让探究性实验教学走进高中物理新课堂
我国新颁布的《普通高中物理课程标准》，减少了一些验证性实验,增加了较多探究性实验，提倡将演示实验尽量转化为学生的随堂实验，同时提倡学生在教师的指导下进行探索性实验,强调要突出培养学生的创新精神和实验能力，提倡“引导学生质疑、调查、探究、在实践中学习”。
所谓探究性实验是在假设的指引下获取支持或推翻假设的科学实证，是以实验为载体探究科学结论形成和发展的过程，是在教师的指导下，学生运用已学过的知识、技能，把自己当做新知识的探索者和发现者，通过实验亲自发现问题.探究性实验由于其重视过程和方法，有利于提高学生发现问题、解决问题的能力，培养与他人合作的精神，养成实事求是的科学态度，有利于学生创新能力的提高和主体性的发挥。强调通过实验探究提高学生的科学素养，已成为当前实验教学改革的主要方向。
在新课改的物理实验教学改革中，对传统实验教学进行了新一轮的反思，在新课程背景下开展了高中物理探究性实验教学的研究并获得了一些体会。
一、研究背景
目前在应试教育的影响下，物理实验教学难以发挥它应有的作用。许多教师认为“做实验不如看实验（录像），看实验（录像）不如讲实验”,很少做实验，不愿花时间从事实验教学，实验只被作为收集数据，验证理论，应付考试的工具。学生实验形成了教师讲，学生做，教师示范，学生模仿的教学，学生成为被动的接受者，以至于学生很少提出问题。大多数学生重结果而轻过程，为了得到期望的结果，甚至修改实验数据。没有养成实事求是的科学态度，没有学会解决问题的科学方法，学生的主体地位远没有得到重视，学生缺乏主动探究的欲望和热情，忽视了实验对学生科学思维方法和创新能力的培养。
新课程指出高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与，乐于探究，勇于实验，勤于思考。通过多样的教学方式，帮助学生学习物理知识和技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度和科学精神，因此，高中物理实验教学迫切需要改革。
二、探究性实验教学的心理教育理论依据
1.中学生的心理特点
高中生心理发展正处于从幼稚向成熟的过渡阶段，其心理特点表现为：精力充沛、热情高涨；想象力较丰富，开始有独立思考能力；求知欲强，具有质疑思想；抽象逻辑思维开始发展，有一定的发散思维，迫切希望能有证明自己价值的途径；自我意识觉醒，主动性、自尊心增强，渴望与人交往；有积极向上进取的精神。由于高中生身体正开始走向成熟，而心智发展明显滞后，所以容易表现出消极的一面：如滥用精力与蛮干，急于求成、缺乏耐心，过分凭借想象力或凭空想象，不善于将精力集中，容易气馁等等。
2.高中物理的特点
物理学是整个自然科学的基础，除了具有丰富的物理知识外，还包含丰富的社会科学知识和科研方法，它是一门以实验为基础的严密的理论科学和定量的精密科学。高中物理又有以下几个特征：
基础性：高中物理不但是其他自然科学的理论基础，而且是一切技术科学的理论基础，所采用的科学研究方法也是其他自然科学进行科学研究普遍使用的方法。
实践性：高中物理特别重视与实践相联系，重视用实验去验证相关理论，重视与生活实际相结合。
前沿性：新版高中物理现在也要求扣紧物理前沿知识，如激光、超导、电磁流、反物质等。
探索性：探索的目的是使学生灵活有机主动地学习物理知识，使学生初步掌握主动获取知识的能力，更重要的是培养学生运用物理知识解决问题的能力。
3.探究性物理实验与传统物理实验的不同
传统的物理实验大多是验证性的，学生很少积极主动思考，而教师也很少留给学生独立思考的余地，试验操作也是学生按照课本事先写好的实验器材、实验步骤直接操作,学生的情绪调动不充分，没有新意、没有悬念，学生很难成为知识的创新者。
探究性物理实验作为学生的一种积极主动的认识建构手段，作为物理实验的一种形式，它既有别于测定性实验，又有别于一般的验证实验。探究性实验的目的在于使学生获得物理实验研究方法的训练，让学生接触探索、发明、发现的过程和方法。在探索发现的过程中，发展学生理性的、批判的思想方法，体验学者研究的苦衷和愉悦，培养他们的发现、探究能力。要达到这种目的，就要使学生在进行探究性实验时发生认知冲突,这要求探究性实验设计首先要足够“新颖”。正是这种“新颖”的刺激，才会激发学生对探索
2 的兴趣，才能引起学生探索的欲望，才使得它与主体原有的“定势”相矛盾、相对立，才能产生认识上的不协调和冲突。比如，我们设计的“测定没有系统误差存在时干电池的电动势和内电阻”实验，要求学生自己设计电路、得出数据，并求出没有系统误差存在时电池的电动势与内电阻，这体现高中新课程探究性实验的“新颖”。
三、探究性实验教学的几点探索
在教学中，我们立足教材，以高中物理的教学内容为出发点，将演示实验转化为学生探究科学的实验，将学生验证性实验转化为探究性实验，将教材中出现的实验问题设计为探究性实验，将教材中的“阅读材料”、“思考讨论”、“做一做”、“小实验”等设计为探究性实验。对探究性实验进行初步探索，旨在激发学生学习物理的兴趣，使学生了解科学探究的基本过程、方法与艺术，拓展学生的想象力、知识视野、创新思维能力，增强科学协作精神和学术研讨气氛，有效培养学生的科学素养。 1.将演示实验转化为探究性实验
在演示实验中，利用新的教学理念、“演示实验”的教育功能，创造性地使用教材：对于必须由教师亲自做的演示实验，使用探究法的叙述代替结论性的解释；运用科学家的思维方式分析和处理资料；将易操作、易成功，没有破坏性和危害性的实验改为学生的探究实验。
比如:在学“超重和失重”时，将可乐瓶底部及瓶盖戳有小孔的可乐瓶装满水,让它从高处自由下落,演示水的完全失重现象。演示这个实验时,教师往往只演示了装满水的可乐瓶静止在手中时,水从小孔中喷出；再让它从高处自由下落时水不会流出,从而说明物体处于完全失重状态,这时a=g。
这样做的后遗症是,学生不能真正理解失重的本质,往往还认为水不能流出是因为水失去了重力,这样不仅起不到巩固知识反而起反作用。因此将此演示实验改成学生探究性实验: 1.将底部四周戳上小孔,可以让各个方向的学生看清楚现象。
2.装满水的可乐瓶静止在手中时,反复几次用手指堵住,放开瓶盖上的小孔使学生清楚水的流动情形,理解水不能流出不是由于没有重力,而是压力不够(大气压)。
3.装满水的可乐瓶静止在手中时,将手指堵住瓶盖上的小孔,用另外一只手挤压瓶身,看到水流出,说明了水的流出是由于水的压力作用, 并不是由于水的重力作用。
3 4.通过实验让学生亲身领会,物体的超重(失重)是由于物体对支持面的压力大于(小于)物体的重力.2.将学生验证性实验转化为探究性实验
建构主义理论认为，学习不是教师向学生传递知识信息、学生被动吸收的过程，而是学习者主动建构知识意义的过程，这一过程是不能由他人所代替的。原教材基于安全、规范等因素考虑，所安排的“学生实验”大多数是根据课本设计好的方案，由教师提供实验方案与仪器，再让学生动手操作，最后填写“实验报告”。这种程序限制了学生的创新思维与分析、解决问题能力的建构。为此，根据客观条件和学生认知结构的特点，有选择地将一部分验证性的学生实验改为探究性实验。
比如:新教材第三个学生实验《研究匀变速直线运动》，传统的教学往往是给出实验目的、实验器材、实验原理，让学生完成已设计好的表格，计算得出结论。这样重在结论的得出和操作技能的培养，而忽视了实验设计思想，学生只是单纯的模仿、重复教师的演示，他们自身的思维活动被严重压制，不会考虑如何使用实验所给的器材去做实验，更不会自己设计一个实验方案、寻找其它方法。所以，我们在教学中尝试将探究性实验渗入课堂教学中，我们给学生如下的实验器材：打点计时器，纸带，小车，砝码，滑板，刻度尺。利用所给器材设计测加速度的实验。
教学设计如下：
（1）提出问题：本实验的目的是测加速度，它是个间接测量值，那么根据什么原理可以间接测量呢？ （2）学生讨论：
甲：根据Vt2=2as，可以测出a 乙：根据S=V0t+1/2at2
丙：根据Vt=V0+at，可以测出a 丁：如果让物体从静止开始运动，测S=1/2at2可以测出a 戊：用V-t图线的斜率可以测出a （3）方案论证
学生实验原则上要求器材简单，便于操作。学生们在讨论中发现甲、乙、丙这三个方案的关键在于测出速度，实验器材需要测速计，而由于实验器材
的限制，无法直接测出速度。教师提出问题：如何测速度？学生讨论后回答：
利用上次学生实验测速度的实验结论：物体做匀变速直线运动时，中间时刻的速度等于该段时间的平均速度，即可求出某时刻的速度。所以，甲、乙、丙、戊这四个方案也是可行的，而对丁的方案都觉得很好，用打点计时器测量就可以知道S、t，测a比课本中方法简单多了。
（4）教师提示
小车水平拖动纸带从静止开始运动，因为是先接通电源，后释放小车，第1个点速度为零，但纸带上的第
1、2点间的时间间隔不一定是0.02s，而原理中取t的平方，误差相对太大。所以用ΔS= at2，测a还是比较科学、合理的。学生至此也就理解了课本中为什么采用这个原理来测a。
（5）学生实验操作完毕后，得到点迹清晰的纸带 （6）数据分析与处理 （7）得出结论.
由此可见，我们学生做实验的目的不仅在于实验的结论，更在于实验本身。学生们的积极讨论、奇思妙想，无不闪烁着创新的火花，这样的学习过程是人类了解自然规律的一般思维过程，对学生来说，一次探究性实验的成功体验将印象深刻。
3.将教材中出现的实验问题设计为探究性实验
针对教材中出现的实验问题，不是直接告知学生问题在何处，而是引导学生思考讨论可能造成实验失败的原因并自行设计实验方案和学术讨论加以解决。教材中安排学生实验，方法都只有一种，从器材到实验步骤及表格设计都由教材按一定的模式制定，学生只需按部就班完成实验操作，这样不利于学生创新思维的培养，对于学生的分组实验，我们在帮助学生掌握原理的基础上，允许学生用不同的器材，不同的实验步骤都进行一下实验，也许这样会造成一些“混乱”，学生得到的实验数据也许有的不够准确，但只要学生在追求既定目标的过程中，有全局的观点，懂得取舍，在不同情况下善于分析、综合，这样的实验有效地培养了学生的创新精神和独立思考的品质。
例如：在做“伏安法测电源电动势和内阻”的实验时，课本上要求同时利用伏特表和安培表的测量值来算出电源的电动势和内阻，能不能只用一个电流表或一个电压表来测量呢？如果能，还需要哪些辅助器
5 材？怎样测量？请说出你设计的方案，画出电路图，并实际操作，分析比较这几种实验结果有何异同？为什么？如果你的实验失败找出可能造成实验失败的原因并自行设计实验方案和学术讨论加以解决。
这样，通过多种方法进行实验，使学生能加深理解实验原理和相关知识，掌握多种实验方法，同时学会处理一些实验问题，使学生的“方法和知识”的迁移能力得到提高，使学生的创新精神和创新能力得到有效培养。
4.将教材中的“阅读材料”、“思考讨论”、“做一做”、“小实验”等设计为探究性实验
学生在学习超重和失重现象时会受到一些前概念的影响，容易把生活中的有些“超重”与物理学上的“超重”混为一谈，把物理学上的“失重”误认为是物体“失去重力”。容易把超重、失重现象的运动学特征与物体的运动方向相联系。在教学时进行学生探究实验：开始让学生利用弹簧秤和钩码自主探究如何测量物体的重力，并让学生明白弹簧秤的读数直接反映的是物体对弹簧秤的拉力。然后让学生“玩一玩”来发现弹簧秤的读数有时不等于物体的重力，鼓励学生设计实验探究物体超重、失重现象的运动学特征。最后引导学生将超重失重规律学以致用：如何将夹在两块砖之间的餐巾纸完好无损地抽出来？
又比如:在学摩擦力（第一课时）时, 摩擦力是教学重点和难点,有些学生对此仍含糊不清,因此,给学生以下器材：小车,细线, 砝码,平板弹簧秤，软毛刷。
（学生探究实验一）将一软毛刷放在水平桌面上,对软毛刷施加一水平拉力但软毛刷始终静止,通过改变水平拉力的大小和方向,观察软毛刷的毛的倾斜方向和倾斜程度,轻而易举得出静摩擦力的方向和大小变化规律。（学生探究实验三）首先用弹簧秤测量空车的重量，一个砝码的重量.按照下表条件进行如下操作：将物理书放在水平桌面上，用弹簧秤拉动小车匀速运动，稳定时候记录读数。改变小车重量，重复操作，将数据填入下表。
（学生探究实验二）将物理书放在水平桌面上，将装有四个砝码的小车放在书上。用平板弹簧秤对小车施加从零逐渐增大的拉力，观察物理书随小车运动状态变化、弹簧秤拉力大小变化。
探究性实验为学生提供了新的教学环境，在新环境下，学生独立自主思考、探索问题，避免因教师先讲或预习教材造成的“先入为主”的影响，要让学生人人有自己的猜想、观点、看法，并努力形成各自的实验设计。依据教学时间安排
6 和具体课堂教学进展，必要时教师以学生身份发表自己的实验设计（或拿出事先准备好的仪器设备，或让学生阅读教材中的有关部分），之后再开始具体的实验操作。
四、开展探究性实验教学的意义
1.使学生体验富于乐趣的挑战：探究性物理实验因为学生必须亲自去做，才 能够体会到该“如何做”。自己走进实验室核实一下，并用自己的眼睛看一看，用自己的手做一做，这要比在牛顿的著作中或在一本教科书中搜寻答案死记硬背更有意义。正如学习游泳，看再多的书，记再多的要领，都无济于事，必须亲自下水，在学的过程中感悟、总结，才能掌握游泳技术。如同在游泳池中学游泳一样，探究性物理实验就是给学生一个自主探究、亲身实践的机会。通过这种实验，学生将得到“如何去获得知识”的体验，学生的各项技能和能力将得到最大程度的发展。
2.培养学生发现问题和解决问题的能力：探究性物理实验通常围绕一个需要 解决的实际问题展开。在实验的过程中，通过引导和鼓励学生自主地发现和提出问题,设计解决问题的方案,收集和分析资料。调查研究，得出结论并进行成果交流活动，引导学生应用已有的知识与经验，学习和掌握一些科学的研究方法，以培养发现问题和解决问题的能力。
3.培养学生收集、分析和利用信息的能力：通过探究性物理实验，能帮助学 生学会利用多种有效手段、通过多种途径获取信息,学会整理与归纳信息，并恰当地利用信息,以培养收集、分析和利用信息的能力。
4.培养学生学会分享与合作的能力：合作的意识和能力，是现代人所应具备 的基本素质。探究性物理实验一般以小组合作实验为主开展实验,学生将努力创设有利于人际沟通与合作的教育环境。使学生学会交流和分析研究的信息、创意及成果,发展乐于合作的团队精神。
5.培养学生的科学态度和科学道德：在探究性物理实验的过程中，学生要认 真、踏实地探究,实事求是地获得结论,尊重他人想法和成果,养成严谨、求实的科学态度和不断追求的进取精神，磨炼不怕吃苦、勇于克服困难的意志品质。 6.培养学生对社会的责任心和使命感：在探究性物理实验的过程中，通过社 会实践和调查研究，学生要深入了解科学对于自然、社会与人类的意义与价值，形成积极的人生态度。
7.激发教师继续学习的热情：探究性物理实验教学使教师失去了决定学生学 习内容的权威性和垄断性，学生研究的很多问题超出了课堂教学、学科教材、教学参考资料的范围，超出了教师的专业范围；学生吸纳知识的途径由单一转向多
7 元，教师不再是学生唯一的知识来源，教师指导学生时，心中可能没底，有一种紧张感。教师如果自身知识结构失衡，如知识结构单
一、知识面窄、漠视学科知识与生活实际的联系、科研能力缺乏等，就难以胜任。为了能指导学生，教师就必须利用业余时间继续学习。
武汉市第十七中学物理组
赵卫华
