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  • 学生分组实验的教学策略研究

    学生分组实验的教学策略研究
     学生分组物理实验,是指教师依据课程标准,有计划地设计实验内容、系统地训练学生的实验技能和习惯的教学方式。分组实验中,学生在教师的指导下,独立完成实验操作,处理实验数据,得出实验结论。学生分组实验是培养学生实验能力和科学态度的主要途径,也是发展学生创造思维和进行科研启蒙教育的重要途径。
      学生分组实验的目的如下:
      (1)了解基本实验仪器的构造、原理,学会基本仪器的使用;
      (2)探索和验证物理规律;
      (3)培养学生独立实验的能力。
      按实验内容不同,学生的分组实验可以分为:
      测定性实验:以测定物理量值和常数值为主要目的的实验。如测量玻璃的折射率等。
      训练性实验:以掌握仪器的性能和使用方法,提高操作技能为主要目的的实验。如伏-安法测电阻等。
      验证性实验:以验证已学过的物理规律为主要目的的实验。如牛顿第二定律的验证等。
      在分组实验中,学生既是实验的主体,又是观察的主体。多人一组进行实验,会出现许多情况,需要教师进行各方面的准备和指导。对于学生分组实验,教学的基本要求如下:
      (1)实验要确保安全性,无人身危险,操作不宜过繁。要尽量减少和控制干扰因素。仪器要比较牢固。设计实验时应注意让基本仪器在不同实验中重复出现,增加学生的练习机会。
      (2)要求学生在实验前明确实验目的、原理及现象发生的大概情况,实验结束后,要求写出实验报告。
      (3)引导学生理解观察内容的真实性,鼓励学生发现和分析意外现象及异常情况所发生的原因。
      (4)重视引导学生从观察的直接兴趣转入操作兴趣,进而通过研究实验和分析实验体会物理本身的规律。
      一、以教师设计为主的探究性实验策略
      以教师设计为主的探究性实验指的是:在实验教学中,为了引导学生探索、发现物理规律,获取新的物理知识,由教师提出或在教师引导下由学生提出问题,设定好实验方案,让学生自己动手,通过一系列的观察测量活动去探索研究,从而归纳总结,得出结论。简要地说,是“教师和学生共同提出问题、设计方案,学生操作,观察探索,共同分析”。在这类实验中,学生在实验之前并不知道会有怎样的结论,而是在教师的引导下,通过亲自动手、思考、总结,发现规律。
      探究性实验一般可分为三个阶段,即准备阶段、实验阶段和总结阶段。
      1.准备阶段
      探究性学生实验要冒一定的风险,实验有可能失败,得不出应得的规律,不利于教学工作顺利进行。因此,实验的准备工作非常关键。准备实验时应当考虑到各种可能出现的情况和影响实验的因素。
      首先要选题合适。并不是所有的实验都可以作为探究性实验。所选的应是那些操作方便、涉及理论易懂、实验误差小的实验。其次是设计实验的程序。实验程序尽可能简单一些,只要能让学生由此得出规律来就行了,不必面面俱到。设计实验程序时,教师必须与学生一起一边设计,一边亲自动手实验,不断从中发现问题,逐渐改进。最后是实验的准备。教师要对实验器材认真检查、挑选,为学生顺利进行探究做好准备。
      2.实验阶段
      进行教学时,教师先根据教学内容和目的、要求,启发学生提出问题,进行猜想和假设,使学生明确所要探索的内容;接着教师引导学生思考解决该问题将要采用的实验方法和手段,必要时做一些示范,或强调一些注意事项;然后学生在教师的指导下,自己动手做实验,观察实验现象并记录实验数据,同时在头脑中对掌握的感性材料做初步的分析、处理。
      3.归纳阶段
      进行探究式实验的目的就是为了获取新的知识。但由于学生的思维能力还比较有限,归纳和总结都可能比较片面。因此做完实验后,最好是在教师的引导下让学生对实验现象或数据进行思考分析,进行归纳和总结,得出相应的物理规律,使学生完成从感性认识到理性认识的飞跃。
      例如,探究决定平行板电容器电容的因素的实验,就可以按以下步骤进行。
      在教师引导启发下提出问题:平行板电容器的电容与哪些因素有关。
      猜想与假设:电容器的电容只与其自身结构有关。所以平行板电容器的电容可能与其板的面积,有无介质,两板的间距有关。学生可能会提出多种猜想,教师要注意与学生一起分析,排除无关的猜想。
      让学生设计实验:根据 ,保持电容器所带电荷不变,分别改变平行板电容器的相对面积,两板间距等,用静电计测量其板间电势差的变化。
      收集证据:保持正对面积S不变,改变两板间距离d,如图1所示。结果是:电容器两极板间的电势差随两板间距离减小而     ,随两板间距离增而     。
      图1
      图2
      图3
      保持两极板间的距离d不变,改变两极板的正对面积S,如图2。结果是:电容器两极板间的电势差随正对面积减少而     ,随正对面积的增大而     。
      保持正对面积S和板间距离d不变,在两极板间插入玻璃板或硬纸板等电介质,见图3。结果是:电容器两极板间的电势差在两极板间插入电介质时减小。
      分析与结论:通过上面的实验可以得出,平行板电容器正对面积越大,电容越大;两极板间距离越小,电容越大;有电介质时电容变大。
      通过精确的实验和理论的论证可得出:平行板电容器的电容跟正对面积成正比,跟两极板间距离成反比,跟极板间电介质的介电常数成正比。
      计算平行板电容器的电容的公式是
      式中k为静电力常量, 是电介质的介电常数。
      二、以学生设计为主探究性实验策略
      学生是实验教学的主体。在课堂教学中,由教师或学生提出问题,让学生自行制定实验计划,设计实验方案,选择实验器材,动手操作,收集并处理数据,进一步归纳得出结论的实验,可以称为以学生设计为主的实验。这种类型的实验可以促使学生开动脑筋,灵活运用所学知识,对于发展学生的科学探究与实验能力和创新思维有着重要的作用。
      进行科学探究是获取新知识的重要方法,对于物理学来说,实验则是探索物理世界规律的重要手段。中学物理涉及的内容大多比较简单,但对于学生来说是可以探索的“未知”领域。为了让学生更好地了解概念、规律的来龙去脉,理解、掌握相应的物理规律,可以由教师创设一定的物理情境,引导学生(或教师)提出与教学内容有关的物理问题,让学生自己开动脑筋进行猜想和假设,制定计划,设计实验,选择器材,进行实验,收集证据,分析论证,探其究竟,进而得出结论。简单地说就是:“学生(或教师)提出问题,学生设计,学生操作,探索思考,学生分析”。在此过程中,教师的主要任务则是提供仪器设备,解答学生的疑问,进行一定提示或启发,但决不能代替学生设计或操作实验。
      例如,在学习“电阻定律”时,教师可以引导学生提出问题:电阻是导体本身的特性,它的大小由什么来决定呢?学生开动脑筋思考,进行一系列的猜想。他们可能会认为电阻的大小与导体的大小有关(长短、粗细),与导体的材料有关等等。接下来,学生可以自己选择各种电阻,设计实验方案并进行实际测量,用实验数据来检验自己的猜想。大多数学生会用伏安法测出电阻的大小,然后再分析所测的电阻值与自己设定的影响因素之间的关系。也许不同的学生重视的是不同的因素:有的测的是长度的影响,有的测的是粗细的影响,有的测的是材料的影响等等。最后,教师组织学生进行交流讨论,分析评估不同的情况,得出正确的结论。
      又如,在学习“单摆”时,教师可以给学生展示各种摆线长短不同,摆锤轻重不一的单摆。引导学生思考:单摆摆动的快慢与什么有关?学生可能会认为与摆线长短有关,与摆锤的质量有关,与摆锤的大小有关等等,然后让学生自己动脑设计实验方案,选择合适的仪器并操作实施,记录好有关数据。在这个过程中,学生需要开动脑筋,设计实验时不得不考虑到应当测量不同摆长、不同摆锤、不同大小的单摆的摆动周期,同时需要运用控制变量的方法,才可以对不同的摆进行比较。最终老师组织学生进行分析讨论,发现在一定的误差范围之内,单摆摆动的快慢只和摆线的长度有关,而且摆线越长,单摆摆动得越慢(周期越大)。此外,还可以对不同学生所用的方法和所得出的结论进行评估和分析。
      通过让学生设计并实施探究性实验,学生从被动地接受知识转变为主动地获取知识。他们经历了“问题——猜想——设计——实施——分析——结论”的类似科学家探索物理世界的过程,不仅学习到了新的知识,而且加深了对物理规律的理解和信任,同时也体验到了科学探究的乐趣,领悟到一定的科学思想和精神。通过探究性实验不仅能够很好地锻炼学生的动手能力,而且还能进一步培养学生归纳、概括的能力。
      为了达到良好的探究效果,以学生设计为主的探究实验应当注意以下几点:
      1.选题要合适。
      让学生进行科学探究是为了激发学生的兴趣,培养学生热爱科学的情感以及对科学的探索兴趣,因此,所选的问题应当比较有趣。考虑到中学生的思维水平还比较有限,以学生设计为主的探究实验应当比以教师设计为主的探究实验简单一些:所涉及的物理量不宜过多,实验仪器和操作应比较简单,实验的时间也不宜太长。
      2.注重过程和方法
      中学生进行科学探究,不一定总能得出完全正确的结论,有时结论也许是片面的甚至是错误的。教师应鼓励学生积极大胆地参与实验探究,让学生通过探究的过程体验到科学的乐趣。重要的是让学生经历探究的过程,学习和体会科学的方法,不应过分苛求结果。
      3.重视讨论、交流和评估
      以学生设计为主的探究性实验,不同的学生(或不同的组)也许会采用不同的方法,得出的结论也可能有一定的差别。因此,讨论和交流是必不可少的环节。在此过程中,学生既可以有根据地发表自己的意见,又可以听取别人的见解,与此同时,评估的工作也就自然地开展起来。通过讨论和评估,可以使学生自己辨别优劣,分清正误,更好地理解探究的方法和结论。
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