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  • 物理演示实验教学策略研究

    物理演示实验教学策略研究
      演示实验是为了展示物理现象,揭示所研究问题的发生、发展过程,引导学生进行观察、思考,并配合教学内容而由教师操作示范的实验。它具有化抽象为具体、化枯燥为生动、化平淡为神奇的功能。演示实验的目的是引导学生观察,使学生对某个物理现象有清晰的了解,这是教师讲解物理概念、规律的基础,是培养学生科学素养的重要手段。演示实验也为学生实验、操作仪器做出了示范。
      教师在做演示实验时,必须把准确无误的物理现象清晰地展现在学生面前,让每个学生看清楚,使学生确信定律、概念的客观性和科学性。
      (1)目的性
      演示实验是物理教学的一个重要手段,具有新奇、生动、直观的特点,容易激发学生的学习兴趣。演示实验的目的是为教学服务的,为的是在实验中发现规律、理解规律,从而掌握规律。因此根据不同的教学内容和要求,选择合适的实验配合物理教学,以便让学生清楚认识物理规律与概念。
      (2)直观性
      演示实验要现象明晰易见,力求简单明了、直观,能充分说明问题,有足够可见度,便于学生观察。这就要求实验装置要恰当地优化布局,力争大型化、简单化,并充分利用多媒体手段,突出其基本的结构原理,而不被次要的复杂结构所干扰;显示要清晰醒目,要增强对比度以突出观察目标。例如,在做电学演示实验时,如果需要观察某一物理过程中的电流变化,显然不能用小型安培计,而应采用大型演示电表。
      (3)科学性
      演示实验是帮助学生认识自然现象、揭示客观规律的手段。因此,从实验的设计、操作到分析都必须坚持实事求是的科学态度,教师在操作仪器、连接和装配仪器及演示现象时动作要准确、标准、规范、科学。对真实物理图像的近似或模拟,在演示时要向学生说明,以免误解。不能为了使演示的效果明显而违背了科学性,更不能弄虚作假。如在使用托盘天平时,取用砝码、移动游码必须用镊子而不能用手;电路的连接应先接线路后接电源,拆卸时先断电源,后拆线路等等。教师的一举一动都会给学生留下深刻的印象,起到潜移默化的作用。教师的操作科学规范,不仅是实验成功的前提,而且会使学生养成严谨求实的良好实验习惯。
      (4)稳定性
      演示实验的实验装置要牢靠稳固,经得起反复操作和轻微震动;要有很好的现象重复性,达到一次就能成功的程度。教师在课堂上演示实验必须确保成功。实验成功的先决条件是掌握实验原理。只有撑握实验的原理才能准确地抓住关键条件,从而成功地进行演示。比如,静电实验比较难做,一直是教学的难点, 也成了学生学习的难点。其实静电实验的关键是因为静电电压高而电量少。因此从这个关键的原理上分析,就可以找到改进静电实验的措施——解决绝缘问题。其次是课前认真准备。课堂上演示不能保证万无一失,一旦出现问题, 由于课前有充分的准备,做过几遍, 就会知道问题的原因,从而迅速排除故障。一般来说,演示实验所占课堂的时间都不会很长,因此要求教师一定在五分钟内排除实验故障。
      (5)启发性
      演示实验能提供丰富多彩的感性材料,变抽象为形象。但它的最终目的是要通过观察现象启发学生的思维,使学生能更好地认识客观规律,发展能力,培养兴趣。因此,在设计和进行演示实验时,必须在启发性上下功夫。首先通过生动的演示实验现象出乎意料地展现在学生面前,启发学生产生问题;其次通过教师的不断引导,进一步明确问题产生的原因,如何解决问题,从而启发学生进行探究,使学生在不断的思索、探讨中逐步掌握物理规律与知识。
      (6)指导性
      教师在进行演示实验的同时,要指导学生进行观察和思考。对于观察到的现象,分析所说明的问题,以至引出规律性的认识,应尽可能由学生进行,培养学生的观察、分析能力。
      一、课堂演示实验教学设计
      加涅把知识分成陈述性知识(言语信息)和程序性知识(智慧技能和认知策略)两种,皮连生在《智育心理学》中提出了“六步三阶段教学两分支”的学与教过程模型。模型如图表10所示,左边为陈述性知识的学与教,右边为程序性知识的学与教。1~4步为学与教的第一阶段,这一阶段是解决新知识的理解问题,第5步代表知识的巩固或转化阶段,第6步代表知识的提取与运用阶段。演示实验教学过程可以参考六步三阶段教学法。
      教育心理学有一个著名公式:学习成绩=f(M,IQ,K),M代表学习动机,IQ代表智商分数,K代表原有知识技能,因此应用其指导教学设计时应满足以下原则:
      1.好的教学应有利于激励学生的学习动机
      2.好的教学应充分利用学生的原有知识基础
      3.好的教学应适应学生的个别差异
      4.用具体教学目标指导教师的教、学生的学以及学习结果测量与评价。
      5.通过任务分析,为不同的教学目标选择最优教学步骤、方法和技术。
      图表  “六步三阶段教学两分支”的学与教过程模型
      演示实验课堂教学结构模式分成如下几种:引入型、逻辑演绎型、逻辑归纳型、探究发现型、练习型。
      (一)、引入型
      引入型演示实验一般在课堂教学开始时使用,作用是引起学生对将要学习的物理知识的兴趣,设置疑难点,激发学生主动学习和探索的热情。引入型演示实验能提高学生的观察能力,对演示实验的要求一般为实验现象漂亮新奇,多为定性实验。
      用演示实验引入课堂教学,这种教学方法一般在新课上使用。教师应注意在教学过程中紧扣演示实验,做到在课堂中逐步解释演示实验现象,课堂结束时能完全解释实验现象。如果在演示实验引入课堂后就把实验抛开,演示实验所能起的教学作用将大大降低。
      利用压强的演示;用砖、啤酒瓶、沙盘等;用四脚凳、纸、砖等。
      (二)、逻辑演绎型
      逻辑演绎型演示实验主要应用于课堂教学过程中,老师利用演示实验进行分析、推理、演绎,促使学生进行知识迁移,使旧知识与新知识结合,引起学生认知结构的重组。演示方法有很多种,如由量的关系推出质的关系,原理与现象之间互相推理等,培养学生的观察能力。逻辑演绎型为演示实验中教师最常使用的类型,一般应用于概念和原理的学习。
      如:分析和讲解楞次定律。
      (三)、逻辑归纳型
      逻辑归纳型主要在应用性演示实验中使用,通过具体实验仪器的使用或物理知识在实践中的应用举例,促使学生发散思维,巩固新知识。
      利用逻辑归纳型演示实验介绍理论知识的开发和应用,有助于帮助学生认识到理论的有用性,而不只是空洞的逻辑数学演绎,有助于帮助学生了解仪器的使用方法、原理,及如何改进,是理论于现实的桥梁。
      例如:电磁感应定律的演示。
      (四)、探究发现型
      科学探究包括以下几个基本要素:提出问题,猜想与假设,制定计划与设计实验,进行实验与收集证据,分析与论证,评估,交流与合作。在探究发现型演示实验教学过程中,演示实验所起的作用是向学生提供典型的现象和过程。
      探究发现型演示实验教学有利于组织学生观察,引导思考,激发争辩,探究原因,分析特征,寻找规律。通过探究式学习,学生能够获得科学探究的能力和方法,能帮助学生自发地探索复杂现象的本质,发现它们之间的相互关系,从而掌握探索自然规律的科学方法。
      (五)、练习型
      传统的习题课一般不会有演示实验,教师在课堂上主要是讲解作业答疑。而实际上很多的习题其实就是一个个有趣的实验。在习题课上如果能适当加入演示实验,有利于学生对习题的理解,并能提高学生对做习题的兴趣。
      例题:如图所示,A、B叠放在一起漂在杯中的水面上,若把A取下扔入杯中,则杯中水面会上升、下降,还是不变?
      1、设置情景、提出猜想
      教师活动:在一个平静的湖中央,有一个人坐在装有石块的小船上,当他把石头往水中丢时,湖面将上升还是下降?如果小船上装的是水或者是木块,湖面又将如何变化?
      学生活动:根据情境,提出自己的猜想。
      2、演示实验
      教师活动:用大烧杯代替湖,用小烧杯代替小船。在大烧杯中加入半杯水左右,将装有小石头的小烧杯放入大烧杯中(石头不能放太多,必须保重小烧杯是漂浮的),继续往烧杯中加水直至刚好满杯,将石头扔入水中。
      学生活动:仔细观察并记录实验现象。
      教师活动:将小石头分别换成水和木块,重复上面的实验。
      3、验证猜想
      教师活动:你的猜想正确吗?液面上升下降还是不变?这道题需要灵活运用阿基米德原理来推导。
      学生活动:验证自己的猜想。
      4、总结习题
      学生活动:交流自己所观察到的实验现象和验证猜想的推理过程。
      教师活动:(1)对学生所观察到的实验现象现行总结:当小烧杯内装的是小石块是,液面下降。当小烧杯内装的是小木块和水时,液面不变。(2)讲解习题:对于石头,当石头在小烧杯中漂浮的时候,排开水的重力等于石头重力,扔入水中后,排开水的重力小于石头重力(浮力小于重力),所以排开水的量减少,液面下降。对于木块,因为无论是在小烧杯内还是小烧杯外,所受浮力一样,排开的水也一样多,所以液面不变。对于水,在小烧杯内受到的浮力等于重力,倒入大烧杯后,刚好弥补排开水的减少量,所以液面不变。所以题中,要考虑物块A的密度,液面可能下降也可能不变。(3)引导学生总结归纳知识点:阿基米德原理,物体受到浮力的大小等于物体排开液体受到的重力;物体的沉浮条件。
      5、评价反思
      引导学生反思以下几个问题:
      知道阿基米德原理吗?
      是否真正理解阿基米德原理?
      知道什么是轮船的排水量吗?轮船在江中和海中的排水量相同吗?
      二、演示-观察-解释(DOE)策略
      演示实验包括实验演示、实验观察、实验解释三个过程,常规演示实验教学是教师演示实验,学生观察实验,教师对实验进行解释。这种演示策略可以称为演示-观察-解释(demonstrate-observe-explain,缩写为DOE)策略。
      在演示-观察-解释策略中,演示主要是教师操作表演实验,有时候也可以请学生充当教师的助手或在教师的指导下让学生在讲台上操作实验。观察是在实验操作的过程中,学生在教师的引导下,对实验器材、实验方法、实验过程和实验现象等进行观察和记录。解释不单单是教师对实验现象的分析,得出实验结论,从结论中总结物理规律或理论,还包括对器材的选用、器材的使用、实验方法的选择进行必要的说明和讲解。在实际演示实验教学中,这三种活动一般都是同时进行的。
      为了使学生获得丰富的感性认识,加深对物理概念、原理和定律的理解,激发学生学习物理学的兴趣;为了培养学生的观察和实验能力,发展学生的智力;为了使学生初步了解物理学的研究方法,培养学生实事求是的科学态度和遵纪守法、爱护仪器的优良品质,在DOE的实施过程中,教师应该做到操作规范、演示成功、实验现象清楚、明确有效的引导和逻辑缜密的讲解。
      1.操作规范。学生所接触的实验大部分是演示实验,学生对物理仪器初次接触绝大多数是在演示实验中完成的,所以,教师在演示实验中的操作对学生的影响很重要,甚至砝码的拿取、天平的放置、温度计的读数、导线的连接等等这些琐碎的细节也将影响学生对物理仪器的理解和他们实验操作能力的提高。
      2.演示成功。演示实验是物理课堂教学的有机组成部分,实验演示成功是有效教学的重要环节,因此要确保实验演示成功。成功地进行演示实验的首要条件是掌握实验原理。只有掌握原理,才能准确地抓住关键,成功的进行演示实验。例如,用毛皮摩擦橡胶棒,或用丝绸摩擦玻璃棒,要获得较多的电量,须知道摩擦起电的原理。摩擦起电的实质是接触带电,当两种物质接触时,由于不同物质的原子核对核外电子的束缚力不同,而实现电子的转移的,因此只要把毛皮紧握在橡胶棒上,把橡胶棒用力抽出,就能使物体带电。但有的教师误认为起电的原因是摩擦温度升高导致核外电子逸出,于是不停地摩擦橡胶棒,虽然用了不少的力气,但是效果并不理想。成功地进行演示实验除了在课前充分准备外,还要注意教室环境条件,例如,静电实验的难易跟天气的湿度有很大的关系。另外实验失败是不可避免的,教师要在课前要有充分的准备确保成功,但是在课堂上一旦失败,千万不能弄虚作假欺骗学生。
      3.现象清楚。演示现象务必使全班学生都能看清楚,为此仪器的尺度要足够大,演示仪器要放在适当的高度,务必使全班学生都能看到。对于可见度较差的演示,通常可以采用光、电或机械等放大装置来增强演示效果。对于不太明显的部分,还可以采用背景衬托和染色的措施。
      4.有效引导。演示实验从出示仪器到进行表演的全过程,都将给学生以多方面视听感官刺激。但刺激有主次之分,有本质非本质之分,教师预期学生所观察的现象不一定都明显突出。有的可能稍纵即逝,以致在演示中出现的某些重要现象,学生往往视而不见。这就要指导学生观察,例如,在水的沸腾实验中,除了指导学生观察和记录水的温度外,还要引导学生观察在不同温度下,气泡产生的部位,气泡的数量、大小,气泡在上升时的体积变化等等。
      5.缜密讲解。演示实验不是单纯的实验操作,它还离不开教师内容科学、逻辑缜密的讲解。在学生观察时,为了使学生获得丰富的感性认识,加深对物理概念、原理和定律的理解,教师除了引导学生观察外,还需要对演示实验的目的、仪器的选择、实验方法、实验现象、实验结论,以及由实验得出的物理规律或定律进行科学的、逻辑性的讲解。
      三、主体探究性教学策略[1]
      新课程标准里面明确提出科学探究要素包括以下七个方面:提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集数据、分析与论证、评估、合作与交流。演示实验注重培养学生观察能力、分析实验现象的能力和探究能力,通过整合科学探究的七个要素,将探究演示实验的操作程序分为五个阶段,每个阶段都有相应的教师活动、策略体系和学生活动。“教师活动”体现出教师处于指导和引导的地位,“策略体系”体现出主体教育的理念,“学生活动”则体现出以学生为主体的探究教学理念,每一个环节紧紧相连、环环相扣,形成一个完整的探究过程。
      图5 主体探究性演示实验教学的操作程序
      1、第一阶段:提出问题、确立目标。主要包括主体参与和联系生活,目的在于突出学生的主体地位,让学生在具体情境中提出问题。
      主体参与是指学生积极主动地参与各种教育教学活动的行为,可以从以下几个方面来实施。第一,创设问题情境,激发学生兴趣。情境可以从现实生活中来,也可以从物理学史中来。根据情境,学生自己提出或教师引导提出有序、有层次性、难度要适度的问题;第二,营造宽松、愉悦氛围,让学生主动参与。学生可以针对教师提供的情境,发表自己的见解,教师应努力做到:延缓判断,不急于评论提出的看法孰优孰劣,更要严禁武断否定;对标新立异、思维闪光点要尽可能给予鼓励性的评价;在一些学生“说”出自己的观点以后,让全体学生“写”下自己的见解,确立自己需要解决的问题或自己的学习目标。
      联系生活是指教师的教学设计、实施和测评,要与现实生活相联系。可以根据师生的经验,自由创造、自由发挥。利用日常用品让学生获得感知,学生熟悉日常用品和容易接受用它们制成的教具,比起复杂而且精心设计过的实验仪器,它们简单、有效、方便准备,学生们有机会从多个感官得到体验。
      2、第二阶段:观察实验、记录信息。主要包括主体参与和差异发展,让学生主动参与进来,实现不同层次的发展。
      该阶段的主体参与主要表现在学生要积极主动地观察实验,记录下自己认为重要的现象或与自己确定的学习目标相关的事实,并以信息的形式表述出来。教师可以根据学生的需求进行反复演示实验,不必要对演示实验进行阐述和说明,更多地注意力应该集中在引导学生注意观察,记录下有意义的信息上。学生记录完信息后,可以让学生发表自己的信息,这个时候教师一定要作好信息整合的工作。
      差异发展的实质在于揭示学生作为单个个体的独特性,不仅使每个学生都能够得到充分、自由的发展,而且能够发现和培养具有鲜明个性特色的人。在观察实验时,可以让那些很快理解了演示实验的学生开始记录他们的信息,并且鼓励他们能够尽量多的挖掘信息,并将其概括、精练。有的同学可能观察能力比较弱或教室空间分布的原因,不能有效地观察实验,教师可以提供书上相应的内容,让学生研读,记录信息。教师应要求学生自己分清信息的孰轻孰重,而不是教师评判。
      3、第三阶段:逻辑思考、建立假说。主要包括主体参与和差异发展,同样体现了以学生为主体和实现差异发展的教学思想。
      第三阶段是在前两个阶段的基础上的继续,教师可以让学生根据持有的或可利用的信息对要达到的学习目标进行猜测,然后建立简洁、精练、清晰的假说。在建立假说时,要有必要的实验现象或信息作支持,不能胡编乱造或盲目猜测,充分利用前两个阶段的成果,让学生以图表推理的形式表达出自己的推理过程或思维过程,并鼓励学生调动已有的经验和知识来尝试检验自己的假说。然后可以让学生发表自己的猜想,与全体同学一起分享。
      在该阶段,主要会在以下几个方面表现差异:第一,学生在整合重要信息的时候,表现出来对处理信息能力的差异;第二,学生在分析信息酝酿猜想时,运用逻辑思维的能力存在着差异;第三,在提出假说的时候,学生会提出参差不齐、层次分明的各类假说,也同样存在着差异。第四,各种假说提出来之后,学生在选择验证假说的时候,存在着差异。在以学生为主体的教学中,教师要始终提醒学生围绕自己的学习目标来自主选择,自主选择让学生差异发展。教师让学生自主选择一个或多个的假设进行检验,这样可以实现学生的差异发展。
      4、第四阶段:收集证据、验证假说。主要包括主体参与和合作学习,提供机会让学生主动与他人合作和分享与交流自己的见解。
      在该阶段,学生已经自主选择了要检验的一个或几个假说准备检验。检验的方式中可以有两种形式,一是根据资料进行检验,二是根据实验进行检验。在演示实验的探究中,一般选择第一种形式来进行检验假设,即学生通过收集、整理有关支持假说的材料,经分析、概括而得出结论,教师可以提醒学生自己前面获得的信息也可以作为证据加以利用。教师可以提供一些图表或坐标图来表明各个物理量之间的关系,也可以提示学生利用教科书作为重要的证据来源,还可以利用计算机辅助教学来为学生提供需要的事实或数据。
      合作学习主要建立在科学的交往观的基础之上的。这个阶段的任务有一定的难度,要求学生验证自己的假设,教师这个时候不发表任何对检验过程的评论,完全让学生自己验证,因此具有一定的挑战性。教师可以采取两种方式,一种是配成两人小组,相互探讨,互相补充;另一种是将学生分成4~6人“组内异质,组间同质”的小组,教师应关注学生的小组研讨是否民主、有序和有效,教师应要求每个小组的组长收集和整理组员的检验假设的依据和最后得到的结论,进行归类和统计,然后记录在自己的实验报告中,教师可以根据这个记录和在课堂上的观察对合作学习进行评价。
      5、第五阶段:反思过程、总结评价。主要包括主体参与和联系生活,以培养学生的主体意识和自我总结与反思的习惯。
      实验的总结和反思是探究演示实验的最后一个阶段,可以引导学生从两个方面进行反思,一是对获得结论的整个过程进行反思,检验推理是否合理,逻辑是否正确,结论是否解决了学习目标中提出的问题;二是对解决一个问题后,反思从该问题中可得出哪些经验和教训,值得以后借鉴。
      在反思的阶段,让学生把自己的结论运用到实际生活中去检验,解释生活中的问题或现象,让学生获得对自己结论更深入的认识或更进一步的探讨。
      四、预测-观察-解释(POE)策略
      预测-观察-解释策略(predict-observe-explain,缩写为POE)是在“观察渗透理论”哲学观念和建构主义、前概念、概念转变等教育理论基础上提出的一种新型演示策略。这种策略是在实验演示前,学生根据自己已有的知识先对实验现象进行预测,教师演示实验时,学生观察实验,然后学生对所观察的现象进行解释。有研究表明这种演示策略对学生对实验现象的预测和解释能力的提高具有很好的效果。
      预测-观察-解释(POE)策略首先是作为一种勘察学生理解科学的研究方法被提出的。为了揭示学生的前概念,1980年Champagne、Klopfer和Anderson提出了用演示-观察-解释(demonstrate-observe-explain)来勘察学生对运动学的理解。在研究中,研究者利用阿特武德机演示自由落体的各种形式,学生在观察演示现象后,解释有关的运动学问题。这就是POE的雏形。为了更有效地勘察学生的前概念,1981年Gunstone、White 把这种方法改为预测-观察-解释(POE)。他用自行车车轮作为轮轴制作阿特武德机,一边挂一木块,另一边挂一装有沙子的桶来研究学生对力、运动和重力的理解。现在POE策略仍然是测查学生对科学概念理解的有效手段。1985年Champagne等人把POE做为教学策略进行自由落体的教学。他们让学生预测以下四种情形下所发生的现象:让直径为10厘米的铅球和塑料球先后同时从2米和10米处落下、让两个体积相同,质量不同的方形物体先后同时落入装有0.25米高的水中和油中。学生预测后进行讨论,观察实验后再对预测和观察的结果进行解释。1992年White和Gunstone正式提出了POE教学策略,并把这一策略分为预测、观察和解释三个阶段。随着计算机和摄像技术的普及,POE教学环境从实物演示扩展到视频素材的利用和计算机软件的操作,例如:用自由落体(在地球、航行的船上和月球上)、上抛、平抛、斜抛等这些视频材料进行教学,在预测阶段学生观看抛体的开始阶段,在学生预测后再让学生观看抛体的视频材料。
      在POE策略中,预测、观察和解释的具体内容如下:在预测阶段,教师介绍实验内容,学生预测实验现象,学生在小组内讨论预测的现象,并在全班解释自己的观点。在演示阶段,教师演示实验,学生观察、记录实验现象,小组内讨论实验现象。在解释阶段,学生在全班解释实验现象、预测与实验的差别,并对学生的不同观点进行讨论,最后教师进行总结。
      POE是建立在“观察渗透理论”基础之上的,不同学生由于经历上的差别,他们在观看同一现象得出的结论也会有差别。建构主义认为,学生在学习科学概念之前就已形成自己的前概念。他们学习新概念的过程是通过自主建构而实现概念转变的过程,有效的教学是向学生提供恰当的教学环境促使学生的概念发生转变。POE通过预测、观察和解释让学生自由地表达他们的前概念,造成认知冲突,学生在与环境、教师和其他学生相互作用的过程中实现概念转变。因此POE策略也是建立在建构主义理论基础之上的。
      从上面分析可以看出,POE策略是建立在学生具有前概念基础之上。学生的知识获得过程是自主建构的过程,也是不断自我否定的过程;教学目的是实现学生的概念转变;教学应该创设出使学生认知发生冲突的条件,为此在教学中必须创设学生能自由表达个人观点的环境;在课堂上,信息的传递是多元的、双向的,不仅师生之间的信息重要,而且生生之间传递的信息对学生概念转变也很重要;在这种环境中,学生是课堂的中心,而教师只是教学的组织者和引导者。
      POE策略的实质是通过预测暴露学生的前概念,通过实验演示使他们的认知发生冲突,通过讨论最终实现概念转变。这符合学生的认知发展规律,按照POE的要求,在教学中,教师要能准确把握学生的前概念,设计具有系统化、生态化的实验,创设民主、宽松的学习氛围和环境,展示科学概念的合理性。
      1.把握学生的前概念。在预测阶段,学生各种各样的前概念暴露出来,教师应该能准确地判断出各种前概念的实质、产生的原因及其合理性和局限性。为此,教师应该全面了解和准确把握学生的前概念,为课前实验的设计和课堂上学生认知冲突、概念转变提供依据。了解和把握前概念的途径很多。近三、四十年来,人们已对前概念进行了系统的研究,了解这些研究成果可以帮助教师掌握学生的前概念。对学生的不断观察也可以帮助积累学生的前概念。另外,通过学习科学史,了解科学思想的进化历程,特别是历史上“错误”的观点也可以帮助理解学生的前概念,因为人类个体的认知发展具有“返祖”现象。例如: “力是物体运动的原因”、“热质说”、“燃素说”等,也是许多学生所持的观点。
      2.设计系统化、生态化的实验。为了把学生的前概念充分暴露出来,实验的设计应具有针对性。例如:在失重这一内容的教学中,针对学生对失重的前概念,取一装有水的饮料瓶,在瓶的侧壁用针扎两个孔,让学生预测当瓶从高处落下时,会有什么现象发生。又因为学生的前概念是多种多样的,所以实验的设计还应具有系统化和生态化。例如:针对学生只认为下落的物体才会失重这一前概念,可以让学生预测饮料瓶在上抛、平抛、斜下抛时发生的现象,也可以让学生预测如果这一饮料瓶跟随神州七号载人航天飞船在外太空航行时会发生什么现象。
      3.创设民主、宽松的学习氛围。为了能让学生充分暴露他们的前概念,在课堂上应该营造民主、宽松的学习氛围。在这种环境中,学生能无拘无束地讨论、发言。为了营造这种环境,教师应该尊重学生的观点,聆听学生的观点,不要对学生的观点过早地评价,更不能对学生的观点进行讽刺和挖苦。与此同时,教师应该及早发现学生前概念的根源、合理的地方和局限之处,为学生认知发生冲突创造条件。
      4.展示科学概念的合理性。实现前概念向科学概念转变是教学的最终目的,为了让学生的认知向科学概念转变,除了让学生的认知发生冲突外,教师还要让学生意识到科学概念比学生原有的概念更具合理性,能解释更多的现象,能更准确地预测新现象。Posner认为学生概念转变应具有以下条件:第一、学习者必须对现有概念感到不满意。新的现象不能被原图式同化,原来的平衡被打破。第二、新概念必须是可以理解的。学习者对新概念形成统一、自洽的内部表征。第三、新概念必须是合理的。学习者的其它知识或信念与新概念一致。第四、新的概念必须是有效的。它不仅能解决现有的问题,而且也可以用来解释和预测新的现象。如果满足上面四个条件,学生就会发生概念转变。
      实验演示中“预测”效果研究
      在参考国际科学教育研究成果的基础上,我们把预测-观察-解释(prediction-observation- explanation,简称为POE)用在演示实验教学中。在该策略中,预测是第一个环节,并且是传统演示实验演示策略中所没有的。研究表明,学生在学习物理之前就已对身边的自然现象形成了自己的认识,通过预测,学生的前概念能充分暴露出来,为认知冲突和概念转变做铺垫,因此预测能增强学生对实验的理解;同时,学生在预测后,对实验的观察就成为对自己预测的检验过程,因此预测还能使学生的观察目标明确,能增强观察的准确性。那么预测在演示实验教学中的实际教学效果如何呢?我们对预测对观察准确性的提高和对实验理解的增强两方面进行了实证研究。
      在借鉴Catherine H. Crouch等人2004年研究的基础上,本研究选取两个同质的班级,在控制班进行传统的演示实验教学,实验班在实验前先让学生预测,然后进行教学。通过比较这两个班级对演示实验内容的后测,确定预测在演示实验中的教学效果。在研究中,选取碰撞球(或称为牛顿摆,如图5所示)为教学内容,进行演示实验教学。
      图5 碰撞球示意图
      选取某师范学院物理学专业07级两个班级的师范生为研究对象,其中一个班为实验班,另一个为控制班。这两个班的学生情况相同,可以看作是同质的,他们已学完普通物理和理论物理课程,但没有见过碰撞球。
      在控制班,教师先介绍仪器,接着演示碰撞球,学生观察,教师描述实验现象,利用弹性体模型解释现象。演示内容包括一个球碰四个球;两个球碰三个球;三个球碰两个球;四个球碰一个球;从两边各拿一个球,高度相同;从两边各拿一个球,高度不同六种情况。实验结束后,进行后测,对实验教学效果进行评价,后测内容如下:
      1.拿起一个球,松手后一个球碰四个球,碰后的现象是什么?为什么?
      2.拿起两个球,松手后两个球碰三个球,碰后的现象是什么?为什么?
      3.拿起三个球,松手后三个球碰两个球,碰后的现象是什么?为什么?
      4.拿起四个球,松手后四个球碰一个球,碰后的现象是什么?为什么?
      5.从两边分别拿一个球,从相同的高度放下,碰撞后的现象是什么?为什么?
      6.从两边分别拿一个球,从不同的高度放下,碰撞后的现象是什么?为什么?
      7.若球1的质量大于其余球的质量,用球1碰其余的球,发生的现象是什么?为什么?
      8.若球1的质量小于其余球的质量,用球1碰其余的球,发生的现象是什么?为什么?
      在后测问卷中,1-6为实验观察准确性的测试,7、8是在教学中没有出现的内容,这两个题目能测试对实验的理解。
      在实验班,教师先介绍仪器,并说明演示的内容,让学生预测在演示时出现的现象,解释其原因,并记录下来,预测问卷的内容与后测问卷的前六项相同。学生完成预测后,教师演示实验,学生观察,教师讲解,讲解内容与控制班一样。实验结束后,进行后测,对实验教学效果进行评价,后测内容与控制班后测的内容是一样的。
      1.观察的准确性
      控制班44人,回收后测问卷44份;实验班40人,回收预测问卷、后测问卷40份。对问卷进行分析、统计。实验班预测的正确率,实验班、控制班后测前六题的正确率见表1。正确率为回答正确的人数占总人数的百分比。
      从表3可以看出,在预测、控制组的后测、实验组的后测中,实验组后测的正确率极高,除第三题为97.5%外,其余都是100%正确;控制组后测的正确率次之;预测的正确率最低。这一结论可以说明,观察实验在学生对实验现象的描述中所起的作用很大,预测可以提高实验观察的准确性。通过观看教师的演示,学生基本上可以描述出实验的现象,控制班后测的正确率明显大于实验班预测的正确率(由于实验班和控制班是同质的,实验班预测的结果应该与控制班的预测结果是一样的);但是学生的观察仍具有随意性,因此学生在观察实验后并不象我们预测的那样都能准确描述出所观察的现象。预测可以增加观察的指向性,经过预测以后,学生的观察是有目的的,他们都期待证明他们所预测的结果。因此,预测后,学生描述的结果几乎都是正确的。
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