魏 華

(北京市第四中學(xué) 北京 100034)

在物理實驗選修課中開展研究性學(xué)習(xí)的實驗與體會

魏 華

(北京市第四中學(xué) 北京 100034)

研究性學(xué)習(xí)是指在教學(xué)過程中，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一種類似于科學(xué)研究的情境和途徑，讓學(xué)生以類似于科學(xué)研究的方式去主動獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題、獲得發(fā)展.它是傳統(tǒng)課堂教授式教學(xué)的延伸和補充.多年來，我們在北京四中高中部開設(shè)了“物理實驗選修”課，在選修課中開展研究性學(xué)習(xí)，結(jié)合物理實驗探索研究性學(xué)習(xí)對學(xué)生能力的培養(yǎng).

研究性學(xué)習(xí) 探究能力 物理實驗

課程標(biāo)準(zhǔn)中，在對綜合實踐活動做出規(guī)定時，把研究性學(xué)習(xí)作為必修課的主要內(nèi)容之一.我們結(jié)合學(xué)生的實際情況和物理學(xué)科的特點，開設(shè)了“物理實驗選修”，進(jìn)行了一些這方面的探索.

1 開展研究性學(xué)習(xí)的必要性和物理實驗選修的意義

1.1 開展研究性學(xué)習(xí)的必要性

長期以來，在必修課的教學(xué)中，形成以教師為中心，教師講授、學(xué)生接受的教學(xué)模式.這種教學(xué)模式有利于知識的傳授和積累，有利于課堂教學(xué)的組織和實施，有利于學(xué)生在已有的知識范疇內(nèi)解決同類問題.它強調(diào)調(diào)動學(xué)生的積極性，強調(diào)課堂教學(xué)的精心設(shè)計、精心組織、精心實施.在基礎(chǔ)教育階段，無疑這是一種很好的、很重要的教學(xué)模式.對學(xué)生來說，它能很好地建立起系統(tǒng)化的知識，為將來繼續(xù)學(xué)習(xí)打下良好的知識和能力基礎(chǔ).但是與“以德育為核心，以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力為重點”的素質(zhì)教育要求相比，教授學(xué)習(xí)型模式還有許多不完善的地方，甚至還有許多弊端.比如，在平常教學(xué)中，學(xué)生總是跟著教師在思考，教師也總是千方百計地將學(xué)生的思路引導(dǎo)到事先設(shè)計好的路子上來，這樣幾年學(xué)下來，回顧過去，學(xué)生不禁會問：我們學(xué)了什么？為什么要學(xué)這些知識？這些知識除了參加高考選拔外還能怎么用？這些現(xiàn)實問題一提出，總是讓人覺得很泄氣，回答這些問題時，教師也會顯得底氣不足.為了改變這種局面，在我們的課堂上已經(jīng)發(fā)生了一些變化，諸如強調(diào)知識的來龍去脈以及在實際中的應(yīng)用，在某些環(huán)節(jié)上開始放手讓學(xué)生自己去探索研究，但這些是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.在人的一生中最重要的學(xué)習(xí)階段承擔(dān)教育責(zé)任的學(xué)校，有必要，也有義務(wù)自覺地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)他們積極大膽地思維、想象、提問、猜測、探究的意識和能力，培養(yǎng)他們多角度、多方位思考問題的思維習(xí)慣.因此，這種研究性學(xué)習(xí)的開展就提到了日程上來.

研究性學(xué)習(xí)是以學(xué)生的自主性、探索性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，從學(xué)生生活和社會生活中選擇和確定研究專題，以個人或小組合作方式進(jìn)行的學(xué)習(xí).通過親身實踐獲取直接經(jīng)驗，養(yǎng)成科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度，掌握基本的科學(xué)方法，提高綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力.它與教授學(xué)習(xí)型模式有所不同，二者的比較如表1所示.

表1 教授學(xué)習(xí)型與研究學(xué)習(xí)型對比

可見，研究性學(xué)習(xí)與教授學(xué)習(xí)型模式并不矛盾，它不是對教授學(xué)習(xí)型的否定，從某個角度講，后者是前者的一種延伸，一種重要補充.

1.2 物理實驗選修的意義

“物理實驗選修”是我們開設(shè)的一門研究性學(xué)習(xí)課程.之所以選擇這樣一個載體，主要源于物理知識的廣泛性，物理教育功能的多面性，物理教學(xué)中理論與實踐的統(tǒng)一性，這些為研究性學(xué)習(xí)提供了廣闊的空間；而實驗作為物理學(xué)科的基礎(chǔ)，也同樣是物理知識教學(xué)的基礎(chǔ)，通過訓(xùn)練有素的實驗教學(xué)，能使學(xué)生在獲取物理知識的同時，潛移默化地形成良好的科學(xué)素養(yǎng)，如嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，實事求是的科學(xué)作風(fēng)等；同樣，只有加強實驗教學(xué)，才能培養(yǎng)出具有較強動手能力的學(xué)生.

在實驗教學(xué)目標(biāo)中就有很多與研究性學(xué)習(xí)目標(biāo)不謀而合，所以我們選擇“物理實驗”，還有一個重要目的，就是最大限度地挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)對學(xué)生各方面能力培養(yǎng)的教育功能.而且這是一個學(xué)科內(nèi)的研究性學(xué)習(xí)，從某個角度講也是降低了研究性學(xué)習(xí)的門檻，便于學(xué)生開展，也便于教師研究“研究性學(xué)習(xí)”的特點.

下面結(jié)合開設(shè)這門課中遇到的一些問題，筆者將談一點體會.

2 物理實驗選修開設(shè)的過程

2.1 物理實驗專業(yè)知識的學(xué)習(xí)

研究性學(xué)習(xí)的課堂上，不是撒開手讓學(xué)生自己去“玩”.為了順利進(jìn)行實驗研究，首先還是需要一些專業(yè)知識的輔導(dǎo).

(1)儀器的操作和使用.我們在輔導(dǎo)過程中強調(diào)搞清楚每個儀器的簡單工作原理、測量原理、測量數(shù)據(jù)的記錄以及儀器本身帶來的系統(tǒng)誤差.比如在初次使用螺旋測微器時，就讓學(xué)生將螺旋測微器小心拆開，研究內(nèi)部構(gòu)造，從而加深了解它的測量原理和使用規(guī)范；在研究自由落體運動時，給每小組發(fā)兩本產(chǎn)品說明書，一本關(guān)于自由落體儀，一本關(guān)于數(shù)字計時器，讓學(xué)生自己學(xué)會使用.

結(jié)果表明，學(xué)生對這種方式非常感興趣，拿到一個新儀器，學(xué)生由原來的漠不關(guān)心，或“粗暴”操作，等著老師講怎么用，用完就忘，變?yōu)橹鲃拥厝W(xué)，去研究怎么使用.這種意識上的轉(zhuǎn)變其實很簡單，就是來自于他自己探索過程中的成就感，但是卻很重要.

一旦有了這種興趣，學(xué)生的創(chuàng)造力也將是無窮的.例如研究電容器的放電規(guī)律時，傳統(tǒng)的方法：將電容器充電完畢，使兩端電壓達(dá)到10 V，開始放電時，同時計時，在到9 V時記錄一個時間，到8 V時再記錄一個時間……再去擬合、探索電容器兩端電壓隨時間的變化規(guī)律.但很現(xiàn)實的一個問題，當(dāng)你記錄電壓降到9 V的時間時，讀數(shù)，記錄，再抬頭已經(jīng)過了8 V，于是得重新充電到10 V，再記錄到8 V所用的時間，這種方法進(jìn)行的實驗，一次數(shù)據(jù)采集需耗時達(dá)半個小時，而且由于初始狀態(tài)有一定的差別，實驗數(shù)據(jù)不是很理想.后來有學(xué)生去體育老師那兒借來秒表，這種秒表的特點是一次能連續(xù)記錄99個數(shù)據(jù)！然后學(xué)生坐在那，電容器開始放電，到9 V時，摁一次，到8 V時，摁一次……整個實驗下來，4～5 min完成.這種創(chuàng)造力是學(xué)生的特色，他們是一張白紙，所以能不拘泥于傳統(tǒng)，在研究課上他就可以盡情發(fā)揮他們的創(chuàng)造力，當(dāng)然，前提是有一定的專業(yè)知識.

(2)Excel處理數(shù)據(jù).實驗中很讓學(xué)生犯怵的就是實驗數(shù)據(jù)的處理.學(xué)生對實驗的熱情，往往會由于數(shù)據(jù)的處理繁瑣、數(shù)據(jù)結(jié)果的偏差而逐漸喪失掉.而實驗選修中很多是需要大量記錄、處理數(shù)據(jù)的，于是我們結(jié)合學(xué)校的條件和學(xué)生自身的素質(zhì)，大膽地在實驗數(shù)據(jù)處理中引入Excel和Matlab，利用它們進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合.我們教給學(xué)生關(guān)于實驗數(shù)據(jù)處理的方法，數(shù)據(jù)誤差的分析，以及一些電腦方面的知識，然后由學(xué)生自己探索使用.在初期使用過程中，甚至有一階段，學(xué)生“迷戀”這種處理方法而自己主動要求做一些額外實驗，取得一些數(shù)據(jù)，然后利用電腦處理.

利用電腦輔助處理數(shù)據(jù)還有一個好處，就是可以把學(xué)生解放出來，更多地去思考如何設(shè)計實驗，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，這些是學(xué)生最關(guān)注的.也有人會問：這樣做會不會讓學(xué)生沒真正經(jīng)歷其中的過程，而喪失某些應(yīng)該培養(yǎng)的能力呢？我想這些擔(dān)心不無道理，但也應(yīng)該看到，相對能提高學(xué)生積極性、興趣，能使他們有精力一直專注于實驗來說，這點損失還是值得的，而且在課堂實驗中，這點損失完全可以被彌補.

2.2 平常研究課程模式

在平常的選修課上，我們采取的模式是：教師精心創(chuàng)設(shè)情境，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生參與，形成實驗方案，學(xué)生完成實驗數(shù)據(jù)采集、處理，最后得出實驗結(jié)論.也就是“提出問題(研究專題)-探索研究-總結(jié)提高”過程.

舉兩個例子來說明.

實例1：給一個長木板，一個方木塊，一把米尺.要求粗略測量木塊與木板之間的動摩擦因數(shù).

生甲：如圖1所示，將木塊置于長木板上，然后將木板逐漸傾斜，直到木塊開始滑動，此時木塊受到的滑動摩擦力，大小等于重力沿木板方向的分力，即

μmgcosθ=mgsinθ

得到

μ=tanθ

圖1 實驗設(shè)計方案

生乙：剛開始滑動時，應(yīng)該是木塊受到的最大靜摩擦力等于重力沿木板方向的分力，所以你只能由這種方法得到最大靜摩擦力.根據(jù)最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力，可以將剛才的板略放平一點，給木塊一個初速度，目測大致能勻速直線運動，則此時重力沿木板方向的分力才等于滑動摩擦力，即μ=tanθ.

(眾人紛紛贊同后面同學(xué)的說法)學(xué)生甲舉手要求繼續(xù)回答.

生甲：我覺得我那種方法也行，因為最大靜摩擦力只是略大于滑動摩擦力，它引起的誤差與你目測的誤差應(yīng)該差不多，所以我那種方法也行.

(眾人中部分學(xué)生被他說服，開始互相爭論，場面激烈)

師：很好，這兩位同學(xué)的想法都很好，那我提示同學(xué)們，最大靜摩擦力也與接觸面粗糙程度有關(guān)(場面安靜下來)，與動摩擦因數(shù)一樣，有一個靜摩擦因數(shù)(這個知識，課本不要求，學(xué)生沒學(xué))，同學(xué)們可以去圖書館查查相關(guān)資料，然后想想甲、乙這兩位同學(xué)的方法分別測得是什么量.至于二者誰更接近于實際值，這一點大家在做完實驗后，再去思考這個問題.另外一個問題，如何測tanθ？

(思考片刻)

然后由學(xué)生自己做實驗完成，最后完成實驗報告.

實例2：研究單擺的擺動.

提出問題：一個單擺，讓它做小幅振動，給大家一塊秒表，請你測出懸點到單擺小球球心的長度.

(眾人紛紛做欽佩狀)

師：很好.(擺出不同擺長的單擺，并讓它們擺動)可以看出，不同擺長的單擺，擺動快慢是不同的，很顯然擺長越長，周期越大.那現(xiàn)在的問題是，如果我不知道周期公式怎么辦？

剛剛興奮的學(xué)生又陷入思考，這時有學(xué)生舉手.

生丁：可以先找周期與擺長的關(guān)系，取不同的擺長，測出周期，然后利用Excel找它們的關(guān)系.

師：很好，今天的實驗題目就是“探索單擺做微小擺動時周期與擺長的關(guān)系”要解決的問題，就是這個單擺擺長……

學(xué)生的作業(yè)舉例：學(xué)生所測數(shù)據(jù)如表2所示，作業(yè)的圖像如圖2所示.

表2 單擺的實驗數(shù)據(jù)

圖2 關(guān)系圖像

以上是我們在平常訓(xùn)練時的兩個小片斷：一個是學(xué)生已有的知識，有關(guān)摩擦力.靜摩擦力，最大靜摩擦力與滑動摩擦力的關(guān)系，比如說最大靜摩擦力比滑動摩擦力略大，但又在計算中總是忽略它們之間的差別，那么到底二者差多少？這實際上也是很多學(xué)生學(xué)完后的疑惑.一個是未學(xué)的知識，有關(guān)振動周期.要想解決提出的問題，就會要求學(xué)生自己去查書，提前研究相關(guān)知識；要求學(xué)生去設(shè)計解決從沒研究過的問題，而且這個實驗也有一定的難度，屬于“跳一跳，夠得著”的類型，會讓學(xué)生很有成就感，能很好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練動手解決實際問題的能力.有關(guān)單擺振動還有很多可研究的地方，比如不規(guī)則單擺測重力加速度，不同擺角下周期與公式中計算出的周期的關(guān)系等等，都在后面的課中，或由教師提出，或由學(xué)生提出進(jìn)行了實驗.

2.3 自主選擇研究性課題開展研究

在學(xué)習(xí)一個階段后，我們會讓學(xué)生自主選擇一個課題開展研究.基本模式：學(xué)生提出課題+討論可行性+列(儀器)清單=獨立完成實驗，得出結(jié)論.

開始時，很多學(xué)生提出了一些很難完成，或不太切合實際的題目.如研究刀從高處下落，扎在西瓜上，研究西瓜對刀的阻力作用.很有創(chuàng)造性的題目，我從沒想過西瓜還可以用來做實驗！不過，這個實驗還是很困難的，比如如何保證刀刃朝下進(jìn)入西瓜而不會偏出，或不會扎進(jìn)去，如何測量進(jìn)入深度，如何討論各部位進(jìn)入深度不同等等因素.

筆者想好的課題應(yīng)該具有以下特點：課題具有價值性、明確性、創(chuàng)新性、可行性.對于低年級學(xué)生來說，可行性、明確性是最重要的！

師生共同確定的幾個課題：

(1)研究向心力演示器；

(2)用氣墊導(dǎo)軌測重力加速度；

(3)梁的彈性形變量與所受壓力的關(guān)系;

(4)電壓表和電流表的改裝；

(5)測定溶液的電阻與物質(zhì)的量濃度的關(guān)系；

(6)組裝望遠(yuǎn)鏡.

這些課題有的是由上課老師一句話，學(xué)生們想到的.比如“測定溶液的電阻”，就是上課時學(xué)生聽化學(xué)老師說了一個想法，于是在物理課上提出.當(dāng)時筆者一聽到這個題目，眉頭一皺，“愁”上心來！覺得很難，覺得這個題目有點大，因為溶液導(dǎo)電性能與太多因素有關(guān)，跟實驗選材、方案、測量工具都有一定關(guān)系.經(jīng)過充分討論，把題目定小了一點，定性討論“測定溶液的電阻與物質(zhì)的量濃度的關(guān)系”，為這個實驗，學(xué)生不斷請教化學(xué)老師、物理老師、實驗員，看書，查資料，克服重重困難，研究出了一些成果，并在全校交流會上做了很好的發(fā)言.再如“研究向心力演示器”，這個題目也很好，很適合，學(xué)生就是想知道這個演示器是怎么工作的，有什么優(yōu)點好處，及哪些可以改進(jìn)的地方，最后學(xué)生還類似地提出可以采用液壓+連通器的原理，設(shè)計出一個新型演示器.

在整個過程中，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的學(xué)生比較注重課題的價值性，經(jīng)常會在討論中問，“你做這個有什么意義嗎？”那個提出課題的學(xué)生也早做好準(zhǔn)備，有條不紊地說出一個一個好處、前景.其實這些也只是他們一個比較美好的想法，并不是我們的目的所在，研究性學(xué)習(xí)更重要的是“體驗過程”，結(jié)論只是附產(chǎn)品，所以當(dāng)有一個學(xué)生被大家追問得無法回答時，筆者會搶過話題說，“最大價值就在于這個課題能提高我們解決實際問題的能力，提高我們的動手能力”.

3 結(jié)束語

從一個學(xué)年“物理選修”課來看，研究性學(xué)習(xí)還有很多是需要我們?nèi)ヌ剿餮芯康?，不過它對我們師生的要求還是很明確的.它要求學(xué)生有興趣(包括對研究性學(xué)習(xí)和選修的課程)、能認(rèn)真對待、能面對困難敢于迎難而上，在此基礎(chǔ)上，才能積極參與、自主學(xué)習(xí)、獨立思考.它要求學(xué)生有敏銳的觀察與思考能力，要有搜集與積累資料的能力，要有綜合運用各科知識解決實際問題的能力，要有一定的人際交往能力和合作精神——這些同時也是我們開設(shè)它的根本目的.

它要求教師有超前的教育觀念，快速接受新知識的能力，高超的教學(xué)技能：能充分發(fā)揮學(xué)生的全體作用的能力、能熟練使用現(xiàn)代教學(xué)手段的能力、嫻熟的德育技能，具有開拓創(chuàng)新精神和較強的科研能力.這些也是我們實施過程想要提高的.

在“研究性學(xué)習(xí)”的過程中師生雙方的收獲都是很多的，我想所謂“教學(xué)相長”就是這個道理了.“研究性學(xué)習(xí)”也確確實實是一項很值得研究，很值得付出的工作.

1 劉建華.構(gòu)建“自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)”教學(xué)模式.教育實踐與研究,2001(11)：5～7

2 劉彬生.高中物理選修實驗課本.北京：教育科學(xué)出版社，1993.9

3 王興乃.高中物理實驗大全.北京：電子工業(yè)出版社，1988

2016-05-10)