大单元教学背景下高中物理实验教学的探索

曹殿龙

高中物理是离不开实验的一门课程,而“电流热效应的影响因素”则是基础实验之一,要想让学生更好地融入高中物理学习之中、顺利掌握实验技能,形成包括创新思维以及创新精神在内的综合素养,就应当重视实验教学,做好实验教学的每一个过程。

(一)大单元教学

大单元教学是运用系统化、整体化的教学思维,将若干小知识点聚合在一起,以一个单元的视角来展开教学。比如人教版(2019)物理必修三教材中,在第十一章《电路及其应用》和第十二章《电能 能量守恒定律》中,包含电源和电流、导体的电阻相关内容。包含的实验有导体电阻率的测量、串联电路和并联电路、电路中的能量转化、闭合电路的欧姆定律,还有电池电动势和内阻的测量、能源与可持续发展等知识内容。上述这些内容,又被划分成两章九节内容,呈现在教材中。以大单元视野展开,需要凝练教学内容结构,让学生完整地去学习大单元知识。除此之外,鉴于教材中某一些内容有重复,一些内容有联系,大单元教学还可以是主题式教学,重构教学内容结构,将重复的知识结合在一起教学、将有联系的知识内容结合在一起教学,带学生去感受知识体系框架。

而在大单元教学下,实验是教学的一部分,一个大单元中会有一个或若干实验,涵盖内容范围较广。

(二)实验教学与“电流热效应的影响因素”实验

实验教学是指实践性教学的一种组织形式,指学生利用仪器设备,对实验对象进行观测、测定、抽象、分析、总结等一系列过程,进而获得知识与发展能力的一种方式。实验教学可分为演示实验、自主实验、合作实验、项目实验等几种形式,演示实验即教师在课堂上进行演示,让学生观摩、测定并记录实验;自主实验指让学生个人设计并完成实验;合作实验事实上也是自主实验的一种形式,即以小组合作的形式展开;项目实验则指的是将某一个学习内容打包成项目的形式提供给学生,多为实践性、调研性项目,让学生对该项目进行分析,并完成这一项目,比如调研电热水器和电风扇的能量转化,比如制作门铃报警器的实践实验。

电流热效应指电流通过电阻时,将电能转化为热能的一种现象,已知影响电流热效应的因素包括电流大小、电阻、通电时间,进而去深入认识焦耳定律Q=UIt;Q=I2Rt。实验的大体结构为:通过控制变量法,改变一个闭合电路中的实验器材,如电动机、电灯泡,对比相同电压、电流、通电环境等因素,随之观测在不同条件因素下,电阻的温度变化,最后整合所有数据去分析影响电流热效应的因素。在该实验过程中,教师引导学生进行大胆猜想,假想设项,设计实验组,再通过实验过程去探究验证,获得知识的同时可提升实验技能。在实验过程中,实验环境、实验器材、操作等问题可能会导致出现一些差错,教师引导学生对实验问题进行改进,一方面能够让实验更加顺利地进行下去,一方面则是为了让学生进行创新研究,培养学生的创新意识。

(一)激发学习兴趣,体会物理乐趣

高中物理知识内容较为抽象且复杂,理论学习很容易让学生陷入枯燥乏味的学习氛围之中,进而逐渐丧失学习兴趣,学习效果自然不尽如人意。而实践教学却是相对灵活的、宽松的,是有趣的,学生参与实验学习,能够深度融入学习环境中,学习兴趣得到显著提升。而兴趣是学生最好的老师,学生在有学习兴趣的基础上,学习力也会随之提升,体会物理有趣、物理有用,更有助于学生全面成长。

(二)促使学生加强对理论知识的理解

展开实验教学,让学生围绕实验目标独立自主地去完成,在“创新—质疑—验证”的过程中去学习,凸显学生在学习中的主体地位,不仅学生的学习兴趣能够得到激发,同时也能够让学生更深入地理解物理理论知识。原本一些很难理解或不容易记忆的知识内容,通过实验教学,学生的理解能更深刻、记忆更加清晰。例如在电流热效应的影响因素实验中,通过实验学生能够深度认识到电流经过电阻发热这种现象,认识到影响发热的一些因素,结合生活中一些常见的电器例子,思考电器发热的原因所在,对焦耳定律有具体的思考。

(三)培养学生的科学探究能力

在素质教育深入发展的当下,培养学生物理核心素养是物理课程的核心目标之一,“科学探究”能力则是物理核心素养之一,它反映了学生应当懂得物理研究的程序,能够独立地根据素材或证据,去实验论证,去分析获得物理知识;也表现为学生应具有较强的实践动手能力,能科学利用实验环境,这也是新课标一直在强调的。实验教学无疑就是在培养学生的“科学探究”素养,为学生提供一个实验的项目,然后让学生去准备实验,去质疑假想并设项,再去分析实验结果。学生科学探究能力的培养,能够让他们在物理领域走得更快、更远。

(四)培养学生的创新能力

在素质教育目标下,创新能力也是学生应具备的综合素养之一,在高中物理实验教学中,或让学生去创新猜想,或让学生去创新实验,或让学生去总结、研究实验结果,或让学生去物理创造……诸多环节都在培养学生的创新意识和创新能力,让学生在学习、生活中倍加受益。

在高中物理实验教学中,常见的教学难点与问题体现在三个方面。首先是自主与分组实验较少的问题。尽可能多地让学生相对独立、自主地进行物理实验,是实验教学的基本原则,如此才能满足学生的实际学习需求,但是目前来看,一些情况下,学生自主或分组实验的数量难以保障。分析其原因,一方面可能是学校和教师对实验教学的重视程度不足,受到传统应试教育理念的影响仍然存在,认为让学生多学、多背、多做就能得分;另一方面,可能是因为学校不能提供足够的实验环境,在实验室、实验器材、实验材料等方面存在不足。

其次,可能存在按部就班开展实验的问题。或因为实验形式老化,对学生吸引力不足,或因为实验教学形式对学生引导不足,实验教学中学生往往按部就班地进行物理实验。学生缺少创新,缺少设计实验,仍在机械性、重复性完成实验,这种实验教学的形式效果是不足的。

最后,还存在未能严格把控实验程序的问题。很多时候高中物理实验教学没有教学任务和考核指标,这就导致学生得过且过,不会花费较多心思在实验学习上。实验课教学开展了之后,学生学懂了没有、学得怎么样、是否掌握实验技能,这些都不明确,这就让实验课程教学失去了原本的意义;或者,在实验中未能严抓科学与纪律,学生篡改数据的现象也会影响实验教学的质量。

(一)实验引入

在实验引入阶段,教师要让学生明确实验内容,实验设置的原则是要与教学内容紧密相连,具有促使学生理论知识理解、强化学生实际动手能力的作用;或者尝试去激发学生参与实验研究的兴趣;或者向学生传输完善的物理知识。

例如在“电流热效应的影响因素”实验中,围绕电流热效应的现实例子引入,生活中常见的电热毯、电饭锅、电热水器等,都是电流热效应的实际应用例子。另外,电器为了减少电流热,常常采用设置散热片、散热风扇、液冷装置等方式来进行散热,电器安装的位置也很关键,重点发热元件不要靠近敏感元件和重要元件,均可作为实验引入的素材,向学生渗透电流热效应的基本概念,并且激发学生的实验热情。

(二)实验规划

在拿到一个实验主题后,应引导学生对物理实验进行大胆的质疑假想,将质疑假想的方向设置实验项,而不是让学生按部就班地完成实验,如此一来能够让学生有更强的实验动力。

例如在“电流热效应的影响因素”实验中,先引导学生围绕“电流热效应的影响因素”进行猜想,学生根据已有的电路知识猜想电压、电流、电阻(通电材料)、环境因素、通电时长等,教师将其一一备注,均可以作为实验研究的项目,再引导学生设计对照组实验。

除此之外,教师还要做好准备,准备实验材料,规划实验计划,注意实验细节事项,让学生初步分析实验研究主题,并让学生思考如何去完成它、分哪些步骤去完成它、需要收集哪些相关的资料、需要准备哪些材料、重难点又是什么等,进而设置对照组实验。实验规划前要明确实验纪律,不但对学生的科学探究能力、科学思维进行了训练,而且潜移默化地培养了学生对科学探究的认真态度。

(三)实验过程

实验过程即学生真正做实验的过程,根据前期制订的实验计划,按几个步骤完成,每个有哪些技术,由谁去完成、怎样去管理等,计划制订得越详细,项目执行起来就会越轻松。在这一系列过程中,均由学生独立自主去完成,或者以小组合作的方式去完成,即便合作完成也要分配角色和任务,学生自主完成实验探究的整个过程,才能对物理知识点产生深入理解,才能切实提升实验操作能力。

“电流热效应的影响因素”实验可进行分组实验,要注意巧妙规划以及严格管理,目的是让学生学会由实验到结论的物理研究方式,学生之间可以相互分享自己对这一项目的理解和思考,配合着完成该项目研究,各自承担相应的实验任务。合作实践能提高学生的交流探究素养和合作配合能力。分组则要均匀分组,能起到以强带弱的作用。实验过程中,学生的实际动手能力和技术基础并不完备,自然会犯下各种各样的问题,而学生不断解决这些问题,就是在深化物理知识理解和技术应用。当然,教师也应及时关注学生做实验的过程,对学生完成实验的情况进行指导,比如学生使用实验器材时方法不正确,老师应及时去纠正,培养学生严谨的科学态度。

例如在“电流热效应的影响因素”实验中,电压、电流、电阻(通电材料)、环境因素、通电时长等是影响电流热效应的因素。学生分别设计了对照组实验,比如对“电流”因素,设计了同一个闭合回路的对照组实验,通过改变电流的大小,去观测小灯泡或其他热敏元件的反应,来获得对应的电流数额与温度数据;比如对“电阻”因素,同等道理,设计了同一个闭合回路的对照组实验,使用不同电阻的小灯泡,来观测灯泡温度。

(四)实验总结与创新

经过实验研究,在实验结束后汇总实验结果,让学生对实验结果进行反馈,形成完整的实验报告,制作图例和最初的质疑假想进行对比,分析得出实验结果。教师督促与检查,在物理实验中,每一个数值都要精准,不能弄虚作假,实验本就是研究的过程,通过实践去验证自己的猜想,如果数据造假,那么实验就会失去意义。

教师教导学生如何去剔除明显错误的实验数据,得出真实且有效的实验结果。或引导学生对实验研究的难点进行创新,比如说做该实验,实验温度不好测量,温度计不容易固定,对此进行创新,在闭合回路中,在电阻上滴上几滴石蜡或松香油,待其凝固,观测不同条件下石蜡或松香油熔化的时间,以此来代替温度测量……这就是创新实验的例子所在。

(五)实验评价

物理是一门离不开实验的课程,在素质教育深入发展的今天,更加提倡以实验来帮助学生学习物理。探索实验教学的策略,最终目的是促进学生的全面发展。在实验开展过后,教师需引导学生进行评价,这是学生进行自我反思的过程,能很好地促进他们掌握知识,同时,认识自己的学习情况。这样一来,学生才能在参与实验教学的过程中,通过实验教学将理论知识融会贯通,深入探究物理知识;同时,通过实验教学提高自己的实践动手能力,获取和掌握实验探究技能。它更能够让学生在实验教学中“创新—质疑—验证”地展开学习,培养学生的创新意识与创新精神。具体操作时,教师可以让学生上台说明自己的实验成果,说一说自己在完成实验中遇到的难题以及如何去解决的,说一说实验中有哪些创新之处。教师和同学根据学生的表现,进行评价,并引导学生总结本次实验的经验教训。

实验教学是高中物理教学必不可少的组成部分,但却可能存在实验室、实验器材、实验材料不足,实验教学少等一系列问题。因此,为了更好地发挥实验教学的价值,学校应做好顶层设计,尽可能为学生配置足质足量的实验条件,保证实验室规模能够应对一个班级人数,保证实验材料能够满足学生所需。在课时规划上也要进一步优化,增加实验教学的分量,致力于解决学生参与实验教学太少的问题,明确要求高中物理应完成多少实验,应执行多少实验课时,以此来保证高中物理实验教学的质量。物理课程中大部分知识点都是可以通过物理实验来获取的,这需要教师思维层面提起重视程度,明确实验教学对学生学习兴趣、知识理解、核心素养培养的重要意义,学校则需要加强顶层设计,做好对教师的教学监督,督促教师顺利展开实验教学。另外,应在坚持“学—考”一体化原则下,提高实验教学在课程教学中的比重,开展相应的实验考核,要改变传统只进行笔试的落后考核模式,给学生设计物理实验主题,检查学生完成该物理实验的表现,以量化标准作为考核成绩判定依据。

综合来说,实验教学是高中物理必不可少的一个环节,让学生围绕某一物理学习项目展开探究,去探索性学习物理知识,去质疑假想,再用实验去解决这一项目,在全过程中对实验进行创新。因此,在大单元教学背景下,教师应积极带领学生开展物理实验,做好演示实验、分组实验等,以学生为主体,鼓励学生去创新猜想,去动手论证,使其成为更加优秀的人才。

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