基于拓展性学习的高中物理实验教学策略研究

［摘要］ 学生学习的过程并非机械性积累或识记知识，而是需要在社会文化的环境中深度经历知识的现实应用并掌握学习知识的方法。面向高中物理实验教学，拓展性学习理论提示了未来教学的改进方向，应当在传授操作技能的基础上，转化实验原理，寻求合作探究，促进图式建构，进而生成科学观念。基于拓展性学习理念，高中物理实验教学可采用提供示证性实践机会、延伸实践性工程应用、设置挑战性学习任务、导引整体性方案设计与回溯历史性探究程式等策略来达成目标要求。

［关键词］ 拓展性学习；高中物理；实验教学；科学探究

传统教学往往强调机械性积累，而拓展性学习理论则提倡学生在社会文化环境中深度体验知识的实际应用与来源。这种从被动接受转为主动探究，从简单传授知识转为引导学生思考和推断，从机械操作转为理论探索的学习科学理论，对于当下教学具有重要的指导意义。根据拓展性学习要求，高中物理实验教学不能止步于操作技能的传授，还要引导学生深度体验知识在社会文化环境中的实际应用和来源。首先，教师应着重转化实验原理，让学生理解实验背后的科学规律，培养其实验设计和问题解决能力。其次，鼓励学生寻求合作探究，通过团队合作解决问题，增强交流和协作意识。此外，图式建构也至关重要，教师要帮助学生规划对物理现象背后原理的实验探究设计，形成独特的认知模式，加深对物理世界的理解。最后，通过生成科学观念，引导学生思考、探索，并从实验中掌握科学探究的一般方法，形成批判性思维和科学探究能力。下面，研究者就拓展性学习的高中物理实验教学的策略进行探讨。

一、提供示证性实践机会，传授操作技能

拓展性学习提倡通过亲身实践和体验学习，让学生更好地接受文化知识，并更深入地理解知识，发展批判性思维。在物理实验教学中，同样可以通过提供示证性实践机会，使得学生不仅能够观察到理论知识在实验中的应用，还可以学会如何操作实验仪器、进行数据记录和分析等关键技能。这种方法利用了观察学习和模仿的原理，让学生通过观察教师展示正确的操作步骤，并尝试模仿实施，从而逐步掌握实验操作技能。一般来说，该策略大致遵循如下过程：教师首先展示正确的实验操作流程和技巧，注重细节和关键步骤的演示；随后，教师引导学生模仿示范的实验操作，鼓励他们熟练掌握每个步骤；紧接着，教师在学生进行操作时提供指导和支持，及时给予反馈并纠正错误，以帮助他们改进操作技能，同时鼓励学生多次练习和实践，加深对操作步骤的记忆和理解，直至能够独立完成实验操作；最后，教师定期评估学生的操作表现，并提供必要的指导和建议，帮助他们不断提升实验操作技能。

例如，在进行高中物理“光的折射”这部分内容教学时，便可以先进行示范操作，即教师展示将一束光线从空气射入玻璃砖时的折射现象，并示范如何使用尺规或量角器测量不同入射角度下的折射角。紧接着，便要求学生依次模仿教师的操作，尝试用光源、玻璃砖及测量工具进行实验，同时依据示范的方法，测量不同入射角度对应的折射角，并记录数据。教师在学生操作过程中应提供指导，纠正错误的操作方法，并解释可能出现的误差。学生通过多次的实验操作，可以准确测量并计算得出光的折射定律公式，培养了他们的实验操作能力与问题解决能力。之后，教师则需要评估学生的实验报告，检查他们的数据记录和分析是否正确，并依据学生的表现，提供进一步指导，以帮助他们加深对光的折射现象的理解。这种拓展性学习的过程有助于激发学生的学习兴趣，提高动手操作能力和科学思维水平。

二、延伸實践性工程应用，转化实验原理

延伸实践性工程应用旨在通过延伸学生在实验操作中学到的理论知识，促使他们将所学的实验原理应用到实际工程项目中。这可以帮助学生更好地理解理论知识，并将其转化为实际应用能力。就拓展性学习来看，这种教学策略强调通过将知识应用于新领域或情境中，来巩固和加深学习效果的重要性。因此，在延伸实践性工程应用的过程中，学生应当更全面地理解和运用所学的实验原理，以期提高自身学习成果。在实际教学中，教师可以通过提供实际案例、设计综合性实验、开展实践性项目和鼓励创新探索等方式，帮助学生将所学的知识综合应用到工程实践中。具体而言，教师一方面提供真实的工程案例引导学生思考，并将理论知识与实际问题相结合，另一方面则需要设计涉及多个实验原理的综合性实验，培养学生综合运用知识的能力，让学生参与实际工程项目或实验，从中学习并应用实验原理，加深对理论的理解。同时，教师也要鼓励学生在实验过程中尝试新的方法和思路，促进他们将实验原理转化为创新的工程应用能力。经过上述一系列的实验教学步骤，学生能够加深对实验原理的理解，并为将来的工程实践打下坚实的基础。

以“测量弹簧振子周期与频率”的实验为例，通过这个实验，学生可以探究弹簧的弹性并了解振动规律。在传统教学中，学生可能只是简单地测量周期和振幅等参数，而采用上述的教学策略后，教师可以引导学生模拟地震波传播来设计工程项目，并思考如何有效推进落实。首先，学生需要准备所需材料，包括弹簧、支架、小球等。接着，他们可以按照指导书上的步骤，组装弹簧振子装置。一旦装置搭建完成，就可以开始调整弹簧的参数，如长度和材质，以模拟不同地震波条件下的传播效果。通过观察小球在振子上的运动轨迹和振幅变化，学生能够深入理解振动原理，并探讨地震波在不同介质中的传播规律。随后，教师带领学生进行实验数据的记录和分析，比较不同振动条件下的结果。通过讨论实验现象背后的物理原理，学生可以进一步加深对地震波传播机制的理解。最后，教师与学生共同思考如何将所学知识应用到实际的地震减灾工程中。通过这个实验项目，不仅可以锻炼学生实验设计和数据分析的能力，还能培养他们解决实际问题的能力，为未来的科学研究和工程实践打下坚实基础。

三、设置挑战性学习任务，寻求合作探究

学习不仅仅是掌握知识，更重要的是通过对知识的探究和应用来做到真正理解。实则，就拓展性学习来看，学生需要在社会性参与的同伴互助中学会学习、发展思维。设置挑战性学习任务可以引导学生主动参与学习过程，激发其自主学习的动机；而合作探究则能促进学生在协作中相互借鉴、共同成长，从而达到社会性参与的效果。在具体的教学中，教师应创设具有一定难度和挑战性的学习任务，让学生积极面对挑战，激发他们的求知欲和解决问题的意愿。同时，学生应分成小组展开合作探究，共同讨论、探索和解决问题。在这个过程中，学生不仅可以相互借鉴、共同成长，还能培养团队合作精神和解决问题的能力。诚然，教师在整个教学过程中，应提供必要的支持和指导，确保学生理解任务要求，并助推学生自主探索和实践，在团队合作中发现并解决各种问题。此外，教师还应当鼓励学生分享彼此的发现和见解，推动知识的共享和交流；并引导学生总结学习经验和成果，评判自身的学习过程，从而达到扶放有度的教学效果。

例如课外拓展的热力学定律，就可以设置“热力学”实验。学生通过测量不同物质在加热或冷却过程中的温度变化，可以了解热能传递和热容量的概念。他们需要选择合适的实验方法和仪器，进行数据记录和分析，以探讨热力学规律。这一挑战性任务，旨在激发学生对热力学现象的思考和实践。详细说来，课堂上学生分组展开合作，共同制订实验计划、安排实验步骤和记录观察结果。在实验过程中，学生可能面临如何准确测量温度、如何控制外界影响等挑战，需要充分运用团队力量合作解决，这有助于培养他们的实验技能和协作意识。与此同时，不同的小组选择的实验材料不同，有些可能采用气体，而有些则可能采用液体进行热力学定律验证。教师需要给学生提供必要的支持和指导，启发学生深入思考和探究。学生分享实验数据并相互学习，在学习共同体中掌握科学知识的一般性来源与实践应用。在最后的总结反思阶段，学生可以回顾实验过程中的各种问题和取得的收获，巩固与加深对热力学原理的理解。

四、导引整体性方案设计，促进图式建构

在实验教学过程中，通过设计综合性、整体性的实验方案，引导学生将零散的实验观察和数据整合成为结构化的认知图式，从而使他们更深层次地理解和学习。这种教学策略要求教师在实验设计中注重将实验原理、实验步骤、数据与结论、评价与反思有机地结合起来，让学生能够清晰地理解实验之间的内在联系和组织结构，帮助他们更好地掌握科学实验原理和方法。拓展性学习理论强调，学习的关键在于如何将新知识与已有知识进行联系、扩展和转化。经由整体性实验方案设计的学习过程，学生可以建立起更为完善和有机的认知结构。详细说来，教师应首先确定实验的主题和目标，并向学生解释实验背景以激发他们的学习兴趣。随后，教师需要让学生设计综合性实验方案。这一环节对学生的实验设计能力和创造性思维提出了挑战，要求他们综合运用所学知识、理解实验原理，并具体规划实验步骤、材料准备和数据收集与分析的方法。通过让学生参与实验方案的设计，可以促进他们独立思考，有助于其问题解决和创新能力的培养。

为了培养学生的探究精神和开放思维，在高中物理实验教学中，可以引导他们进行一项关于动量守恒的实验设计。在这个实验中，学生有机会自主选择实验材料和装置，设计并实施能够验证动量守恒的实验方案。教学伊始，教师鼓励学生分组自主设计实验方案，在确定实验设计原理后，分组进行方案交流与讨论，确定其可行性。之后，学生自主选择实验材料，如选取气垫导轨和光电门，或用平抛仪，或采用智能小车碰撞来验证动量守恒。紧接着，让学生按照设计方案进行实验操作，测量碰撞前后各物体的速度和动量变化。学生通过分析实验数据，得出各物体碰撞前后的动量，从而验证动量守恒定律是否成立。最后，学生展示实验结果，与同学讨论实验现象，并结合理论知识对结果进行解释和总结。通过这个开放性实验设计，锻炼学生自主思考和实验设计能力，培养他们解决问题和科学探究的能力。此外，在实验结果的讨论过程中，学生将更深入地理解动量守恒定律的实际应用和重要性，深刻认识物理理论，有效建构整体概念图式。

五、回溯历史性探究程式，生成科学观念

科学史进程中蕴含着体现各种程序性知识与认知性知识的丰富育人资源。通过回溯历史，学生可以看到科学观念是如何逐步发展和完善的，以及不同时期的科学家们是如何通过实验和探索来形成这些观念的。这种教学策略，旨在引导学生通过分析历史背景和科学实践，推导出科学观念的产生和发展过程，从而促使他们形成更加深入和全面的科学认识。根据拓展性学习的学会思维要求，教学中应着力培养学生思维的整合力，即能够将零散的知识点整合为有机的知识体系。通过科学史回溯，学生能够将不同时间段、不同科学家的研究成果整合在一起，形成对于某一科学观念的全面认识，而不仅仅停留在浅表的概念层面。拓展性学习的学会思维要求强调，获取知识从何而来是一项重要的学习活动。这提示了教师需要回溯历史性探究程式，以帮助学生深入理解知识的起源、发展和演变过程。在回溯科学史蕴含的探究程式过程中，教师积极引导学生探索知识的来源和演变历程，帮助他们更好地理解知识的本质属性与内在联系。

对于拓展性实验：“测定电子的电荷量”的教学，教师可以引导学生回溯科学史中探究过程，重温科学探究的一般程序，并生成科学观念。具体来说，该实验通过测定电子的电荷量，让学生了解元电荷的概念、其重要性及科学研究的一般方法。学生在测定电子电荷量的过程中，认识清楚了电子电荷是什么。首先准备所需的实验材料，包括电源、导线、密立根油滴实验仪等，然后学生向真空室中喷射微小油滴，调整电场强度，使油滴达到平衡。通过数据分析得到电子电荷的大小，加深了对物理世界中基本粒子性质的理解。在实验的同时，学生回溯科学史，探索电子电荷的发现历史，如康普顿散射实验、弗兰克-赫兹实验等对电子电荷性质的验证作用。通过结合实验数据和科学史背景，学生将顺利生成对元电荷的科学观念。此外，教师还可以通过讲述电子电荷的重要性和应用领域，如电子学、半导体器件等，激发学生对前沿科学技术发展的兴趣，并帮助他们将所学知识与现实应用联系起来。

［本文系江苏省教育科学“十四五”规划2021年度重点课题“促进深度学习发生的物理实验5E教学模式研究”（项目编号：B/2021/02/45）研究成果］

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蔡卫东   江苏省前黄高级中学，正高级教师，江苏省特级教师。