本章重点讨论问题
- 如何进行中学物理演示实验教学设计？
- 为什么演示？
- 演示什么？
- 如何进行演示实验？
- 演示实验的效果如何？
本章学习目标
- 了解中学物理演示实验教学设计的基本过程
- 依据对教学内容的分析确定演示实验教学目的
- 根据演示目的和内容设计演示实验方案
- 根据教学内容和实验方案选择合适的演示实验教学策略
- 对演示实验教学设计效果进行分析，给予反馈
物理实验的分类
- 按实验操作主体：演示实验、学生实验。
- 按授课时间、空间：课内实验、课外实验。
- 按实验教学组织形式：学生分组实验、边教边实验或边学边实验。
- 按实现的不同教学目的和作用：
- 演示实验：以培养学生观察实验现象，认识物理概念和规律为目标。
- 探究性实验：以培养学生科学探究能力为目标。
- 验证性实验、测定性实验、练习性实验：以培养学生实验操作能力和良好实验习惯为目标。
- 设计性实验：以培养学生物理学习兴趣和创新能力为目标。
物理演示实验
物理演示实验是为了展示物理现象，揭示物理过程的发生、发展，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，它是物理教学中最富有活力的部分。
演示实验的教学效果一方面取决于实验能否顺利演示，能否出现预期的物理现象和过程；另一方面取决于教师自身的实验技能和教学基本功以及教师对演示实验教学所采取的教学策略和对教学过程的设计。
5.1 中学物理演示实验教学设计的基本过程
- 确定演示实验主题：根据物理课程标准，教材内容安排和具体教学内容分析。
- 明确演示实验教学目标：依据教学内容和三维教学目标。
- 选择实验内容设计实验方案：依据
- 所选演示实验目的、内容；
- 演示实验教学的基本要求；
- 学校实验资源情况；
- 学生的情况；
- 实验时间和教学所允许的时间（一般不超过 10 分钟）；
- 演示实验之间的协调衔接关系。
- 设计演示实验教学策略：选择适当的教学策略和教学结构模式，对整个教学思路进行总体设计。
- 设计完善演示实验本身：包括实验时应重点显示（或测量）什么，指导学生进行观察时应注意的事项，以及如何从实验方案和实验器材等方面设计和完善演示实验。
- 演示实验教学效果与反馈：根据实验教学目标，对设计思路进行整体分析，判断预期的演示实验教学效果。
- 试教和根据反馈修改教学设计：进行试教（试验），根据试教的情况给予反馈以修改和完善教学设计。
5.2 中学物理演示实验目标的确定和实验方案的设计——以“通电导线在磁场中受到力的作用”为例
- 思考：针对该教学内容，需不需要安排演示实验？安排什么演示实验？
一、确定演示实验主题
- 课标解读——《普通高中物理课程标准（实验）》（2003 年）选修 3 系列 3-1 模块要求通过实验，认识安培力。会判断安培力的方向。会计算匀强磁场中安培力的大小。
- 教材内容安排
- 针对安培力的大小安排“磁场中的通电导线”实验
- 针对安培力的方向安排“平行通电直导线之间的相互作用”实验
- 课后“做一做”趣味实验——旋转的液体
- 教学内容分析——安培力的方向和大小是本节重点，难点是安培力、电流、磁感应强度三者方向的空间关系，演示实验可以帮助学生理解三者方向间的关系。
由此确定演示实验主题是：
- 实验演示影响安培力大小的因素；
- 实验演示决定安培力方向的因素；
- 实验演示安培力的具体应用。
【案例】“通电导线在磁场中受到力的作用”课堂实录
- 思考题：彭老师在“通电导线在磁场中受到力的作用”的教学内容安排的这些演示实验内容是否都必要？你认为是否有必要删减或者补充部分实验内容？
二、明确演示实验教学目的
- 创设情境、激发学生的学习兴趣
- 提供必要的感性素材，帮助学生建立概念和认识规律
- 展现逻辑层次，发展学生实验思维能力
- 应用已知物理知识，加深理解
三、选择实验内容、设计实验方案
- 依据演示实验教学目的选择具体实验内容，考虑目的性、直观性、科学性、稳定性、启发性和指导性。
5.3 中学物理演示实验教学基本策略
- 演示—观察—解释—归纳
- 演绎—演示—观察—检验
- 预测—观察—解释—检验
- …
（一）演示—观察—解释—归纳的演示实验教学策略
提出问题创设情境→实验事实观察现象→分析归纳科学抽象→得出结论巩固应用
- 包括针对教学情境或问题，进行实验演示，实验现象的观察解释，实验分析归纳结论的基本过程。
【案例】电磁感应现象
- 提出问题：在什么条件下能利用磁场产生电流？
- 演示实验 1 至 4：展示不同条件下的电流表指针偏转情况，分析归纳磁通量变化与电流产生的关系。
注意：
- 操作规范、演示成功、现象清楚、有效引导、缜密讲解
（二）演绎—演示—观察—检验的演示实验教学策略
提出问题→演绎推理→实验检验→巩固应用
- 首先针对问题，进行理论的演绎推理，再进行实验演示，实验现象的观察，对演绎推理的实验进行检验。
【案例】“通电导线在磁场中受到力的作用”教学中的系列演示实验
- 演示实验：决定安培力方向的因素，展示电流方向或磁场方向改变对安培力方向的影响。
（三）预测—观察—解释—检验的演示实验教学策略
提出假设进行预测→实验事实现象观察→分析归纳科学抽象→实验检验得出结论
- 在实验演示前，让学生根据自己已有的知识先对实验现象进行预测，然后观察实验，分析抽象和解释，判断能否检验最初的预测。
注意：
- 把握学生的前概念
- 设计系统化、生态化的实验
5.4 中学物理演示实验的设计与完善
一、中学物理演示实验的重点和观察指导
- 重点确定
- 演示实验时应重点显示（或测量）什么？
- 重点演示什么？
- 演示时应注意什么？
- 观察指导
- 演示方案确定后，对学生的观察进行指导。
- 观察指导是培养学生观察能力的重要途径。
二、中学物理课堂演示实验本身的设计
- 实验方案和实验方法的比较
- 实验方案中应包含磁场和可通电、可运动的导体。
- 观察导体的“动”，如何使导体“易动”且“动得明显”。
- 变力的问题为力矩问题；变平动为摆动、转动或竖直平面内的运动
- 实验装置和器材的选择
- 依据物理原理和教学要求，取材容易、经济实惠。
5.5 国外物理演示实验教学效果研究及对我们的启示
- 建构主义理论影响下，国外研究显示实验教学效果与教育功能之间存在差距。
- 研究目的：重新评估实验教学功能，找出影响效果的因素。
一、国外实验教学效果研究概述
- 存在两种对立观点：实验是科学教育中不可或缺的部分 vs 实验投入的质疑。
代表性研究
| 题目 | 研究内容 | 结论 | 建议或对策 |
|---|---|---|---|
| 科学教学中实验的功能：研究中所忽略的方面（1982） | 对有关实验功能的研究进行总结和评述 | 在教学中，虽然实验对实现多方面的目标起着重要的作用，但是由此断定实验对实现所有的目标都是高效的是不合理的；实验的功能几乎与科学课程的目标一致，实验能实现科学课程的所有目标，实验好象是万能的。 | 应该根据实验的具体贡献来界定实验的功能。 |
| 演示实验对学生理解大气压的影响（1994） | 演示实验对小学五年级学生理解大气压的影响。 | 观察实验和课堂活动并没有对学生的理解产生很大的影响，有三分之一的学生仍然用自己以往的知识和经验解释实验现象，演示实验反而强化了他们原有的认知。 | 有多个实验演示时，选取的实验应围绕一个主题；应该避免让学生看到无关的变量；所有的学生都能清楚观察到实验现象；不能为了实验而实验，实验应该对学生的认知有检验作用。 |
| 把实验作为科学方法：三十年的混乱和扭曲（1996） | 分析上世纪 60 到 90 年代，在发现学习、程序导向学习（process-led）和个人建构学习中，实验在各种教学中的实质 | 在发现学习、程序导向学习（process-led）和个人建构学习中，实验是对科学探究的歪曲；科学研究不存在适合于任何情况的方法、规则或步骤。 | 做科学（doingscience）能实现科学教育的学习科学（learningscience）、了解科学（learningaboutscience）和做科学（doingscience）的目标。 |
| 演示实验达不到教学目标的原因是什么？物理学习中的社会活动观（1997） | 探索演示实验达不到目标的原因 | 原因是：学生不拥有从“噪音”中筛选出教师所发信号的理论知识；物理课程中其它概念的干扰；表面相似的其它物理现象的干扰；与实验有关的知识评价少；学生不能把实验所给的分散信息联系起来；学生缺少机会评价自己对实验的描述和解释。 | 讨论实验设计、做实验、解释现象、建立新概念等所有活动都应该是社会活动，是师生共同讨论的结果。 |
| 实验的教学意图是什么？学生能从实验中学到东西吗？（2000） | 在实验教学中学生是否意识到教师的意图 | 实验教学目标是实验活动所要达到的结果，实验意图是实验活动安排的原因。当学生了解到教师安排实验活动的意图时，在认知和情感方面将到达预期的目标。 | 教师在把实验目标告诉学生的同时，也应该把实验意图清晰地告诉他们。 |
| 演示实验：是教学工具还是娱乐之物？（2004） | 验证演示实验的效果，探讨预测、讨论对演示实验的作用 | 被动观察实验并不比没有观察教学效果好，预测和讨论能提高演示实验的教学效果 | 预测和讨论能提高演示实验的教学效果。 |
| 科学教育中的实验教学：21 世纪的基础（2004） | 对从 1982 年到 2002 年 20 年间的实验研究进行总结和评述 | “菜谱式”的实验教学材料导致学生机械的操作；忽视学生的实践知识和能力的考核；教学人员和教学管理人员对合格的实验活动标准不了解；教师缺乏与探究相适应的实验资源。 | 实验在促进学生科学学习方面具有潜力；要使学生不仅动手，而且动脑，教师需要有知识、技能和资源方面的保证；学生的行为和感受受教师的期盼、评价和教学资源导向的影响；教师要有能力了解学生在实验中的表现。 |
| 实验活动真的有用吗？科学教育中实验活动效果的研究（2008） | 了解实验教学在操作领域和思维领域的效果 | 实验教学对学生操作实物有效，而对用所学知识指导实验等**“操作”观念的效果不好** ；研究还为评价和探讨实验的效果提供了一实用模型。 | 无论多么仔细地指导，理论不会从观察中浮现出来。教师只要认识到这一点，实验的教学效果将会提高。 |
实验的功能与教学效果不匹配 具体的表现有：
- 学生不能观察到教师想让学生观察的现象；
- 演示实验反而强化了学生原有的错误认知；
- 在实验中，学生按照“菜谱式”的实验步骤，寻找答案；
- 学生在实验时只操作仪器，而没有“操作”思维；
- ……
二、影响实验教学效果的原因
- 课程设计、教学行为、教师素质、教学资源等。
三、对我们的启示
- 重新审视实验教学，树立反映科学探究和学生学习规律的哲学观。
- 关注实验教学效果，找出教育功能与教学效果不匹配的原因。
- 用新理论指导学生实验学习，关注实验教学细节。
- 针对学生的前概念设计和选择实验及其教学方式。
- 根据学生前概念设计和选择有针对性的实验；
- 利用有效的教学策略实现概念转变；
- 通过讨论，既可以使学生对实验的描述和解释得到反馈，与同伴的观点相互比较，又可以使学生所学的内容与原先的知识、日常经验相联系。
- 培养胜任实验教学的教师，提升教师实验教学能力。