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高中物理教材“实验”模块的比较分析

2020-01-07 14:02:10 物理教学探讨 2020年12期

李丽燕 周少娜

摘? ?要:物理学是以实验为基础的一门自然学科,物理实验是落实培养学生学科核心素养、促进学生终身发展的重要载体。基于物理学科的核心素养,从学生实验内容调整、实验技术改进、实验探究性提升、实验案例拓展和实验思路引导五个维度对新旧人教版高中物理教科书的学生实验进行了研究分析,并提出教学建议。

关键词:高中物理;学生实验;教科书比较分析;课程标准

中图分类号:G633.7 文献标识码:A ? ? 文章编号:1003-6148(2020)12-0016-4

1? ? 引? 言

《普通高中物理课程标准(2017年版)》(以下简称为新课标)明确表明,学校应该充分利用已有的实验器材,努力开发适合本校情况的实验课程资源,尽可能让学生自己动手多做实验,提升学生的物理学科核心素养[1]。在新课标中,课程目标从“三维目标”向“学科核心素养”过渡。物理教科书的改编遵循新课标的理念,与时俱进,教学中“实验”模块的设计也发生相应的变化。因此,本文对教科书改编前后的“实验”模块进行比较分析,以期为物理教育工编辑理解和使用教科书提供借鉴(以下将改编前后的人教版高中物理教科书简称为旧人教版、新人教版)。

实验指学生自己动脑、动手操作的实践活动[2],即物理教科书中形成独立小节的学生实验以及“实验”栏目的学生实验。独立小节的学生实验需要学生分组进行,实验数据的处理往往需要在课后进行,课时耗费较长。“实验”栏目多数在课堂上操作完成,这类实验比前者简单,用时较短。本文确定物理教科书中成独立小节的实验和“实验”栏目的实验为研究对象,从学生实验内容调整、实验技术改进、实验探究性提升、实验案例拓展和实验思路引导五个维度对新旧人教版高中物理教科书的学生实验进行比较分析。

2? ? 新旧人教版高中物理教材“实验”模块的对比分析

2.1? ? 实验内容调整——新人教版对学生实验进行归纳和精简

旧人教版“实验”栏目有30个,独立小节的实验有9个,一共39个实验;新人教版“实验”栏目有23个,独立小节的实验有11个,一共34个实验。从实验数量上,新人教版比旧人教版少5个实验。从实验内容安排上,新人教版将旧人教版的学生实验进行了归纳和精简(见表1)。实验归纳表现为:新人教版把旧人教版中用多用电表测量小灯泡的电压、用多用电表测量通过小灯泡的电流、用多用电表测量定值电阻的阻值、用多用电表测量二極管的正反向电阻四个实验归纳在多用电表的使用实验;游标卡尺的应用实验归纳在导体电阻率的测量实验;探究导体电阻与其影响关系的定量关系、探究导体电阻与材料的关系两个实验归纳为研究导体电阻与长度、横截面积、材料的关系;将探究碰撞中的不变量改为研究小车碰撞前后动能的变化。另外,相比旧人教版,新人教版对实验进行了精简,删除旧人教版中探究功与速度变化的关系、绘制小灯泡的伏安特性曲线、测量光照的强度、检测发光二极管、观察布朗运动、投硬币体验统计分布、两个单摆观察相位差、用肥皂膜做薄膜干涉等实验。

综上所述,新人教版对学生实验的安排有较大的调整,不仅体现为对学生实验进行了归纳,还表现为对实验内容的删减。另外,更细微的变化还体现在新人教版把旧人教版部分“实验”栏目的实验调整为独立小节的学生分组实验,增加了3个独立小节的学生实验,实验安排更加妥当、干脆,重点实验更加突出。

2.2? ? 实验技术改进——新人教版学生实验更加与时俱进

新旧人教版教材中均有“做一做”“拓展学习”等栏目。“做一做”栏目安排小型的动手操作类活动,引发学生思考、体验和感悟;“拓展学习”栏目弹性地安排一些选学选做的内容,对学生实验进行一个拓展延伸,借助传感器、计算机、手机等设备自动记录和处理实验数据,供有条件的学校选用。对比旧人教版,新人教版在这些栏目中科普了更多的现代科学技术。比如,在探究小车速度随时间变化的规律实验中,通过WPS绘制v-t图像;在研究自由落体运动规律的实验中,用手机的加速度传感器来测量自由落体的加速度;在探究平抛运动实验中,用传感器和计算机描绘平抛轨迹;在观察电容器充、放电实验中,用电流传感器观察电容器的放电过程;探究气体等温变化的规律时,使用气压传感器;在双缝干涉测量光的波长实验中,运用光传感器。

综上所述,新人教版比旧人教版更多地使用现代科技手段,更加与时俱进。学生实验往往会经历繁琐、枯燥的数据处理过程,在条件允许的情况下,教给学生一些借助电子设备或App进行数据处理的手段,通过简单操作得到更加客观、高效的分析结果。学生进行实验的同时,还学会一些设备和App的操作技能,感受“化繁为简”的过程。从“做实验”升华到“做事情”的过程,不仅降低了实验误差,还能培养学生解决问题的技能,对学生来说是终身受益的。

2.3? ? 实验探究性提升——新人教版学生探究性实验增多

学生实验分为探究性实验、验证性实验、测定性实验和基本练习性实验[3]。高中生已经具备一定的常识基础,其逻辑思维也在不断发展,需要协调好各种实验类型的比例,促进学生实验能力的全面发展。科学探究作为学科核心素养之一,探究性实验的地位有所提升。旧人教版的探究性实验有11个,约占总实验的28.2%;新人教版的探究性实验有12个,约占总实验的35.3%。新人教版将旧人教版中的一些非探究性实验改为探究性实验,比如将研究平抛运动改为探究平抛运动规律,用圆锥摆粗略验证向心力的表达式改为探究向心力大小的实验。另外,新人教版把旧人教版的部分非实验内容改成探究性实验,例如探究弹簧弹力与形变量的关系,探究感应电流产生的条件。

科学探究是指基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并作出说明,以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力[1]。探究性实验是培养科学探究能力最直接和最有效的途径,教师要合理设计探究性实验的教学过程。比如,探究感应电流产生的条件实验,教师通过演示感应电流“凭空”产生使灯泡发光的趣味实验,激发学生的学习兴趣和探究欲望;再先容实验仪器让学生分组探究“能产生感应电流的操作有哪些”,让学生大胆猜想;接着探究“感应电流产生的条件”,从前面大量的实验现象中分析和总结普遍性规律,得到科学的探究结论;最后小组讨论后上台展示实验成果,培养学生交流和反思的能力。基于人教版教材改编前后探究性实验的变化,可以看出新人教版教材更加注重学生的探究性实验,更有利于培养学生“科学探究”的学科核心素养。

2.4? ? 实验案例拓展——针对较高难度实验拓展更多实验案例

实验的难度受实验原理、涉及的物理概念、待测物理量数量、实验仪器的调配及学生自身常识储备等因素的影响。针对难度较大的实验,新人教版鼓励学生自行设计实验方案的同时,提供了更多的实验案例。探究加速度与力、质量的关系实验中,新人教版先容了两个实验案例,一是通过测量位移之比测量加速度之比进行探究实验,二是用阻力补偿法进行探究实验;探究平抛运动的特点实验中,其一是运用频闪照相和录制视频的方法记录物体在不同时刻的位置来研究平抛运动,其二是将平抛运动分解成竖直和水平方向,再逐一进行研究;验证机械能守恒定律实验中,提供物体做自由落体运动及沿光滑斜面下滑两种实验方案;电池电动势和内阻的测量实验中,既提供测量干电池电动势和内阻的实验案例,也不缺测量水果电池的实验案例;验证动量守恒定律实验中,不仅安排气垫导轨上滑块碰撞的动量守恒,还设计了斜槽末端小球碰撞时动量守恒的实验方案(见表2)。

学生的实验能力具有差异性,在实验教学的过程中大家必须重视学生之间的差异性,给实验能力欠缺的学生提供帮助,也能为实验能力较好的学生提供发展的空间,保障所有学生能在实验课中学有所得。教科书的实验案例是基于全体学生普适的角度,而新人教版提供了更多实验案例,兼顾实验能力发展有差异的学生,更适合面向全体学生。比如,在验证机械能守恒的实验中,教科书提供自由落体和沿斜面下滑物体两个实验方案。相比而言,自由落体法的实验仪器传统、操作简单(铁架台、打点计时器、纸带、重物),最后根据纸带的信息计算实验结果,大部分学生对此都不会感到陌生。斜面下滑法需要利用气垫导轨和数字计时器,虽然操作简单,但部分学生可能对这些仪器的原理和操作的熟悉程度不如打点计时器,对机械能守恒的理解难以达到希望的教学效果。因此,后者适用于实验能力较强的学生。另外,有能力的学生还可以自行设计实验方案,比如改进自由落体法案例,借助DIS系统进行实验避免摩擦阻力造成的实验误差,还可以利用单摆和光电门等仪器验证物体做曲线运动时的机械能守恒,利用朗威实验器材验证机械能守恒等。

2.5? ? 实验思路引导——新人教版设置更多引导性问题

相比“实验”栏目,独立小节的学生实验文字描述较多,篇幅较大,通常会先容实验思路、实验原理、实验过程、数据分析等过程。在独立小节的学生实验中,新旧人教版的安排有较大的区别。旧人教版中学生分组实验的一个特点是“开门见山”,直接把实验思路、实验原理、实验步骤、甚至数据处理都一一呈现。新人教版体现的是一种“迂回前进”的学习方式,更加注重引导学生思考和讨论,让学生在明确实验目的的前提下设置引导性问题。比如,在探究小车速度随时间变化的规律实验中,新人教版在实验思路中设置“你认为该如何设计此实验?”“需要测哪些物理量?”“选用什么实验仪器?”等问题引导学生思考。在探究加速度与力、质量的关系实验里,新人教版安排了类似的问题串:“你认为该如何完成这个探究实验?研究什么物体?如何测量该物体所受到的力?如何测量物体的加速度?怎么分析实验数据?”无一例外,其他的独立小节实验均在实验思路设计了引导性问题,供学生思考、讨论,让学生明确自己的实验思路,确定自己的实验方案。综上所述,新人教版更加注重引导学生进行思考,鼓励学生自行设计实验方案,而不是按照教科书中的实验步骤进行实验操作。“学而不思则罔”,在实验中有效地引导学生进行思考极其重要,不仅能促进学生对相关物理概念、规律的深度学习,也能培养学生的科学思维。

3? ? 教学建议

3.1? ? 提高教师对实验教学的重视

物理学中概念的形成、规律的发现和理论的建立等,都是以实验为基础。物理学离不开实验,要学会物理就要做好实验。然而,在国内许多学校对学生实验重视程度不够,许多老师用“讲实验”替代“做实验”,围绕高考考点,让学生死记硬背[4]。这些普遍的应试教育让大部分学生缺少实验训练,动手能力得不到发展,科学探究能力得不到培养。新课标明确规定21个学生必做实验(必修课程12个,选择性必修课程9个),其目的是强化科学实践,提高学生科学探究的质量。因此,广大教育工编辑需要重视实验教学,学校应当根据自身的实验条件以及学生的常识储备,为学生安排充裕的实验课时,让学生从“做”中学。

3.2? ? 鼓励学生经历实验方案设计的过程

教科书中的学生分组实验大多都已呈现完整、明确的实验步骤,教师将常识点整合、归纳后按部就班地传授给学生,虽然常识点安排详尽细致,但是呈现的是一种以常识为本位、缺乏思考和创新的教学方式。在物理实验教学中,应重视物理实验方案设计,改变传统的以教师单独演示或教师提供固有实验方法为主的教学模式。一个实验可以有多种实验方案,实验前应当发散学生思维,锻炼学生实验设计的能力。比如,在必修三的“電池电动势和内阻的测量”实验中,可以通过限定实验设备引导学生设计实验方案:提供一个电压表和一个电流表如何设计实验?仅提供一个电流表或者仅提供一个电压表又该如何设计实验?以此让学生经历实验设计的过程,更好地落实学生科学思维和科学探究能力的培养。

4? ? 结? 论

对比旧人教版,新人教版中学生实验的安排有所调整和变化。具体表现在:在实验内容上,新人教版对学生实验进行归纳和精简;在实验技术上更加与时俱进;实验探究性有所提升;针对较高难度的实验拓展更多的实验案例;在实验思路上,新人教版设置更多引导性问题。教材改编体现了新课标理念,落实了学生学科核心素养的培养要求,更有利于学生发展自行设计实验方案和动手操作的能力。望广大物理教育工编辑能够足够重视物理实验教学,鼓励学生经历自行设计实验方案的过程,实现实验教学的育人功能。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2017.

[2]彭前程,黄恕伯.普通高中课程标准实验教科书(必修一)[M].北京:人民教育出版社,2019:1.

[3]张德启,李新乡,陶洪,等.物理实验教学研究[M].北京:科学出版社,2011:128.

[4]赵振宇,孙浩楠.学科素养下的物理实验教学应注意的问题[J].物理教学,2019,41(01):33-35.

(栏目编辑? ? 刘? ?荣)

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