高中物理課程與科技教育有效融合的實踐——物理實驗的“活學實用”

鄭宗文，陳玉玉

(天津市復興中學 天津 300121)

物理是以實驗事實為基礎的自然學科，以研究自然為本，目的在于培養(yǎng)學生的動手實踐能力、實驗探究能力、實驗創(chuàng)新思維、與人合作的意識，從而開闊學生的眼界，提升學生的科學素質，這與科技教育的本質是一致的。如何在日常物理教學過程中，將科技教育與物理教學有效融合，筆者認為，實驗活動是一個非常有效的手段。

物理實驗教學特別有助于調動學生學習物理、探索自然的積極性，激發(fā)他們探索的興趣和動力，促進學生探究意識和探究能力的提升，體會現(xiàn)代科技對社會進步起到的推動作用。因此，改進、創(chuàng)新物理實驗教學的觀念、手段，對開展科技教育具有十分重要的意義和價值。

筆者從以下幾個方面做了探索與實踐。

1 轉變實驗教學意識

傳統(tǒng)的教學是一種應試教學，它以考試分數(shù)來評價教師的教學成績和學生的學習成果，教師為了追求較高的教學成績，把學生當成了學習的客體，試卷考什么，教師就教什么；學生為了追求高分，不斷地“記、背、練”各種物理題型，通過“反復練、練反復”來“練會”物理，而不是“學會”物理。這樣一來，在大多數(shù)學生心目中，物理就從一門“有意思的自然學科”變成了“有問題的困難學科”了，就更不知道物理實驗是為了“探究什么”了。

傳統(tǒng)的物理實驗一般分為兩類：一是以“老師做，學生看”為主的演示實驗；二是在教師指導下，以“驗證性”或是“形式探究性”實驗為主的學生分組實驗。可以說，傳統(tǒng)的物理實驗教學模式是以“接受式教學”為主，有一定的局限性，使實驗的探究性只“流于形式”。其實，探究不是形式，而是內容和過程。

2 轉變實驗教學的模式

2.1 增加實驗數(shù)量，增強實驗的“趣味性”

物理既然是一門實驗學科，首先，就一定要讓學生體會到：物理的結論，大多數(shù)是通過實驗得到的。因此，教師就不能只拘泥于課本、課標上所規(guī)定的有限的幾個演示實驗和學生實驗，應該通過自己動手、動腦，去盡可能地增加實驗的數(shù)目，讓學生真正看到、體會到，并且相信所學的多數(shù)理論都來自于實驗，而不是來自于“老師就這么教的”；其次，我們不僅要讓學生看到實驗，更要讓學生參與到實驗中來，這就要求老師在設計實驗時，在注重“科學性”的前提下，還要注重增強實驗的“趣味性”，讓學生感到實驗是“有趣”的，他們才能去主動的學習、研究，然后才能感到物理是“有用”的。

例如，在高三學習全反射時，老師們都會講到彩虹和海市蜃樓等例子，傳統(tǒng)的處理方法是：利用視頻、圖片來進行講解，讓學生觀察。并且，老師通過幾何光路分析這些現(xiàn)象的成因，把很美妙的自然現(xiàn)象一下就給學生講懵了。對此，筆者做了這樣一個嘗試，就是讓學生自己親手“制作”彩虹，只有讓他們親自的動手做、用眼看、動腦想，才能夠深刻的記住這些自然現(xiàn)象中有一條原理叫做“全反射”，這樣就夠了(見圖 1)。最后，當彩虹出現(xiàn)在學生面前的時候，他們充滿了喜悅和探知欲。同時，筆者也體會到了培養(yǎng)人才就需要培養(yǎng)這種科學探究精神和實踐探索能力。

圖1 師生共同拍攝的照片F(xiàn)ig.1 Photos jointly shot by the teacher and students

2.2 開發(fā)探究性實驗，增強實驗的“探究性”

創(chuàng)設探究課題，參與探究過程，才能培養(yǎng)、提升學生的探究能力。教師可以在現(xiàn)有的演示實驗、學生實驗、做一做中，立足日常生活，開發(fā)探究點，使其在內容上具有“挑戰(zhàn)性和探索性”，激發(fā)學生在已有認知基礎上產(chǎn)生探究欲，促進其與同學、教師互動合作，從而提出問題、探究問題、解決問題，進而不斷發(fā)展和完善自己的知識結構與探究能力。因此，我們可以創(chuàng)設許多生活化情境，設計出與此相關的實驗探究，這不僅使我們的教學內容更真實、親切，更能體現(xiàn)“實踐到理論，由理論再到實踐”的觀念，更重要的是讓學生知道，實驗是“有用”的。

比如，在高中電磁感應一章，課本上有一個做一做實驗：“搖繩能發(fā)電嗎？”在一般情況下，老師對此問題只是進行理論講解，很少付諸實施。筆者針對該問題，開設了一個探究課題，該課題分為3個小專題：

專題一：搖繩發(fā)電的“可行性”。

該專題的主要目的是利用搖繩方式讓學生親自驗證利用地磁場是可以發(fā)電的，而且是交流電(見圖2、圖3)。

圖2 課本“做一做”圖片F(xiàn)ig.2 Illustration of “Make a Try” in the textbook

圖3 學生實驗照片F(xiàn)ig.3 A photo of students carrying out the experiment

專題二：“利用搖繩發(fā)電測量復興中學地磁場磁感應強度”。

在這個課題研究中，學生通過分工、合作、選材、分析等環(huán)節(jié)，利用傳感器采集、分析、處理數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，得出兩個結論：一是搖繩發(fā)電“可以”，但想大規(guī)模發(fā)電“不可行”；二是通過此實驗過程，測定出復興中學地磁場磁感應強度數(shù)量級為 10-5,T(課本給出的參考值 5×10-5,T)。通過這個課題的探究過程，不僅讓學生更加深刻地理解了電磁感應，更讓學生體會到學習就是從實踐到理論，再從理論到實踐的過程(見圖4)。

圖4 傳感器采集的實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental data collected by sensors

專題三：創(chuàng)意設想。

通過前面的實驗研究過程，讓同學們切實體會了地磁場的存在和作用，在此基礎上，將研究過程逐步深入，并設計了“地磁在我身邊”這個開放性的題目，讓學生盡可能地發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，將地磁場形象化展示出來，不論什么方法，只要合理即可。在此，筆者展示幾個學生的創(chuàng)意：

①小磁針。將幾個小磁針相隔一段距離擺放，靜止后 N極指向一致，這是展示地磁場的最簡單的方法。

②自制地磁場體驗機(見圖5)。該裝置設想可作為一個科普體驗項目供學生們操作，當學生蹬自行車時，兩邊的發(fā)電裝置同時工作，左邊為地磁發(fā)電，只要指針擺動，就直觀地展示了地磁可以發(fā)電的事實，右邊為傳統(tǒng)發(fā)電裝置，通過兩邊電表示數(shù)的差別，顯示了地磁發(fā)電的“不可行性”。

圖5 自制地磁場體驗機Fig.5 A self-made geomagnetic field experience machine

③地磁場洛倫茲力演示裝置。傳統(tǒng)的地磁場洛倫茲力通常都是用圖片、視頻等媒體來展示，而筆者則想設計一個演示裝置，把該內容直觀展示在學生面前，設計如圖6、圖7所示。

圖6 在地球儀的赤道上，繞上線圈，通電后就能構造出一個“人造地磁場”Fig.6 Making a “Manmade Geomagnetic Field” by winding coils around the equator of a tellurion

圖7 充當宇宙射線Fig.7 Mimicking cosmic radiation

以上幾個小創(chuàng)意，可能看上去很簡陋、可笑，有可能在實際操作中會以失敗告終，但只要“敢想、能做”，不管結果是否成功，都可以達到物理學習的目的。

2.3 創(chuàng)設開放性實驗，增強實驗的“實用性”

探究能力的培養(yǎng)，歸根到底還是探究意識的培養(yǎng)，沒有探究意識，就等于沒有探究的“源動力”。教師可以根據(jù)學生現(xiàn)有知識與能力，設計一些沒有固定方案的實驗課題，供學生去思考、研究。

比如，高中的學生，已經(jīng)比較熟練掌握了長度的測量方法和工具的使用方法。于是，筆者就提出了一個課題，同時也是一個趣味挑戰(zhàn)：“奇趣測量”。表1為具體內容。

表1 奇趣測量內容及評價標準Tab.1 Contents of the Interesting Measurement and appraisal standards

方案一：簡單、正確，但精度最差。

方案二：較上一種方案，誤差會小一些，但精度依然很差，尤其是在大距離測量時。

方案三：個人感覺，最實用、最有趣，雖然在計算時可能也會出現(xiàn)較大的誤差，但想法非常值得肯定。下面對該方法做個詳細說明：

用Google Earth的衛(wèi)星照片，加上實地測量，然后繪制比例尺，最終，在紙面上完成測算(見圖8)。

圖8 天津市復興中學的衛(wèi)星圖片(截取自Google地圖)Fig.8 A satellite picture of Tianjin Fuxing High School(a screenshot of Google Map)

實施方案片段：以操場為例，確定測量方法。

① 直線形長度的測量：通過實地測量與圖片測量的結合，自行繪制比例尺，然后進行逐一計算。

例如：操場的球門實際測量寬度7.32,m；圖片上的測量寬度1,cm。所以比例尺為1∶732。若在圖片上測量天文館大球直徑為 1.2,cm，則其實際直徑應為：d== 878.4 cm = 8.748 m。進而還可以計算該球的體積等等。

② 曲線形長度的測量。

③ 直邊形面積的測量。

④ 曲邊形面積的測量。

注：②③④ 的具體內容略。

此實驗題目創(chuàng)設的靈感，來自于一般的地圖和“油膜法測分子直徑”的估算法。這些，都是物理教學研究過程中常用的方法，甚至于也是日常生活中處理問題的常用方法，應該讓學生們掌握。

方案四：測量能力要求較高、調試難度較大、受測量環(huán)境影響較明顯，但精確度為最高。

2.4 開設特色課程，增強實驗的“創(chuàng)新性”

對學生科學素質的培養(yǎng)，是新課程改革中的重中之重，但由于“應試”的壓力，會使得在實際教學中難免偏離“素質教育”的軌道。因此，筆者圍繞學生的主修課程，在全校范圍內開設了以“科技創(chuàng)新”為主題的特色類校本課程。開設校本課的目標在于：使學生更為深入地學習高中物理的有關知識、方法和技能，并通過實驗、活動等多樣化的教學手段，增強學生的參與意識、團隊協(xié)作意識、實踐能力、探究能力和與人交流的能力，從而，進一步提高學生的科學素質，激發(fā)學生學習物理的興趣，最終，培養(yǎng)學生實事求是、嚴謹認真的科學態(tài)度。

校本課的內容有：①課內知識的鞏固與延展；②實驗室資源的開發(fā)與利用；③日常器具的開發(fā)與利用；④信息技術與學科教學的有效融合；⑤探究能力的培養(yǎng)。

校本教學的模式：分組研討 → 確定研究課題 → 共同研討解決方案 → 實施 → 發(fā)現(xiàn)、解決問題 → 不斷完善 →成品。

在這個教學過程中，通過各個環(huán)節(jié)的精心安排，培養(yǎng)了學生主動與他人合作的意識及團隊精神，使學生善于將自己的見解與他人交流，敢于堅持正確觀點，勇于修正錯誤。在不到兩年的時間里，筆者指導的學生取得大大小小的科技獎項和榮譽近 20個，并且，已有 16個學生的設計取得了國家專利(見圖 9)。其中，有的項目還在 2014年 5月通過美國組委會的審核，走出國門，赴美參加了“國際可持續(xù)發(fā)展奧林匹克競賽”，并取得了優(yōu)勝獎。當學生身披國旗站在國際領獎臺上時，我們那種強烈的民族自豪感油然而生。師生所取得的成績，還被《每日新報》、《渤海早報》、北方網(wǎng)、新浪、搜狐等媒體進行了報道和轉載。這些榮譽的取得，大大激發(fā)了學生的學習動力和創(chuàng)新意識！

圖9 成果展示Fig.9 Display of Achievements

通過上述實踐活動，大大提升了學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的科學素質和創(chuàng)新意識，樹立了學生的責任感和使命感，并且，以學生樂于參與的形式，將科技教育有效融入到物理教學過程中。因此，筆者認為，在物理教學中落實科技教育，要堅持“貼近實際、貼近生活、貼近未成年人”的三貼近原則。只要以正確的科技教育觀念為指導，立足于學生現(xiàn)實生活經(jīng)驗，著眼于學生的發(fā)展需求，貼近學生的認知方式，注重學生的體驗和感受，教育的實效性就能突顯出來。

3 教育要從大處著眼小處著手

老師們通過教育教學過程，使學生取得了考試分數(shù)和各級各類的獲獎證書，這些都是擺在臺前的、光鮮靚麗的一面，而筆者則更注重那些幕后的、不起眼的、與學習成績無關的一些“成就”。在此，筆者展示兩樣非常簡陋的、不起眼的東西(見圖 10)。

圖10 自制手機支架Fig.10 Self-made mobile phone holders

這是當初活動時筆者給學生布置的一個小題目“手機支架”，拿到題目后，學生的反應幾乎就兩種：一種是“這東西很便宜，買一個”，一種是“試著做一個”，而筆者更關注后者。別看這東西結構簡單，但真正做起來，沒那么容易，比如選多長的材料？在什么位置彎鉤比較合理？背后的支撐架做多高？多大角度等等……這些問題都是在真正操作時才能遇到，需要不斷去解決。一個支架，每個學生要來來回回地修改至少 3次，平均用時 20分鐘。這個過程看起來很笨拙，但是，從那以后，我的許多學生都對動手制作產(chǎn)生了濃厚興趣，我再給他們布置題目的時候，他們的觀念都從“買一個”變成了“做一個”，正是這個小小的轉變，真正體現(xiàn)了教育教學促使學生發(fā)生改變；正是這些小能力的培養(yǎng)，真正調動了學生的積極性，助推著學生的課內學習。

實驗，是探索物理奧秘的工具。在實驗教學中，我們不能“形式化”地追求探究，要注重“有內容”地落實探究。但是，在物理實驗教學中培養(yǎng)學生的動手、動腦能力又是一個漫長的過程，幾次實驗、幾次合作、幾次探究是不能達到目的的，它是一個循序漸進，由淺入深，逐步開展的過程。我們堅信，只要經(jīng)過長期不懈的努力，一定會造就一大批優(yōu)秀的創(chuàng)新人才！■

［1］中華人民共和國教育部.全日制義務教育物理課程標準(實驗稿)[M].北京：北京師范大學出版社，2001.

［2］物理教學大綱[M].北京：人民教育出版社，2002.

［3］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準(實驗)[M].北京：人民教育出版社，2003.

［4］梁建.淺談在物理教學中學生實驗探究能力的培養(yǎng)[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2011(8)：63-64.

［5］黃金海.中學物理實驗教學理念發(fā)展與思考[J/OL].義務教育，2007(5)：http://www.pep.com.cn/rjqk/sjtx/wl/2007_5zd212q/ 201101/t 20110105_ 1004507.htm.

［6］陶洪.物理實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.