应用科学探究理念拓展演示实验功能

科学探究是普通高中物理课程改革的一个核心问题，它不仅是学生的学习目标和学习内容，也是一种重要的教学方式。高中物理课程标准中，无论是课程性质和理念，还是课程目标中都提出要关注科学探究。在内容标准中指出科学探究包括提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、进行实验与收集数据、分析与论证、评估、合作与交流等七个要素，并明确了需要培养的科学探究能力的具体要求；在具体的课程实施建议中也要求高中阶段的物理课应该“关注学生在科学探究过程中的学习质量，进一步加深对科学探究的理解，提高科学探究的能力”。

物理是一门以实验为基础的自然学科，物理实验是培养学生科学探究能力的重要途径。演示实验是中学物理实验教学的重要形式，传统的演示实验在展示教学内容密切相关的物理现象和规律、唤起学生的知识和经验、激发学生的学习兴趣和动机、促进学生对概念和规律的理解、示范正确规范的仪器操作方法等方面具有重要的作用，然而传统的演示实验并不重视培养学生的科学探究能力。因此，教师应对演示实验进行创新设计，将科学探究的理念运用到演示实验的教学中，让学生经历科学探究的过程，从而培养学生的科学探究能力，拓展演示实验的功能。

一、让学生经历发现问题并分析解决问题的过程，培养学生提出问题和分析解决问题的能力

在演示实验教学中让学生经历“遇到问题――分析问题――解决问题”的过程，可以让学生自主建构对知识的理解，以培养学生解决问题的能力，同时培养学生利用已有知识分析问题并创设有利条件解决问题的能力。

例如，在介绍向心力演示仪时，传统的做法是教师直接告诉学生向心力演示仪的装置结构和原理。有些教师在展示向心力演示仪时采用问题驱使的方法逐步构建出实验装置。具体的做法如下：教师在一开始只展示了装置的底座、转盘和小球。这时教师把小球放在转盘上演示，发现小球不能随转盘做圆周运动。教师引导学生分析原因：因为摩擦力太小，不足以提供向心力，小球将远离圆心。在这个情境中学生很自然就能提出“如何让小球随转盘做圆周运动？”的问题，教师稍作引导，学生就可以结合原有的知识经验，自己得出解决方案：在小槽上固定一块挡板，使挡板对小球的弹力提供向心力，这样小球就可做圆周运动了。使小球做圆周运动之后学生又面临“如何测出小球所需的向心力？”大小的问题，小球所受向心力的大小很难直接测出，教师稍加引导后，学生提出用弹簧秤来测出小球对挡板的压力进而间接测出小球所需的向心力的大小。这时教师演示学生设计的方案，发现弹簧秤随转盘转动，无法准确读数，这时学生又提出“如何才能准确读数？”的问题。教师引导学生分析转盘转动时，发现只有圆心处是不转动的，因此可把水平放置的弹簧秤换成竖直放置并固定在圆心处，装上弹簧，加上刻度，套上套筒的弹簧秤，并用铁片来代替挡板，铁片一段与套筒相连，在铁片前面放上小球，转动转盘时，小球对铁片产生压力，就可通过套筒里露出的红白刻度来间接测出向心力的大小。

该教师介绍演示实验仪器时，并没有直接告知学生仪器的构造，而是设计了三个递进的问题，让学生在一系列发现问题、解决问题的过程中逐步组建实验仪器。通过这种方式，学生不但能理解向心力演示仪的装置原理，还体会了发现问题、提出问题并利用已有知识去创设条件分析解决问题的过程，很好地培养了学生提出问题、分析解决问题的能力。

二、让学生经历建立假设并设计方案验证假设的过程，培养学生的猜想与假设能力和实事求是的科学态度

“猜想与假设”是探究过程的重要环节，它是使学生思维发散的最为活跃的阶段。在进行演示实验时，应留给学生适当的猜想与假设的空间，让学生根据已有知识经验进行猜想与假设，这样不但能激发学生的发散思维，调动学生学习的主动性和积极性，还能够培养学生的猜想与假设能力。在学生进行猜想与假设之后，进一步鼓励学生设计实验来检验自己的猜想与假设是否正确，可以让学生在主动获取知识的过程中形成事实求是的科学态度。

例如，在通过演示牛顿栏导入动量守恒定律时，传统的做法就是直接演示碰撞的过程进而导入课题。有些教师在利用演示牛顿栏导入动量守恒定律时采用师生共建演示实验的方式层层深入进而导入动量守恒定律。具体做法如下：教师在介绍完实验装置之后，并没有直接进行操作，而是提出问题让学生猜想：如果将一端的一个小球拉起后释放，会看见什么现象呢？这时学生根据自己的知识经验提出了两种猜想：a.小球摆下后会与下面的小球发生碰撞，另一端有一个小球会被撞起来。b.另一端的小球会被撞起来，但撞起来的个数与小球拉起的高度有关。这时教师引导学生设计实验方案来验证他们的猜想，学生自己设计得出实验方案：将一端的一个小球拉起，使悬线与竖直面成不同角度且处于张弛状态。静止释放小球，观察小球释放后的现象，若另一端只有一个小球被撞起来，则说明猜想a是正确的；若从不同角度释放撞起来的小球数不一样，则说明猜想b是正确的。这时再由教师来进行操作：将一端的一个小球拉起，使悬线与竖直面分别约成20°、30°、40°、50°释放，与被拉起小球相邻的第1、第2、第3个小球均未动，第4个小球被撞起，摆动上升至与拉起小球几乎相同高度后摆下。

该案例中教师在提出要演示的问题之后，并没有直接演示让学生观察，而是先让学生猜想，并设计方案来验证自己的猜想，这样既能激发学生的学习兴趣，让学生进入积极思维的学习状态，还能培养学生的猜想与假设能力。

三、让学生经历分析与论证并得出结论的过程，培养学生提取和处理信息的能力和逻辑推理能力

学生在概括归纳得出并解释结论的过程中，不仅要搜集证据，而且要将观察和实验的结果与自己已有的知识经验联系起来，借助于分析、推理提出现象或结果产生的原因，并在实验证据和逻辑证据的基础上建立各种变量间的联系，从而形成以已有知识和当前观察与实验结果为基础的新的理解。在观察完演示实验现象或者得出实验数据后，教师可以把对实验现象进行分析、解释和对实验数据进行处理的机会留给学生，引导学生通过自己的思维过程构建对新知识的理解，让学生从已有的实验现象和数据出发，提取有效信息，经历逻辑的分析、综合、判断、概括等一系列的思维过程，从而实现从感性认识到理性认识的跃迁。

例如，在学习超重和失重时，很多教师在演示完实验现象之后就直接引导学生分析得出结论。但有的教师在用自制模拟电梯并测量得出电梯上行和下行过程中力的传感器所受的钩码的拉力的变化曲线之后，并没有直接和学生一起分析得出结论，而是让学生根据演示实验所得图像数据完成如表一所示的实验探究表格。

该教师在做完演示实验得出图像数据之后，并没有直接分析图像，而是准备了探究表格让学生自己分析处理实验数据，得出实验结论。在此过程中，学生不但通过探究得出实验结论，体验到获得知识的喜悦，还学会了如何分析实验数据，提取关键信息；如何根据实验数据判断推理得出实验结论。

将科学探究理念融入演示实验的教学过程中，不但能给学生提供自主建构知识的机会，也可以在此过程中培养学生的科学探究能力。