高中物理探究型实验课的教学模式初探

【摘要】科学探究是物理学习的一种方法，还是物理课程的目标和重要内容。如何让学生真正通过探究的过程得到科学素质的提升，本文通过作者在教学中的体会，提出新课程标准下实验探究课的初步教学模式，辅以实际案例说明。

【关键词】科学探究 实验 教学模式

一、引言

探究性实验作为物理实验的一种形式，它既有别于测定性实验，又有别于一般的验证实验。探究性实验的目的在于使学生获得物理实验研究方法的训练，让学生接触探究、发明、发现的过程和方法。在探究发现的过程中，发展学生理性的、批判的思想方法，体验学者研究的苦衷和愉悦，培养他们的发现、探究能力。而要达到这种目的，首先要求教师树立正确会设计指导思想。那么，探究性实验的设计应该该具备什么样的指导思想呢？瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论理论可以给我们以很好的启示。

皮亚杰认为，人的行为具有一种定向性平衡。本来处于平衡状态的图式，由于人与事物的相互作用而破坏了平衡状态，出现了平衡化。为此，人再进行反应又恢复平衡，这种重新达到平衡状态的心理反应过程，称为平衡化。平衡化又可分为同化和顺应两种形式。同化是主体面临新的情境时，总是将新的知觉要素或刺激整合到原有的图式中，引起主体原有认知结构量的变化，以加强和丰富主体的动作；而当主体的图式不能同化客体时，主体只有改变原有图式或建立新的图式，引起主体认知结构发生质变才能适应或容纳新的刺激，这叫顺应。正是在同化、顺应的交替转换过程中，新的认识不断整合为更高级复杂的认知结构。

学生的心理发展，就是这种认知结构从平衡到不平衡再到新的平衡的过程。皮亚杰认为，引起儿童认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激发儿童的求知欲和好奇心。按照他的平衡学说，冲突是认知结构重新组织和随后发展的基础。

二、新课程标准下物理探究课的教学模式

新课程标准下物理探究课的教学模式是指学生围绕一定问题，在教师的指导下，设计实验方案，并反复研究实验方案，通过一个或几个实践过程，最终得出一定结果，解决一定问题，以发展学生创新能力和态度的一种学生主体性教学活动，充分体现兴趣培养和适应合作学习的需要，自主设计和完成，在探索实践活动中培养学生创新精神和实践能力，结合探究式教学模式和物理实验特点，充分发挥探索性实验的功能，很好地体现科学探究的提出问题、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、交流与合作七个要素。本人把整堂课分成五个阶段。分别为：

（一）、准备探究阶段――提出问题、猜想与假设、交流与合作

（二）、初步探究阶段――评估、制定计划与设计实验

（三）、深入探究阶段――进行实验与收集证据

（四）、终结探究阶段――猜想与假设、分析与论证

（五）、完善探究阶段

三、教学实例

标题：《探究加速度与力、质量的关系》

（一）准备探究阶段

教师根据学生提出的问题编写一分质量较高的探究导学案。探究导学案包含以下几方面的内容。（1）、探究的题目。（2）、探究的目标。（3）、思考探究的方法。探究导学在课前两、三天发给学生。

学生在课前认真阅读探究导学，明确探究的目标任务，结合自身情况复习相关知识，并积极思考研究，为课上的小组实验作准备。学生根据自愿原则，几人组成一个实验小组。小组成立后，各组员根据自己课前研究思考情况相互交流讨论，根据讨论结果，小组确定一个初步实验方案，内容包括实验原理，实验器材、步骤、注意事项等。

1、探究导学案内容如下：

第一探究题目《探究加速度与力、质量的关系》。

第二任务和目标：探究加速度与力、质量的关系

第三请你从以下几个方面来准备：（1）用什么方法探究三个物理量间的关系（2）该实验中的误差主要来源于哪里？哪些是系统误差？哪些是偶然误差？能否想办法消除？（3）根据自愿5至6人组成一个小组，并推荐小组长（4）每组至少设计一个探究加速度与力、质量的关系的实验，内容包括：实验的过程和方法，要用到的器材（5）评价你的方案的优缺点（6）熟悉数据处理的多种方法。

（实验导学在实验前两三天发给学生。）

2、学生根据实验导学进行自学研究。

（二）初步探究阶段

方案设计好后，教师和学生一道对实验方案进行评价。各小组组长上台简单介绍本组实验设计方案，针对不同的实验方案，学生可以提问讨论，指出各个方案的优缺点。教师对学生未发现的问题加以补充。实验方案讨论以后，各小组针对自己组的实验方案调整改进，寻找实验中关键之处。研究过程中有小组讨论无法解决的问题，可以向教师反映和教师进行讨论。如果是普遍问题，教师保留问题待全班讨论时再做研究。这一阶段的探究，主要是让学生在自学研究的基础上，通过小组讨论对研究的问题有一个更清楚全面的认识并确定实验大致方案。

1、上课开始，各小组长介绍他们的实验方法。教师引导全班师生共同讨论各种实验方案。各小组在实验的总体构思上没有出现太大分歧，教师肯定大家构思的正确性。但在实验细节设计上有差异性，教师跟学生一起针对设计细节逐个进行讨论。讨论中充分调动学生的积极性，教师只是因势利导。同学各实验方案展开讨论、交流，讨论一段时间后，教师引导全班学生共同总结讨论结果。对学生争论的焦点问题加以引导、点评，寻找最优、最简单、在现有实验室的条件下最可行的实验方法。学生争论的中心问题有以下几个：其一，确定物理量之间的定量关系的研究方法；其二，测量小车所受外力的方法；其三，如何消除摩擦力。其四，数据处理当中的误差分析。

2、总结讨论结果之后，各小组初步拟定方案

（三）深入探究阶段

这一阶段是整个科学探究的关键。小组成员根据待研究的问题，确定解决问题的实验方案。然后开始按实验步骤作实验。观察实验现象，记录实验数据。对实验中出现的问题，先在组内讨论思考解决，如实在解决不了可以要求教师参与到小组讨论中，师生共同探讨解决。有时实验方案在实际操作上会出现一定的问题，有时与预期效果不太一致，这都需要及时调整实验方案，重新实验。学生实验后，得出系列实验数据。

1、实验总体构思以后，小组根据讨论结果，开始从四个方面来设计实验中的具体细节。

（1）实验方法：

本实验研究小车（或滑块）的加速度a与其所受的合外力F、小车质量M关系，实验装置的主体结构如图所示。由于涉及到三个变量的关系，采用控制变量法，即：

a.控制小车的质量M不变，讨论a与F的关系。

b.再控制托盘和钩码的质量不变即F不变，改变小车的质量M，讨论a与M的关系。

c.综合起来，得出a与F、M之间的定量关系。

（2）测量小车外力的方法（同时平衡板与小车间的摩擦力，木板倾斜到物体在斜面上大致能够匀速下滑（可以根据纸带上的点来判断））。外力即为托盘和钩码的总重力（如右图）

（3）计算加速度的方法：纸带分析方法，用公式Δx=at2（如图）

（4）数据处理

a.实验数据的记录处理：设计一个表格，把同一物体在不同的力的作用下的加速度填在表中。为了更直观地判断加速度a与合力F的数量关系，我们以a为纵坐标，F为横坐标，根据各组数据在坐标系中描点。如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比，如果不是这样，则需要进一步分析。

实验数据[来实验次数 a F

第一次

第二次

第三次

实验的基本思路：保持物体所受的合外力相同，测量不同质量的物体在该力的作用下的加速度，分析加速度与质量的关系。

b实验数据记录处理：设计第二个表格，把 不同物体在相同力的作用下的加速度填在表中。根据我们的经验，在相同力的作用下，质量m越大，加速度a越小。这可能是“a与m成反比”，但也可能是“a与m2成反比”，甚至更复杂的关系。我们从最简单的情况入手，检验是否“a与m成反比”。

按照初中的知识，检查a与m图象是不是双曲线，就能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线并不容易。一、你并不知道这条曲线延长下去是否会与坐标轴相交；二、你并不知道是与m成反比还是与m2成反比。

是否成反比不容易看出来，但是否成正 比还是比较容易看了，只要图象是一条过原点的直线，那两个变量就是成正比。所以在数据处理时我们用下面的技巧：“a与m成反比”也就是“a与 成正比”，如果以a为纵坐标，以 为横坐标，根据图象是不是过原点的直线就可以判断a与m是不是成反比。要不是再用 m2来试。

实验数据 实验次数 a m

第一次

第二次

第三次

（四）探究终结阶段

学生得到系列实验数据，并开始尝试在数据中总结结论。较快完成实验的小组，在等其他组完成实验时，组里成员可把实验问题进行进一步回顾和思考，为下一阶段全班性的总结交流作准备。在大多数的小组完成实验以后，教师引导全体学生进行总结。各个小组将各自小组的数据处理方法由组长为代表作一个简单介绍，并说明实验研究的结果。教师再次引导学生讨论各种实验数据处理方法，帮助学生找出对于该实验最优的数据处理方式，得出正确的实验结论。最后教师作整体总结，总结从下面几方面进行。（1）从知识学习的角度：让学生回顾知识是如何产生与发展的；让学生回顾与所学实验方法相对应的物理事实；让学生去领悟不同实验方法最本质的特点。（2）从研究方法的角度：让学生去领悟实验研究的总体思路；让学生去领悟实验研究过程中的物理思想和方法。总结使学生从设计到探求出结果的整个过程中提高认识。

1、学生根据实验数据、纸带，各自采用不同的数据处理方法，最后有部分小组得出“小车所受外力一定，加速度与质量成反比；小车质量一定，外力与加速度成正比”正确的实验结论。

2.待三分之二以上的小组完成实验后，教师请各小组组长汇报实验的情况，说明测出的数据，数据处理的方法，得出的结论怎样。数据处理上，部分小组将测量出若干数据列表，分析数据得出结论。最后归纳出正确的实验结论。

3.分析数据误差和对此实验的改进。

a.木板与小车间的摩擦力

小车所受的合外力等于小车受到的重力、支持力、摩擦力和绳子拉力的合力，若小车受到的重力、支持力、摩擦力的合力等于零，那么小车的合外力等于绳子的拉力。

怎样实现小车运动时受到的重力、支持力、摩擦力的合力等于零呢？构建斜面情景，调节斜面的倾斜角度，使小车在重力、支持力、摩擦阻力的作用下做匀速运动，也就是重力的在斜面方向的分力与摩擦力平衡，即平衡摩擦力。

用实验方法检查平衡的效果：长木板的一端垫高一些，使之形成一个斜面，然后把实验用小车放在长木板上，轻推小车，给小车一个沿斜面向下的初速度，观察小车的运动情况，看其是否做匀速直线运动。如果基本可看作匀速直线运动，认为达到平衡效果。

在实验开始后，小车运动的阻力不只是小车受到的摩擦力，还有纸带的摩擦力。上面的操作中没有考虑后者。所以平衡摩擦力正确的方法应该拖着纸带。检验平衡效果凭眼睛直接观察，判断小车是否做匀速直线运动不可靠。正确做法是：轻推小车，给小车一个沿斜面向下的初速度，观察小车的运动，用眼睛看到小车近似匀速运动以后，保持长木板和水平桌面的倾角不变，并装上打点计时器及纸带，接通电源，使小车拖着纸带沿斜面向下运动.取下纸带后，如果纸带上打出的点子间隔基本上均匀，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面的分力平衡。平衡摩擦力以后，实验中需在小车上增加或减少砝码，改变小车对木板的压力，摩擦力会发生变化，需要重新平衡摩擦力吗？具体分析如下：

小车拖着纸带平衡摩擦力，设小车的质量为M，则有Mgsinθ=μMgcosθ+f，化简为 ，式中f是纸带受到的摩擦力

由上式可知，平衡一次摩擦力后，木板倾角不变，改变小车的质量M，方程两边不再相等，小车所受合外力的测量将会产生误差。

可见，只平衡一次摩擦力后，保持斜面的倾角不变，不会消除由纸带的摩擦力引起的误差。若实验时，纸带受到的摩擦力小到可以忽略，上述方法还是可行的。

b.平衡摩擦力后，小车受到的合力等于绳子的拉力，如何测量拉力

实验中，当小车质量M远大于砂及桶的总质量m，可近似认为对拉力F等于砂及桶的重力mg。严格地说，细绳对小车的拉力F并不等于砂和砂桶的重力mg，而是F

对砂桶、小车整个系统有：mg（M+m）a① 对小车：F=Ma②

由①②得： 由于 ，因此F

c.对于此实验的改进：

为了提高实验的准确性，对于小车的拉力，可在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器，可以直接从计算机显示的图象中准确读出小车受到的拉力大小。

对于木板与小车及纸带与打点及时器之间的摩擦阻力可以利用光电门计时法。

实验装置如下图所示，研究气垫导轨上滑块的加速度，滑块上安装了宽度为L的挡光片，如图，滑块在牵引力作用下，先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了通过第一个光电门的时间t1，通过第二个光电门的时间t2，则：

小车通过第一个光电门的速度 ，小车通过第二个光电门的速度

若测得两光电门间距为x，则滑块的加速度

简化装置图（右图）

各个小组根据讨论的结果，结合本组的实验方案进行改进和完善，然后开始具体的实验操作。选择实验仪器。小组若需要其他仪器可以向教师提出，由教师负责配给。小组按实验方案分工合作进行实验，记录好实验数据。教师在学生实验过程中巡视全班，观察学生实验活动，分析其合理性并及时反馈，对于小组的提问，参与到小组讨论中去，帮助解决问题。

（五）实验完善阶段

科学探究课结束以后，对于课上遗留的个别问题，同学之间可以交流讨论，也可以与教师共同讨论。有兴趣的学生还可以对探究内容进行更进一步的研究。

实验课后，对于上课时没有得出结论的小组，也要帮助分析原因，需要重新实验的，可以结合上课时讨论的收获重新实验。对于有兴趣继续研究这个实验的学生，可以提供开放实验室，让学生自己探索学习。

三、探究过程中应避免的误区。

（一）让学生完全探究，探究惟一

学生的学习方式一般有“接受式”和“发现式”两种。在接受学习中，学习内容是以定论的形式直接呈现出来的，学生是知识的接受者。在发现学习中，学习内容是以问题形式间接呈现出来的，学生是知识的发现者。两种学习方式都有其存在的价值，都是中小学生的重要学习方式。在传统的教学中，过于突出和强调接受和掌握，冷落和忽视发现和探索，从而在实践中导致了对学生认识过程的极端处理，使学生死记硬背，变成了接受知识的容器，窒息了思维和智力的发展，忽略了学习兴趣和热情的培养，阻碍了学生的全面发展。

新课程改革的一个重大举措就是强调探究式学习，并在教材中设计了大量的探究活动，这一方面说明了探究式学习是一种重要的学习方法，另一方面也容易使人产生一切知识都应该通过探究的方式获得、在教学中探究才是唯一的方法的假象。从而在认识上形成“探究”万能论思想，在实践中走上“探究”唯一化道路。

（二）教师严格控制探究进程

教师是学习过程的组织者，是学生学习的合作者，在整个学习过程里要注意培养学生的学习兴趣，激发学习动机，保护学习的好奇心，使学生掌握各种学习方法。在思想上，无论是一般社会公众还是教育者，无论是教育理论工作者还是教育的实践者，都意识到应当改变教师的“传道、授业、解惑”的角色，可是在行动上做得还不够。潜意识里还保留着固有思想的残余，即教师应该主导课堂活动，要预设学生的行动乃至思想的变化，当然最好是能够像短期天气预报那样准确。这样的教学活动其实就变成了表演教师的课前计划，即使在课堂实际中会遇到这样那样的偶然事件，也会不露痕迹地把它们解决掉，以保证教学计划的顺利完成，确保课堂秩序的井然有序――当然也就表现了教师自身的教学经验和水平。

学生的思想丰富多彩，学习的活动千姿百态，教师不可能在课前完全作好规划。如果计划过多过细，反而使教师在教学中固守计划的执行而忽视更重要的东西。但是如果能作一个框架式的课前计划，即在计划里给课堂意外预留较多的空间，就更能够体现探究式学习的自主性、独立性和体验性，更有利于促使学生身上的“闪光点”出现，也能使课堂探究活动的气氛更活跃，学生的积极性更高涨。

（三）学生探究只能成功，不许失败

探究式学习是以模拟科学探究建构知识，培养情感，训练技能，促进人的全面发展。美国国家科学教育标准提出科学探究是科学家研究自然界并获得证据、提出解释的多种不同途径。探究的出发点是人类对自然的好奇心，探究的基础是人类已经掌握的知识和技能，探究的过程是曲折坎坷的，探究的结果有成功，但更多的是失败或者出乎意料的。

如果从接受学习的角度来看，学生在学习活动结束之后，还没有正确地理解有关知识或者技能，可以判定这堂课是不成功的。因为接受学习的主要标准就是以是否获取教学大纲上规定的知识或者技能。但新世纪所需要的人才应当是会学习、会合作、会生存并且会做事的全人，这些多不能由探究的成功与否来判定。正如著名物理学家和物理教育家韦林科夫所言：“科学不是死记硬背的知识、公式、名词。科学是好奇，是不断发现事物和不断询问‘为什么’，科学的目的是发问，它主要是询问的过程，而不是知识的获得。”事实上，不成功的探究更可以成为学习的素材，分析不成功的原因也不失为一种很好的教学方式，特别是在对照成功和失败的过程中，探究活动同样也能起到应有的教育作用，既可以进行知识和技能的培养，也能进行面对失败的情感教育。

四、结论

科学探究是在考虑学生已有物理知识和能力水平的基础上，提出学生感兴趣但又未知的物理问题，并让其亲自探索研究。通过提出问题、设计实验方案、收集材料、对问题进行探索、分析研究、交流评价、最后解决问题的过程，学生经历了科学研究的大致过程，培养了创新精神和创新能力，学生对实验有着浓厚的兴趣和强烈的探究欲。

但在探究的准备阶段要花较多的时间，特别是在猜想与设计实验方案时，而课程的设计不允许我们有太多的停留，学生的知识结构又不允许我们太早把探究导学发给学生，所以在实际的实践中还是困难重重。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。”

参考文献

[1]陶洪，《物理实验论》，广西教育出版社，1996.1

[2]阎金铎继佩军，《物理教学论》，江苏教育出版社，1991.1

[3]广东省教育厅教研室，《广东省普通高中新课程学科教学指导》，广东教育出版社，2004.7

[4]中华人民共和国教育部，《物理课程标准》，人民教育出版社，2003.10