指向探究能力培养的物理实验教学探索

钭方健

摘 要：如何在实验教学中培养学生的探究能力，需要教师在开展各类实验教学活动中，渗透实验探究的思想和方法.通过演示实验提炼探究问题，提炼基础实验感悟、实验方法和数据处理的思想，设计多种实验方案开展探索性实验，引导学生经历“问题—证据—解释—交流”的探究过程，逐步提升学生的实验探究能力.

关键词：探究能力;演示实验;楞次定律;实验方法;教学探索

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）15-0043-04

作者简介：钭方健（1968-），女，浙江人，硕士，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》指出，在高中物理课程中，应注重科学探究，尤其应注重物理实验，这在培养学生的探究能力和科学态度等方面具有重要地位.而“科学探究”是指通过对实验情境的观察引出探究问题，然后基于探究的问题提出猜想和假设，设计实验方案，获取和处理数据，基于证据得出结论，并对问题作出解释和交流，感悟科学探究的方法，逐渐形成探索自然的内在动力.本文通过开展演示实验、基础实验和探索性实验的教学研究，倡导多样化的实验教学方法，促进学生探究能力的培养.

1 “演示实验”引出探究问题

演示实验具有操作简单、时间短、现象明显、实验内容与学生生活紧密联系等特点，可以让学生感到亲切自然，主动参与到实验中来.在师生的共同经历过程中，学生感受到物理实验的神奇魅力，体验物理实验的趣味性，因而能更深入理解实验的本质.当形象生动的物理现象和规律在课堂中呈现出来时，学生会感到惊奇、有趣，从而极大地激发探究动力，激励自己带着问题去探究和思考，并进一步对实验现象和提出的问题进行猜想和假设.总之，通过演示实验学生可以学会抓住主要矛盾，忽略次要因素，对实验现象进行分析，很自然地进入课堂学习和思考，在质疑释疑的过程中理解物理概念和规律.这样既丰富了学生的物理知识，又能促进学生在有趣的演示实验中提炼探究问题，激发探究意识.

下面以讲解“楞次定律”演示实验为例进行讨论.

楞次定律的教学目标是如何判断感应电流的方向，从这个目标出发，设计5个演示实验，创设问题链情境，把教学目标进行分解，层层深入，并通过对实验现象进行分析和归纳，从而促进教学目标的达成.

演示实验1：闭合DIS电磁弹射器电源开关（如图1），乒乓球瞬間弹射出去，是什么力使乒乓球弹射出去的？乒乓球上有什么特殊的装置吗？这和我国“辽宁”号航空母舰上的舰载飞机的起飞原理有相似之处吗？

演示实验2：LED感应发光小车（图2）在轨道上靠近和远离磁铁运动时，左右两个二极管为什么会交替发光？

演示实验3：将带有线圈的小车放在光滑的水平轨道上，当把磁铁向右靠近线圈时，小车就向右后退;当把磁铁向左远离线圈时，小车却向左跟过来.为什么会产生这种现象？

演示实验4：让一个小磁体从玻璃管口自由下落，学生都知道磁体做自由落体运动，然后在玻璃管中间套了一截铜管.为什么小磁体的下落速度变慢了？

演示实验5：把铜管换成铜线圈，线圈的两端接上多量程电流传感器，通过DIS实验系统在屏幕上显示，当磁铁进入线圈和从线圈中穿出来时，感应电流的方向相反，而且中间有一段没有感应电流.针对这一现象引导学生讨论分析.

通过演示实验创设问题情境，可以激发学生探究问题和解决问题的欲望，从而促进学生去思考、去探究.通过实验的探究过程，对头脑中原有的知识进行重构，经历同化与顺应，理解物理实验的本质，重新提炼了物理概念和规律，从而使学生在探究能力、实践意识和动手能力等方面得到有效提升.

2 感悟基础实验 探究实验方法

在基础实验教学中，引导学生注重定理的发现和推导过程，逐步培养学生的科学探究能力，感悟物理实验的探索过程和研究方法.下面以“用DIS探究向心力”为例，谈谈控制变量法在基础实验教学中的应用（见表1）.

结论1.根据以上用控制变量法完成的3次实验，结合拟合图像得出向心力F与物体的角速度ω2、运动半径r和质量m，均成正比关系

2.总结归纳出的表达式为F=mω2r

交流应用本实验探究的基本思路是控制变量法，数据处理用到“化曲为直”的方法.其实在实验中实际测出的是挡光杆的速度ΔsΔt，而挡光杆的角速度和砝码的角速度相等均为ΔsΔtR，因此砝码的线速度为ΔsrΔtR.这里涉及建立物理模型、转换测量物理量的思想

3 设计探索性实验方案

引导学生依据课本学习包内容，联系生活实际设计探索性实验，通过提出探索问题，进行猜想和假设，设计多种探索方案、交流展示等环节，充分发挥学生的自主学习能力和探索性学习方式，开发学生的多元智能.下面以“学习包——自由落体运动实验”为例设计探索性实验（见表2）.

分析与结论分析数据：相同的频闪时间内，物体从静止开始下落的高度之比为1∶3∶5∶……∶2n-1

得出结论：实验表明，自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动分析数据：通过对实验数据分析，可以发现小铁球经过4个光电门传感器时的Ht2比值在误差范围内是一个常数

得出结论：实验表明，自由落体运动满足匀加速直线运动的规律H=12at2，由此可以推断自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动

分析数据：由v-t图像的斜率直接得到加速度

得出结论：实验表明，自由落体运动满足匀加速直线运动的规律vt=at，由此可以推断自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动

评价与交流通过频闪照相机将小球自由下落的过程用相同的间隔时间拍摄下来的实验方法，比较传统，由于是在照片上进行数据采集，比较容易产生误差，而且后期的数据处理也是靠同学们手工进行，数据结果不直观由于采用了光电门传感器和数字计时仪等信息化电子设备用于测量和记录数据，测量结果比较精确，实验数据的误差很小，每组数据的比值非常接近，比较容易从数据中发现规律

采用DIS系统和位移传感器测量数据，通过专用软件直接绘出v-t图像，由图像不仅可以判断自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，而且直接读出重力加速度的值，方便快捷

4 结束语

总之，学生通过对演示实验的观察和参与，形成和头脑中原有认知的思维碰撞，从而提炼探究的问题，并对问题形成猜想和假设;通过对基础实验的探究，感悟探究的思路和数据处理的思想方法;结合课本和学习包内容进行探索性实验设计，对结果进行交流、评估和反思.在实验教学中引导学生经历“问题—证据—解释—交流”的探究过程，从而逐步提升学生的科学探究能力.

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] 冯容士，李鼎.DIS，上海创造—数字化实验系统研发纪实[M].上海：上海教育出版社，2018.

[3] 冯杰.高中物理探究实验及案例教学设计[M].北京：北京大学出版社，2011.

（收稿日期：2021-04-12）