第6章 中学物理学生分组实验教学设计

本章重点讨论问题

1. 如何进行物理探究性实验教学设计
2. 如何进行验证性、测定性和练习性实验教学设计
3. 如何进行设计性实验的教学设计

本章教学目标

1. 能根据课标和教材要求选择合适的探究性实验内容，设计相应的探究性实验教学目标；
2. 能根据探究性实验内容和目标确定探究侧重点和水平，选择适当的探究实验教学模式；
3. 掌握验证性实验教学设计的基本过程，并能依次进行测定性实验和练习性实验教学设计；
4. 了解设计性实验教学设计的基本过程。

6.1 中学物理探究性实验教学设计

一、探究性实验是什么？

科学探究的目的

• 物理课程中，科学探究是学生积极主动地获取物理知识，认识和解决物理问题的重要实践活动，其目的是让学生通过亲身经历和体验与科学工作者进行科学探究时的相似过程，学习物理知识与技能，体验科学探究的乐趣，学习科学家的科学探究方法，领悟科学的思想和精神，理解科学的本质，挖掘智力潜能，培养科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神。

关于中学物理探究性实验

• 中学物理阶段的探究性实验是指在结果未知的情境下，在教师引导和配合下，学生围绕某个问题通过实验设计、实验操作、分析综合、得出结论并对结果进行交流的一种实验形式。
• 探究性实验不仅让学生意识到学习的结果，更着力于让学生去主动发现问题，探求和解决问题，掌握知识的形成过程。

课标——科学探究及物理实验能力要求

科学探究七要素	对科学探究及物理实验能力的基本要求
提出问题	能发现与物理学有关的问题； 从物理学的角度较明确地表述这些问题； 认识发现问题和提出问题的意义。
猜想与假设	对解决问题的方式和问题的答案提出假设； 对物理实验结果进行预测； 认识猜想与假设的重要性。
制定计划与设计实验	知道实验目的和已有条件，制定实验方案； 尝试选择实验方法及所需要的装置与器材； 考虑实验的变量及其控制方法； 认识制定计划的作用。
进行实验与收集证据	用多种方式收集数据； 按说明书进行实验操作，会使用基本的实验仪器； 如实记录实验数据，知道重复收集实验数据的意义； 具有安全操作的意识； 认识科学收集实验数据的重要性。
分析与论证	对实验数据进行分析处理； |尝试根据实验现象和数据得出结论； 对实验结果进行解释和描述； 认识在实验中进行分析论证是很重要的。
评估	尝试分析假设与实验结果间的差异； 注意探究活动中未解决的矛盾； 发现新的问题； 吸取经验教训； 改进探究方案； 认识评估的意义。
交流与合作	能写出实验探究报告； 在合作中注意既坚持原则又尊重他人； 有合作精神； 交流与合作的重要性。

探究性实验和验证性实验的区别

特点	探究性实验	验证性实验
实验时间	物理概念、规律建立之前	物理概念、规律建立之后
实验地点	课内（教室、实验室）、课外	课内（教室、实验室）
实验内容	来自教材内容或实际问题	来自教材内容
实验目的	探究未知概念、规律，建立认知	验证已知概念、规律，加深理解
实验过程	自主或师生共同设计实验方案、步骤	按部就班，实施已有实验步骤
实验总结	论证、评估实验结果，得出探究结论，实验报告形式灵活	完成围绕实验报告要求的各项内容，实验报告形式单一

探究性实验教学设计原则

1. 趣味性和探究性兼顾的原则；
2. 能力发展和知识掌握兼顾的原则；
3. 开放性和适度性并存的原则；
4. 学生自主和教师指导相结合的原则。

二、选择探究性实验的主题和内容

1. 依据课程标准和教材要求确定探究实验主题和内容；
   1. 第一类：课标表述为“通过实验，探究……”是一类基本的探究性实验；
   2. 第二类：课标表述为“通过实验知道……”“通过实验认识……”“通过实验了解……”“通过实验理解……”“经历……实验过程，了解……”等；
   3. 第三类：不适合被设计成探究性实验——主要是仪器使用、操作训练等类型的实验。
2. 变验证性实验为探究性实验。

三、设计探究性实验的教学目标

• 教学目标包括知识与技能，过程与方法，情感、态度与价值观。重点在“过程与方法”上。
• 注意事项：
  • 目标的设计不易过多、过杂、过高，而应该具体、明确、便于实施，否则会让探究实验成为花架子，课堂开起来热闹，而学生得不到实际收效。

【案例】改编自熊雪艳老师“探究影响浮力大小的因素”

教学目标

1. 知识与技能

通过实验探究认识浮力，知道浮力的概念和方向；
知道浮力的大小和哪些因素有关。

2. 过程与方法

通过实验探究认识浮力的过程，培养学生的观察和分析能力；
通过学生实验探究认识浮力大小与哪些因素有关，培养学生的猜想假设、实验设计等科学探究能力。

3. 情感、态度与价值观

通过实验探究过程，培养学生尊重科学、实事求是的科学态度和合作交流的意识。

四、确定探究性实验教学中探究水平和侧重点

1. 不同探究水平

2. 探究的侧重点

• 科学探究的七个要素不可能在一次探究实验活动中全部涉及，相应的基本探究能力的培养也就不可能在一次或几次探究实验活动中全部达成。
• 一次探究性实验活动内容适合于涉及哪些探究要素，能够培养学生的哪些探究能力，怎样去达成探究目标等问题，可以通过分析具体的探究实验内容和学情来明确。

【案例】探究凸透镜成像的规律

教材内容分析——不同教材的不同设计

• 第一种是苏科版、粤教沪科版和沪科版的设计，它们是采用限制成像性质，分别得到倒立缩小的像，倒立放大的像、倒立等大的像，记录物距和像距，然后再设法引导学生得到正立放大的像，记录物距。——限制性探究
• 第二种是人教版、教科版和北师大实验版，它们采用限制物距的方法。把物体放在较远处，例如使物距 $u>2f$，然后移动物体逐渐接近透镜，使物距 $u$ 在 $2f$ 和 $f$ 之间，即 $f<u<2f$ ，最后使物距 $u<f$。在这个过程中，观大小正倒等情况。试试看，这样做能不能找出凸透镜察并记录像的虚实、成像的规律。
• 第三种是北师大版，采用开放的探究模式。通过问题与猜想“改变物体与透镜之间的距离，可以得到不同的像。那么，透镜与物体之间的距离以及透镜的焦距是怎样影响像的正倒、虚实、大小的呢？”制订计划：改变物体（点燃的蜡烛）到透镜的距离，从远到近，观察像的大小、正倒、虚实各怎样变化。测量出每一种情况下物体、像到凸透镜的距离。——开放式探究

学生情况分析

• （知识储备）在学习了光的折射和凸透镜的基础知识之后，学生对凸透镜的成像规律还没有认识；
• （学习难点）学生是不知道物距和焦距之间的关系会影响成像性质的，更不可能知识两倍焦距和焦点是成像性质的分界点。
• （探究能力）从凸透镜成像的有关数据归纳出相关的规律对学生来说并非易事。

实验探究的侧重点：

• 引导学生发现问题，并提出问题；
• 分析论证环节，引导学生从实验数据分析得出凸透镜成像的规律——同时是本节课探究实验教学的难点。

表格仅代表李老师个人意见，供参考

五、选择探究性实验教学模式

1. 学生自主探究为主

• 学生围绕物理问题展开探究实验活动

  1. 学生小组讨论制定计划、设计实验方案；
  2. 进行小组实验探究过程，获取可以帮助解释所探究物理问题的证据；
  3. 从获得实验数据中提炼出证据和结论，对此物理问题做出解释；
  4. 学生通过比较其他可能的解释，特别是那些体现出对此物理问题作出了科学性理解的解释来评价他们自己的解释；
  5. 最后，学生交流和修正小组所提出的解释。

• 教师与学生的角色：

• 【案例】“浮力”

  • 创设问题时就要尽量想到学生可能提出的所有问题

• 操作注意事项：

  • 成功实施的关键是教师课前对学生的了解：学生的知识与能力能否达到自己设计、操作、验证的水平？能否自主进行探究？
  • 教师在巡回指导的过程中干什么？哪些实验中的错误让学生自己去发现？哪些错误必须指出来？发现各组不同的实验思路，以便在交流环节有所选择。

2. 教师指导学生探究为主

• 教师指导探究性实验教学模式将探究教学和传统教学的优势进行整合，它可以很好地用于建立某些特定的概念和规律。
  • 教师创设问题情境，启发学生思考、发现问题；
  • 师生共同探讨提出问题，引导学生猜想假设；
  • 师生共同讨论设计实验方案，或者教师提供实验探究方案；
  • 学生进行分组实验，收集证据。实验过程中教师巡回指导，解决学生遇到的问题；
  • 最后，学生将实验探究结果进行分享交流，教师总结。

【案例】“楞次定律”

• 教学流程：

操作注意事项：

• 教师的参与度和适时参与的控制：
  • 教师如何指导学生的探究；探究过程中学生自主活动的重点；教师重点指导探究的哪些方面；如何引导，何时介入，介入多少；哪些指导是必要的，怎样指导才算充分；何时需要提供背景资料或有关信息；何时传授相应的准备性知识；何时推荐学生阅读教科书，或向图书馆、互联网、成人求助；等等。
  • 成功实施这种模式的关键，是根据具体内容对具体学生进行适时指导。

6.2 中学物理验证性实验教学设计

一、验证性实验教学目标的确定和重、难点分析——以“验证动量守恒定律”为例

• 验证性实验教学目标不同于验证性实验目的。
• 依据实验内容分析，学生情况分析确定实验教学目标和重难点。

（一）明确验证性实验教学目标和重、难点

• 教学目标
  • 知识与技能：通过实验验证，加深对动量守恒定律的理解。
  • 过程与方法：经历实验过程，了解实验中的平抛运动方法，理解其中等效代替的思想。会用矢量求和的方法处理实验数据。
  • 情感、态度与价值观：通过实验验证，体会物理思想、方法的独到之处。
• 教学重、难点
  • 重点：验证动量守恒实验的思想、方法。
  • 难点：实验数据处理。

二、验证性实验教学过程设计

（一）实验准备阶段的教学设计

1. 安排学生预习实验。
   1. 明确实验目的。
   2. 熟悉实验原理。
   3. 理解实验方案、步骤。
   4. 设计实验数据记录表格。
2. 设计实验预习思考题。
3. 教师试做实验。

【案例】验证动量守恒定律

• 实验目的：验证动量守恒实验原理
• 实验原理：两个小球在水平方向发生正碰，水平方向合外力为零，动量守恒——$m_A+m_B=m_A{v}_A^{\prime }+m_B{v}_B^{\prime }$
• 实验方案：利用右图装置验证碰撞中的动量守恒，让一个质量较大的球从斜槽上滚下来，跟放在斜槽末端上的另一个质量较小的球发生碰撞，两球均做平抛运动。由于下落高度相同，从而导致飞行时间相等，用它们平抛射程的大小代替其速度。小球的质量可以测出，速度也可间接地知道，如满足动量守恒式 $m_A+m_B=m_A{v}_A^{\prime }+m_B{v}_B^{\prime }$ ，则可验证动量守恒定律。

• 数据记录表格（略）
• 实验预习思考题
  • （1）动量守恒定律的内容是什么?写出本实验中动量守恒的表达式。
  • （2）动量守恒定律的条件是什么？
  • （3）本实验的目的是验证动量守恒定律，必须测哪些物理量？验证的思路怎样？
  • （4）将斜槽固定在桌边时，为什么要求槽的末端点的切线是水平的？用什么办法检查固定有斜槽的木板是否水平？怎样使它水平？
  • （5）为什么要使两球相碰时处于同一高度？
  • （6）怎样才能使两球相碰撞后的速度方向在同一条直线上？

（二）实验操作阶段的教学设计

1. 适当讲授、突出实验的思想和方法。
2. 学生实验操作及基本要求。
   • 操作阶段学生的主要任务：安装和调整仪器，操作控制实验条件的变化，观察测量，取得必要的数据；排除可能出现的故障。
     1. 要求学生严格遵守操作规则和程序。
     2. 培养学生以思维为指导、手脑并用、有条不紊的良好习惯。
     3. 培养学生细心观察的习惯。
        1. 第一，要引导学生认真观察实验仪器。
        2. 第二，要引导学生根据实验目的抓住观察目标。
        3. 第三，要引导学生在观察中不放过偶然出现的“机遇”。
3. 教师巡视指导，因材施教。

（三）实验总结阶段的教学设计

1. 数据处理及误差分析。
2. 分析总结实验结果。

本阶段要求小学生做到会处理测得的数据，对实验结果进行分析和评估，写好实验报告和整理好所用实验器材。这是从现象上升到理性认识的重要阶段，教师应引导学生发挥思维的能动作用，学习处理实验数据的某些方法，对影响实验结果的因素进行具体的评估，培养其实事求是的科学态度和作风。

【案例】实验验证动量守恒定律误差分析

• 误差来源于实验操作中，两个小球没有达到水平正碰，一是斜槽不够水平，二是两球球心不在同一水平面上，给实验带来误差。每次静止释放入射小球的释放点越高，两球相碰时作用力就越大，动量守恒的误差就越小。应进行多次碰撞，落点取平均位置来确定，以减小偶然误差。
• 其他可能造成误差的原因
  1. 若两球不能正碰，则误差较大；
  2. 斜槽末端若不水平，则得不到准确的平抛运动而造成误差；
  3. O、P、M、N 各点定位不准确带来了误差；
  4. 测量和作图有偏差；
  5. 仪器和实验操作的重复性不好，使得每次做实验时不是统一标准。

三、设计实验拓展内容

• 提供实验拓展案例，如验证动量守恒定律的拓展提升。

四、其他分组实验案例分析

• 课后练习：请按照以上分组实验教学设计的思路分析案例，如电流表改装为伏特表的案例。

6.3 中学物理设计性实验教学设计

• 物理设计性实验是较高层次的综合实验训练。
• 要求学生自主设计实验方案，选择实验仪器，进行实验操作，观察记录，分析处理数据，归纳总结，完成实验报告。

一、中学阶段物理设计性实验的基本类型

• 按形式分类：
  • 给定仪器设备，完成物理量的测定或现象观察。
  • 只提测量要求，不限实验方法和所用仪器。
• 按内容分类：
  • 测量某一物理量的课题，如折射率测量。
  • 探讨研究和应用的课题，如太阳能电池应用。
  • 研究测量方法的课题，设计实用方法。

二、中学物理设计性实验的设计原则

• 科学性：保证实验设计不出错。
• 精确性：误差控制在允许范围内，选择误差较小方案。
• 探究性：包含规律挖掘，方法假设、试误、验证。
• 安全性：保障实验仪器和人身安全。
• 直观性：方案便于观察操作和读数。
• 趣味性：考虑学生心理特点和认知水平，设计生动有趣。

三、中学物理设计性实验教学目标的设计

• 教学目标是预期结果，规定学生应掌握的操作、设计方法、实验素养。
• 设计通过两个步骤完成：
  1. 物理设计性实验内容和学生行为要求。
  2. 任务分析。

四、中学物理设计性实验教学内容的设计

• 教学内容是教学目标的具体化，是实现目标的保证。
• 选择符合学生实际的可行实验选题。
• 考虑不同年级、基础的学生要求，及设计性实验的目的。

五、物理设计性实验教学的基本模式