程的设计.我国古代思想家孔子就曾提出，教学遵循“学、思、习、行”的4个环节，现在也存在四段论(李秉得，1991)、五段论(王策三，1985)、八段论(田龙翔，1988)等理论[3].那么在实际教学中，通常遵循的是引入-新课讲授-巩固提高-课后习题(实验)-布置作业这个模式,这是源自于教育学的教学设计模式，各个学科都可以遵循此格式进行教学设计.

但这种教学设计并不能体现出物理学的学科特点，因此很多新手教师无从下手具体的教学设计，没有明确地给出实验教学与理论教学之间的关系该如何处理，因此实际教学中经常会出现“先理论后实验的教学设计”，从物理学问题的发现到解决的过程来看，这种教学设计并不符合一个理论产生发展直至最终应用的过程，因此会造成上理论课时学生对理论不理解，而之后的实验课学生也仅仅是从形式上完成了实验，而不知其科学意义，从而破坏了物理学教学的内在逻辑性.这样的课程仅仅是“授之以鱼”，让学生知道了基本理论，但没能“授之以渔”，不能让学生知道物理学是怎样一步一步探究发展起来的，因此在教学设计时就要关注到实验教学的位置.

3 实验与理论交替式教学设计

如何进行教学设计呢？必然的选择是实验教学与理论教学相融合.从学科的本质特征来看，物理是一门实验科学，源于实验终于实验，理论由实验产生，并由实验验证，并最终通过实验转化进行推广应用.因此实验是贯穿于整个学科的研究发展过程之中的.物理学知识又随着科学技术的发展不断丰富完善，而人的学习精力是一定的，因此不可能将所有的知识在短时间内都传授给学生，因此物理教学要达到“授之以渔”，不仅要让学生掌握最基本的物理学知识，更要在基本知识与技能的传授过程中，让学生领悟如何进行物理问题的研究，培养科研能力与创造力，进而提高学生科学素养，让学生能够掌握“渔”要领.因此教学设计需要将物理实验教学与理论教学相融合，并且要符合物理学研究特点，通过教学能够让学生了解实验与理论间的关系，按照实验与理论交替的形式进行，遵循：实验(现象)-基础理论(假说)-探究性实验-形成的理论或规律-验证性实验(转化与应用).本设计与传统的教学设计实际上是相对应的，如表1所示，交替的每个部分又可成为一个模块进行设计.这样的结构不仅可以进行一节课的教学设计，也可以进行一章节或某一模块的教学设计，形成了教学设计的一个思路，在这种大的模式下，还可以从不同角度进行教学设计.下面将从两个角度对交替式教学设计进行具体的解释.

表1 实验与理论交替式教学设计与传统教学设计对比

3.1实验为主线的角度

第一个角度以实验为主线，贯穿课程设计，并以实验为着手点去安排实验对应的理论教学所需的内容，也可以说是一个“因果”交替设计.

3.1.1 从实验在物理问题中所处阶段去设计教学

根据实验在物理问题的产生到解决的过程所起的作用、出现的先后顺序，准确把握教学过程中不同实验所需要出现的位置，形成一条实验的主线设计，再将实验所引出的理论与之相对应，通过实验+理论+实验+理论+实验的基本模式去设计教学.物理学的实验基本按照问题的发现、探究、验证到应用的顺序，在这里介绍一种最常规的方式，课程的基本过程是：现象类实验引入→得出物理的概念→再通过实验探究物理规律→得出规律与公式→实验验证→讲解相关物理知识的应用.

主线：初阶现象类实验+中阶探究性实验+高阶验证性实验

例1：沪教版八年级上册“2.3透镜成像”

首先了解透镜所要展现光学问题的研究过程，然后选择典型实验，形成一条实验主线，然后把典型实验所要得出的需要在八年级阶段讲解的理论穿插在对应的实验后面，便形成了以下的教学简例.

放大镜点燃纸片的演示实验引入新课(初阶现象类实验)→举出生活中其他透镜例子，引出凸透镜、凹透镜的概念并介绍相关的物理概念→通过实验室的标准透镜与光源引导学生观察凸透镜与凹透镜成像的规律(中阶探究性实验)→总结透镜成像的规律→学生分组实验探究凸透镜成像规律(高阶验证性实验)→并由此根据不同物距产生效果不同讲解眼镜、投影仪、显微镜等常用透镜在实际生活中的应用.

例2：人教版八年级上“第六章质量与密度”

首先了解密度问题研究的物理过程，选择研究过程中的典型实验，形成主线，然后把典型实验所展现的需要在八年级讲解的理论知识穿插在对应的每个实验后面，便形成了以下教学简例.

阿基米德测量皇冠真假的历史故事引入新课(经典物理实验故事引入)→举出其他生活事例并引出密度的定义→通过探究性实验探究密度与哪些因素有关→得出密度公式与规律→学生实验测量物体的密度→简介密度在实际生活中的应用.

3.1.2 从实验的复杂程度去设计教学

根据实验的发展规律，实验从一个理论研究开始到结束，一般是经历实验仪器由简单到复杂，技术水平由低到高，那么从这个角度可以根据实验的复杂程度去将实验编制成一条主线，并将理论融于其中.可以遵循：由生活化的仪器和现象引入(问题源于生活)→得出物理概念或基本知识→使用经典常规物理仪器进行规律探究(标准化探究)→得出物理规律及公式→最后通过基于计算机技术的实验验证结论(高精度验证)→联系实际(生活化实验现象的解释).从这个角度便于把握实验与理论相结合时正确选择不同技术层次的实验在课程设计中的位置.

主线：生活化实验+标准化实验+基于计算机技术的实验

例3：沪教版八年级下“5.2热量比热容”

首先按照物理教学目标选择不同层次的实验，按照主线顺序将实验阶梯设计好，然后将相对应的理论知识穿插在对应的实验后面，便形成了以下教学简例.

生活中海边城市昼夜温差较小引入→实验：相同质量的水与沙插入温度计盖上盖子，放置于保温射灯下相同时间观察温度计变化，解释课前引入的实际现象(生活化实验)→引入热传导、热量、比热容概念→通过实验室标准化实验仪器进行比热容与质量、时间、热量之间关系的探究实验(通过控制变量法操作，变量主要为不同光照时间、不同质量的煤油或其他物质、不同功率的照射灯，控制其他量，进而得出对应规律)(标准化探究)→得出比热容的规律→采用DIS比热容实验组合进行精确地对应关系研究(基于计算机技术的实验)→进而得出比热容公式→讲解比热容在生活中的实际应用(可以解释课前沿海内陆昼夜温差的不同).

例4：沪教版九年级上“7.4并联电路”

同样的设计过程，在电学电路这部分也是适用的，首先按照物理教学目标选择不同层次的实验，按照主线顺序将实验阶梯设计好，然后将相对应的理论知识穿插在对应的实验后面，便形成了以下教学简例.

拆开的插排展示给学生其内部结构引入新课(生活化实验)→引入并联电路的定义→通过实验室标准化仪器探究并联电路的电路特征(经典实验)→得出相应规律并得出相关物理公式→学生通过电脑模拟建立电路模型观察串并联电路的不同功效及特征并设计生活电路，保证学生安全(基于计算机技术的实验).

从实验为主线的角度，还可以从很多方向去设计教学，以上两个角度是与教材设计吻合度较高的两个角度，当然还有其他角度，不同角度会有不同的设计方案，比如操作主体角度，过程：教师演示实验→引入新课得出概念→学生独立实验→掌握仪器使用→了解仪器的基本常识→小组合作探究→得出物理规律→介绍实际应用→学生个体生活实验→解决实际问题.此不一一列举.

3.2理论为主线的角度

理论为主线的角度强调以理论为着手点去设计对应的实验，也可说是“果因”设计.当然依然遵循实验+理论+实验+理论+实验的基本模式去设计教学，但在设计的过程中需要优先考虑所要讲述的理论知识，然后根据所需的理论知识去匹配所需要的实验.这个角度适合传统以应试为主的教学设计的转型，基于理论寻找实验，通过交替式的模式，可以较快地在传统教学设计的基础上转变为一种适应新课程要求的教学设计.

主线：基础理论+公式/规律+实际应用

例5：高中《物理·选修1-1》“3.4法拉第电磁感应定律”

首先从教材中选取所需讲解的理论知识，形成理论主线，感应电动势+电磁感应定律和公式+电磁感应定律公式变式及应用，进而设计相对应的实验，形成以下简例.

磁铁划过闭合线圈使连接的LED灯组亮起从而引发思考→引入感应电动势定义(基础理论)→通过影响感应电动势大小的实验探究→得出电磁感应定律和公式(公式/规律)→公式推导→得出电磁感应定律变式并讲解实际应用(应用).

4 结论

交替式的物理教学设计是建立在教学设计的共性之上，基于物理学教学的个性实验性而设计出的一种课程设计的模式，本模式还原了物理研究的原始过程，提供了一种可参考性的物理教学设计模板，可以使新手教师快速入手教学设计，同时理论角度为改革传统的教学设计提供了方法，同时遵循物理学科的特征，将实验教学与理论教学相融合，便于学生知其因，知其果，使学生能深入了解物理研究的科学过程，提升科学素养.实现“授之以渔”的教学效果.

1 安金辉.伽利略的方法论思想:[学位论文].武汉：武汉大学,2002

2 冯杰.中学物理课程与教学论.北京：北京大学出版社，2011

3 张传燧.教学过程新论.教育理论与实践,1995(03):14～17

DiscussiononPhysicsTeachingDesignBasedonIntersectionofExperimentandTheory

Liu Zengze Feng Jie
(College of Mathematics and Science，Shanghai Normal University, Shanghai 200234)

The new curriculum has put forward higher requirements for the physics teaching and the status of the experiment.In the background of this research, according to the requirements of the new curriculum, an alternative teaching method is proposed, which is helpful to the new teacher.Based on the characteristics of physics, under the guidance of the characteristics of physics, this paper designs a kind of experiment and theory which is designed according to the commonness of teaching design. From the two angles given examples, respectively, the experiment as the main line and the theory as the main line for teaching design, the purpose is to better understand and apply to the reader.

teaching design; alternation; theory; experiment

2017-02-28)

刘增泽(1993- )，男，在读研究生，研究方向为创新型课程、实验设计和实验模拟.

指导教师：冯杰(1961- ),男，教授，研究方向为中学物理教学及大学物理教学.