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物理教學(xué)論文：試論物理實驗教學(xué)中的“過程設(shè)計”蔡千斌
試論物理實驗教學(xué)中的“過程設(shè)計”
蔡千斌
�。ㄕ憬髮W(xué)理學(xué)院物理系，浙江杭州310027）
一、什么是物理實驗教學(xué)中的“過程設(shè)計”
首先，“過程設(shè)計”就是一種教學(xué)設(shè)計．其次，它更為強調(diào)的是重視過程的教學(xué)，詳細地說，物理實驗教學(xué)中的“過程設(shè)計”就是指在實驗教學(xué)中教師設(shè)計實驗的情境或系列的問題，使學(xué)生經(jīng)歷問題的探索過程，重蹈科學(xué)家關(guān)鍵的設(shè)計步驟，體悟?qū)嶒灥脑O(shè)計思想，掌握儀器的使用事項，提升實驗結(jié)果的分析能力的一種教學(xué)設(shè)計．
二、物理實驗教學(xué)中為什么要進行“過程設(shè)計”
這要從一則教學(xué)事例談起．在“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”的實驗中，實驗裝置如圖1所示．教師教學(xué)時對這一“成型實驗”的設(shè)計未作鋪墊，學(xué)生并不清楚科學(xué)家設(shè)計該實驗的心路歷程．以至于教學(xué)中有些學(xué)生竟然認為：“這么簡單的實驗，很容易得出結(jié)論呀！法拉第怎么用了十年的時間？他真是太笨了！”可見，教師在已經(jīng)“成型實驗”的教學(xué)中有必要還原科學(xué)家的心路歷程．法拉第在當(dāng)年先是怎么設(shè)計的，后是怎樣改進的，以后是怎樣突破的，最終又是怎樣設(shè)計的．別人為什么沒有做成功，唯獨法拉第做成功了．在充分揭示科學(xué)家思維的形成過程中，讓學(xué)生適時地經(jīng)歷從實驗的初始設(shè)計到逐步完善的思維過程，這樣，學(xué)生才能領(lǐng)略到實驗設(shè)計的精妙所在，也才能感受到法拉第的偉大之處．因此，教師在實驗教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注重“過程設(shè)計”，
三、物理實驗教學(xué)中如何進行“過程設(shè)計”
1．儀器使用的過程設(shè)計
儀器使用的傳統(tǒng)教學(xué)模式是：結(jié)構(gòu)簡介——教師示范——學(xué)生模仿．教師先簡單介紹儀器的結(jié)構(gòu)、功能，再分步介紹操作步驟，第一步怎樣操作，第二步怎樣操作，……，要注意不能有什么樣的操作，同時做好示范，然后學(xué)生照樣練習(xí)，直至純熟，這種教學(xué)模式喪失了學(xué)生的自主性，削弱了學(xué)生的探究能力．這樣的設(shè)計并不可�。畠x器使用的“過程設(shè)計”能較好地解決這一問題．其設(shè)計模式如圖2所示．設(shè)計的線索是：(1)教學(xué)內(nèi)容；(2)過程設(shè)計，其中，過程設(shè)計又分為：①學(xué)生活動；②過程小結(jié)，
案例：實驗：使用多用電表測電阻．采用“儀器使用的過程設(shè)計”進行教學(xué)時，教師不需強行灌輸多用電表的使用方法，學(xué)生在活動中即能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、總結(jié)規(guī)律．其過程設(shè)計見后頁．
實踐表明，這種設(shè)計能使教師教得輕松，學(xué)生學(xué)得愉快，經(jīng)過動手動腦后獲得的知識，對學(xué)生來說，其印象也更為深刻．
2．成型實驗的過程設(shè)計
本文所講的成型實驗指的是已遠離了實驗的原型，經(jīng)歷了多次的修改后呈現(xiàn)出來的一個最終完善的電路、一套完整韻儀器、一種完美的實驗方案．它經(jīng)過了多次的打磨，雖則完美，卻磨掉了思維演變的痕跡，如果直接呈現(xiàn)出來，學(xué)生將無法感受到探索過程的艱難和探索過程的樂趣，理解起來也更為困難．
案例：用以下器材測量待測電阻見的阻值．待測電阻R阻值約為lOOR電源E，電動勢約為6.OV，內(nèi)阻可忽略不計；電流表Ai，量程為0~50mA，內(nèi)電阻ri=20Q,;電流表A2，量程為0—300mA，內(nèi)電阻r2約為4Q;定值電阻風(fēng)，阻值Ra-20Q;滑動變阻器R，最大阻值為10Q;單刀單擲開關(guān)5，導(dǎo)線若干．
(1)測量中要求兩塊電流表的讀數(shù)都不小于其量程的1/3，且要求盡量多測量幾組數(shù)據(jù)，試畫出測量電阻R，的實驗電路原理圖（原理圖中的元件用題干中相應(yīng)的英文字母標(biāo)注）．
(2)若某次測量中電流表Ai的示數(shù)為，電流表A2的示數(shù)為，2．則由已知量和測量量計R，的表達式為Rx=________.
這是本校一道高三復(fù)習(xí)的測試題．它難倒了一大批學(xué)生．試題講評時，教師直接呈現(xiàn)正確的實驗電路，然后做一扼要的解釋，結(jié)果，很多數(shù)學(xué)生直呼：“太神奇了！”他們覺得自己是很難想出這種設(shè)計方案來的．究其原因，該設(shè)計脫離了學(xué)生的思維實際，難以引起學(xué)生的共鳴．明顯有曲高和寡的感覺．如何解決這一問題？“成型實驗的過程設(shè)計”不失為一種好的方式，其操作模式如圖3所示．據(jù)此，過程設(shè)計如下．
第一步，構(gòu)畫原型，根據(jù)問題情境，要測電阻Rx的阻值，明確實驗的原型是伏安法測電阻的電路，題中“要求盡可能多測幾組數(shù)據(jù)”，可知滑動變阻器的連接方式為“分壓式”接法，由此，構(gòu)畫出實驗的原型電路，如圖4(a)、(b)所示
第二步，構(gòu)畫實驗設(shè)計1．題中提供的是2個電流表而無電壓表．故需造一個電壓表．已知內(nèi)阻的電流表Ai串聯(lián)一個定值電阻Ro可當(dāng)電壓表用．如圖5所示，其中圖5中虛線框內(nèi)Ro、Ai的組合相當(dāng)于一個電壓表．
驗如圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ，根據(jù)實驗，在表1、表2中填人實驗現(xiàn)象．此時，A2未達1/3滿偏．故此電路尚不符合題意.
第三步，構(gòu)畫實驗設(shè)計2．設(shè)計依據(jù)：已知通過電流值的定值電阻也可當(dāng)電壓表用．設(shè)計實驗如圖6所示．其中，圖6中虛線框內(nèi)的風(fēng)就相當(dāng)于一個電壓表。
由此確定圖6為所求的實驗電路圖，
按照“成型實驗的過程設(shè)計”分三步進行教學(xué)，學(xué)生覺得根據(jù)這一方法自己也應(yīng)該會設(shè)計所要求解的電路，也并不覺得這樣的實驗設(shè)計有什么高深之處．在這里，憑借一個實驗原型，根據(jù)問題的情境，適當(dāng)?shù)丶右孕拚髮嶒炿娐肪湍芩角�，通過這樣的設(shè)計過程，學(xué)生在實驗設(shè)計上就有思路可循，能輕松地掌握實驗設(shè)計的方法．
3．實驗現(xiàn)象分析的過程設(shè)計
許多時候，實驗現(xiàn)象非常精彩，可惜由于過程分析不得法，學(xué)生無法深入思考，教師只能匆匆地給出結(jié)論．表面上課堂教學(xué)變得順暢了，實際上學(xué)生的思維卻未能很好地得到訓(xùn)練，教學(xué)中留下了很多的遺憾．要盡量減少這類遺憾的發(fā)生，教師應(yīng)做好實驗現(xiàn)象分析的過程設(shè)計．
比如，楞次定律的教學(xué)．研究感應(yīng)電流方向的實驗如圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ，根據(jù)實驗，在表1、表2中填人實驗現(xiàn)象．
分析：由表1知，(a)(b)中線圈內(nèi)磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場的方向相反，由表2知，(c)(d)中線圈內(nèi)磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場的方向相同．結(jié)論：感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化．以上教學(xué)，雖然思路流暢，但是要判斷感應(yīng)電流的方向怎么會想到要引入“感應(yīng)電流的磁場”作為“中介”來表述，因而在表格中列入“感應(yīng)電流的磁場方向”呢？這一點教師未作什么交代，學(xué)生是很難想得通的，實驗現(xiàn)象分析的過程設(shè)計要以實驗為基礎(chǔ)，以問題為主線，按一定的邏輯順序展開，逐步推出結(jié)論，才能令人信服．
案例：實驗：探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律．如圖8(a)所示．實驗的現(xiàn)象：條形磁鐵N極靠近金屬鋁環(huán)，鋁環(huán)向右擺，條形磁鐵N極遠離金屬鋁環(huán)，鋁環(huán)向左擺，
分析過程：沿著以下兩條線索（如圖9）層層展開問題的設(shè)計，最終得出判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律——楞次定律．
磁鐵靠近鋁環(huán)時，鋁環(huán)向右擺，說明磁鐵對鋁環(huán)有斥力，這個斥力應(yīng)是磁場力，它與鋁環(huán)產(chǎn)生的感應(yīng)電流有關(guān)，圖8(a)中相互作用的情況等效于圖8(b)中相互作用的情況，
問題1：結(jié)合(a)、(b)圖，判斷鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場方向及鋁環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向．
問題2：在圖(a)中標(biāo)出條形磁鐵的磁場方向、感應(yīng)電流的磁場方向、感應(yīng)電流的方向．(標(biāo)出后的結(jié)果如圖(c)所示）
問題3：標(biāo)出條形磁鐵離開鋁環(huán)，鋁環(huán)被吸引向左擺時，條形磁鐵的磁場方向、感應(yīng)電流的磁場方向、感應(yīng)電流的方向．(標(biāo)出后的結(jié)果如圖(d)所示）
問題4：條形磁鐵靠近鋁環(huán)時，鋁環(huán)中感應(yīng)電流的磁場方向與條形磁鐵的磁場方向相反；而遠離時，卻相同，這會引起鋁環(huán)中的磁通量發(fā)生怎樣的變化？
問題5：如把條形磁鐵在鋁環(huán)中產(chǎn)生的磁通量稱為原磁通量，則條形磁鐵靠近鋁環(huán)時，原磁通量增加，感應(yīng)電流的磁場是使原磁通量增加還是減少？條形磁鐵遠離鋁環(huán)時，原磁通量減少，感應(yīng)電流的磁場是使原磁通量增加還是減少？這說明，感應(yīng)電流的磁場對原磁通量是起促進作用還是起阻礙作用？
經(jīng)歷以上現(xiàn)象的分析后，再引導(dǎo)學(xué)生分析圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)四種情況，學(xué)生將不再對引入“感應(yīng)電流的磁場”感到突然了，而會認為這是理所當(dāng)然的事．
四、結(jié)語
開展物理實驗教學(xué)的“過程設(shè)計”，目的是讓學(xué)生充分經(jīng)歷實驗的設(shè)計過程、現(xiàn)象的分析過程、儀器的使用過程，從而在質(zhì)疑問難中、在對比分析中、在動手動腦中訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計思維，提高學(xué)生的探究能力，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，使學(xué)生在過程中獲得豐富的情感體驗，最終全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)．
參考文獻：
[1]人民教育出版社、課程教材研究所、物理課程教材研究開發(fā)中心．高中物理選修3-2(第3版)[M].北京：人民教育出版社，2010：10.
[2]束炳如，何潤偉．高中物理選修3--2教師用書（第1版）[M]，上海：上海科技教育出版社，2005:45—46．
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