中学物理实验教学研究.ppt

中学物理实验教学研究,北京师范大学物理系 李春密,第一、实验教学的概念,1、国外 在使用美国英语的国家，实验教学是“laboratory activities”；在使用英国英语的国家，实验教学被称为“practical activities”。等人认为学校实验是指在学校环境中，学生接触具体物体或数据，来观察和理解物质世界的经历（The terms have meant experiences in school settings where students interact with materials to observe and understand the natural world）。这些活动既包括学生个人的实验、小组或班级的演示实验，也包括持续数周的探究或项目研究（project），以及在校外进行的相关活动。在韦氏大词典中，experiment的词义是为了揭示未知事物所进行的活动或过程；laboratory的词义是进行科学实验或研究的地方或建筑物；demonstration的词义是使事情变得明显、易懂的活动、过程或手段。,2、国内 意大利人、耶稣会士利玛窦（Matteo Ricci,1552-1610）于明末（1582年）来华，以此为标志，我国的西学东渐活动开始，西方的科学技术知识开始传入中国，我国也进入近代科学的萌芽阶段。在我国物理学发展早期，对其影响最深的是由江南制造局翻译的物理学。这本书是日本的物理学家饭盛挺造编著，腾田丰八和王季烈翻译的。这是中国第一部全面系统的物理学书籍，我国的“物理学”这一术语也是在这本书中开始被使用的。在这本书中，experiment被译为“试验”。在洋务运动推动下，1862年清政府设立了京师同文馆，1866年同文馆增设天算馆，1888年增设格致馆，自此物理学在各级各类学校开始开课讲授。在解放前演示实验被称为“表演实验”或“示教实验”，直到解放后1956年，“演示实验”这一术语才出现在中学物理教学大纲中。雷树人最早使用演示实验这一术语。“演示实验”可能是由俄语翻译而来的。,3、实验教学的概念 物理实验是有目的、有计划地运用仪器、设备，在人为控制条件下，使物理现象反复再现，从而进行认真观测，获取大量资料的一种科学研究方法。物理实验的主要特点有二：一是可控性，二是可重复性。在物理教学中做的物理实验是物理教学实验，新课程注重科学探究，实质上是注重真正体现物理学研究过程和方法的物理实验。物理实验教学在新课程实施中占有重要地位。,科学实验与教学实验的比较,物理实验在物理教学中的作用1、激发学生的兴趣和求知欲(演示电表)2、创设有效学习环境、促进学生对知识的掌握3、训练学生的科学方法4、培养学生的各种能力5、培养学生的科学态度和情感,物理实验教学的主要任务1.获取和巩固物理学的理论知识，学会测量某些物理量。2.学会使用基本物理仪器。（如学生电源）3.明确进行物理实验的一般规范。4.能按要求正确完成实验操作，分析和处理所得实验数据。5.学习操作物理实验仪器、观察物理现象的基本技能、技巧。6.学习和初步运用误差理论。7.明了观察和实验手段研究物理现象的基本程序。8.培养学生在物理实验中的观察、思维和操作能力。9.使学生端正实验态度，养成良好习惯，培养探索精神。10.使学生感受学习物理的乐趣，激发求知欲和动手操作兴趣。,第二 实验研究的基本方法一、实验研究的基本方法1、明确实验的目的、内容和要求；2、认真研究实验原理；3、确定实验关键；4、对实验装置、器材和实验条件提出要求并进行选择5、明确操作要点和注意事项。,二、实验原理的科学性和可行性,1.设计的实验方案从原理上讲并没有错误，但在实施过程中受到装置、器材、实验条件等限制，而无法实施。2.有些实验虽然在科学性上并没有错误，但其主要的实验原理学生不易理解，或还未学到。3.原理无误，学生也易理解，但运用教学中，把他们放在一起就会出现逻辑错误。,原理的正确性原理的确切性原理的可行性,1.不能弄虚做假，制造假象，欺骗学生。但可采取一定的必要的技术手段。2.原理无错误，但允许有误差。,原理与教学中需要说明的问题要一致。,第三 实验方法和实验方案1、实验归纳法 这是一种由个别到一般的认识方法。其特点是，实验在前，结论在后，实验就是探索规律的主要手段。这种实验人们常称为探索性实验。2、实验验证法 这是一种推理、判断在前，实验验证在后的研究方法（即演绎法）。实验验证法是与想象、推理、判断等思维形式紧密结合起来的方法，是人们的认识能力充分发展的表现。3、理想实验的方法 理想实验是人们头脑中想象的实验，是一种思维活动，是在已有实践的基础上，经过推论、判断得出理想条件下的物理规律的方法。,（一）根据知识结构建立实验模型（二）根据实验和教学要求建立实验模型（三）用相同的实验方法解决不同实验中相同的问题（四）实验方法和实验方案的选择原则仪器装置简单明了，易于搭配和制作。现象清晰，效果明显，易于操作，安全可靠，重复性好。紧密结合课堂教学。学生容易接受。,第四 实验装置和实验器材（一）分析装置的原理和特点（二）分析和掌握仪器的结构、原理和性能 1、分析仪器的结构和掌握仪器的工作原理 2、了解仪器的技术参数和一般用途 3、了解仪器的调整方法和与分析其作用和原理 4、分析仪器的结构原理与改进和自制仪器（1）、改进方案要有理有据。（2）、改进方案必须切实可行。,（三）分析和了解材料的特性和用途 1、了解材料的特性和作用及合理应用 2、扩大材料的应用范围（四）实验装置和实验器材的选择 1、实验器材的选择（1）、器材的特性，如机械强度、尺寸大小、物理和化学等性能参数。（2）、加工方便、经久耐用。2、实验仪器的选择（1）、仪器尽可能简单、明了、直观。（2）、合理选择仪器的精度。（3）、所选仪器要保证满足实验条件。,第五 实验条件的选择和实验操作（一）实验条件的选择 1、根据实验原理选择实验条件。2、根据仪器技术指标（参数）选择实验条件。3、根据误差理论选择实验条件。4、根据理论图线选择实验条件。（二）实验操作 1、操作依据。2、操作的具体要求。,第六、计算机在中学物理实验教学中的应用（一）、用计算机处理数据（二）、计算机模拟物理实验 1课堂演示，强化学生的直观感觉 2建立物理模型 3展现宏观或微观世界 4显示实验的中间过程 5代替危险性较大的实验演示,（三）用计算机采集处理数据1、工作原理,2、断电自感的采样实例,图2 断电自感实验电路,图4,图 3,图5,3、通电自感现象实验的讨论,图10,图9,4、用力传感器研究瞬时力的问题,实验一、测量最大静摩擦力和最大静摩擦系数,实验二、冲量实验,第七、学生分组实验的教学策略研究 学生分组物理实验，是指教师依据课程标准，有计划地设计实验内容、系统地训练学生的实验技能和习惯的教学方式。分组实验中，学生在教师的指导下，独立完成实验操作，处理实验数据，得出实验结论。学生分组实验是培养学生实验能力和科学态度的主要途径，也是发展学生创造思维和进行科研启蒙教育的重要途径。,了解基本实验仪器的构造、原理，学会基本仪器的使用探索和验证物理规律培养学生独立实验的能力,分组实验的目的,以验证已学过的物理规律为主要目的的实验。如牛顿第二定律的验证等。,分组实验的类型,测定性实验：训练性实验：验证性实验：,以测定物理量值和常数值为主要目的的实验。如测量玻璃的折射率等。,以掌握仪器的性能和使用方法，提高操作技能为主要目的的实验。如伏-安法测电阻等。,（1）实验要确保安全性，无人身危险，操作不宜过繁。要尽量减少和控制干扰因素。仪器要比较牢固。设计实验时应注意让基本仪器在不同实验中重复出现，增加学生的练习机会。（2）要求学生在实验前明确实验目的、原理及现象发生的大概情况，实验结束后，要求写出实验报告。（3）引导学生理解观察内容的真实性，鼓励学生发现和分析意外现象及异常情况所发生的原因。（4）重视引导学生从观察的直接兴趣转入操作兴趣，进而通过研究实验和分析实验体会物理本身的规律。,学生分组实验教学的基本要求,一、以教师设计为主的探究性实验策略 在实验教学中，为了引导学生探索、发现物理规律，获取新的物理知识，由教师提出或在教师引导下由学生提出问题，设定好实验方案，让学生自己动手，通过一系列的观察测量活动去探索研究，从而归纳总结，得出结论。,教师和学生共同提出问题、设计方案，学生操作，观察探索，共同分析。,准备阶段实验阶段总结阶段,一、以教师设计为主的探究性实验策略 在实验教学中，为了引导学生探索、发现物理规律，获取新的物理知识，由教师提出或在教师引导下由学生提出问题，设定好实验方案，让学生自己动手，通过一系列的观察测量活动去探索研究，从而归纳总结，得出结论。,教师和学生共同提出问题、设计方案，学生操作，观察探索，共同分析。,准备阶段实验阶段总结阶段,首先要选题合适。并不是所有的实验都可以作为探究性实验。所选的应是那些操作方便、涉及理论易懂、实验误差小的实验。其次是设计实验的程序。实验程序尽可能简单一些，只要能让学生由此得出规律来就行了，不必面面俱到。最后是实验的准备。教师要对实验器材认真检查、挑选，为学生顺利进行探究做好准备。,一、以教师设计为主的探究性实验策略 在实验教学中，为了引导学生探索、发现物理规律，获取新的物理知识，由教师提出或在教师引导下由学生提出问题，设定好实验方案，让学生自己动手，通过一系列的观察测量活动去探索研究，从而归纳总结，得出结论。,教师和学生共同提出问题、设计方案，学生操作，观察探索，共同分析。,准备阶段实验阶段总结阶段,进行教学时，教师先根据教学内容和目的、要求，启发学生提出问题，进行猜想和假设，使学生明确所要探索的内容。接着教师引导学生思考解决该问题将要采用的实验方法和手段，必要时做一些示范，或强调一些注意事项。然后学生在教师的指导下，自己动手做实验，观察实验现象并记录实验数据，同时在头脑中对掌握的感性材料做初步的分析、处理。,一、以教师设计为主的探究性实验策略 在实验教学中，为了引导学生探索、发现物理规律，获取新的物理知识，由教师提出或在教师引导下由学生提出问题，设定好实验方案，让学生自己动手，通过一系列的观察测量活动去探索研究，从而归纳总结，得出结论。,教师和学生共同提出问题、设计方案，学生操作，观察探索，共同分析。,准备阶段实验阶段总结阶段,进行探究式实验的目的就是为了获取新的知识。但由于学生的思维能力还比较有限，归纳和总结都可能比较片面。因此做完实验后，最好是在教师的引导下让学生对实验现象或数据进行思考分析，进行归纳和总结，得出相应的物理规律，使学生完成从感性认识到理性认识的飞跃。,提出问题猜想与假设 设计实验 收集证据 分析与结论,例如：探究决定平行板电容器电容的因素,提出问题猜想与假设 设计实验 收集证据 分析与结论,例如：探究决定平行板电容器电容的因素,平行板电容器的电容与哪些因素有关。,提出问题猜想与假设 设计实验 收集证据 分析与结论,例如：探究决定平行板电容器电容的因素,电容器的电容只与其自身结构有关。所以平行板电容器的电容可能与其板的面积，有无介质，两板的间距有关。学生可能会提出多种猜想，教师要注意与学生一起分析，排除无关的猜想。,提出问题猜想与假设 设计实验 收集证据 分析与结论,例如：探究决定平行板电容器电容的因素,根据C=Q/U，保持电容器所带电荷不变，分别改变平行板电容器的相对面积，两板间距等，用静电计测量其板间电势差的变化。,提出问题猜想与假设 设计实验 收集证据 分析与结论,例如：探究决定平行板电容器电容的因素,保持正对面积S不变，改变两板间距离d。结果是：电容器两极板间的电势差随两板间距离减小而，随两板间距离增而。保持两极板间的距离d不变，改变两极板的正对面积S。结果是：电容器两极板间的电势差随正对面积减少而，随正对面积的增大而。保持正对面积S和板间距离d不变，在两极板间插入玻璃板或硬纸板等电介质。结果是：电容器两极板间的电势差在两极板间插入电介质时减小。,提出问题猜想与假设 设计实验 收集证据 分析与结论,例如：探究决定平行板电容器电容的因素,通过上面的实验可以得出，平行板电容器正对面积越大，电容越大；两极板间距离越小，电容越大；有电介质时电容变大。通过精确的实验和理论的论证可得出：平行板电容器的电容跟正对面积成正比，跟两极板间距离成反比，跟极板间电介质的介电常数成正比。计算平行板电容器的电容的公式是:,二、以学生设计为主探究性实验策略 在课堂教学中，由教师或学生提出问题，让学生自行制定实验计划，设计实验方案，选择实验器材，动手操作，收集并处理数据，进一步归纳得出结论的实验。,“学生（或教师）提出问题，学生设计，学生操作，探索思考，学生分析”。在此过程中，教师的主要任务则是提供仪器设备，解答学生的疑问，进行一定提示或启发，但决不能代替学生设计或操作实验。,使学生经历“问题猜想设计实施分析结论”的类似科学家探索物理世界的过程。,以学生设计为主的探究实验应当注意以下几点：,选题要合适注重过程和方法 重视讨论、交流和评估,以学生设计为主的探究实验应当注意以下几点：,选题要合适注重过程和方法 重视讨论、交流和评估,所选的问题应当比较有趣；以学生设计为主的探究实验应当比以教师设计为主的探究实验简单一些；所涉及的物理量不宜过多，实验仪器和操作应比较简单，实验的时间也不宜太长。,以学生设计为主的探究实验应当注意以下几点：,选题要合适注重过程和方法 重视讨论、交流和评估,教师应鼓励学生积极大胆地参与实验探究，让学生通过探究的过程体验到科学的乐趣。重要的是让学生经历探究的过程，学习和体会科学的方法，不应过分苛求结果。,以学生设计为主的探究实验应当注意以下几点：,选题要合适注重过程和方法 重视讨论、交流和评估,不同的学生（或不同的组）也许会采用不同的方法，得出的结论也可能有一定的差别。因此，讨论和交流是必不可少的环节。在此过程中，学生既可以有根据地发表自己的意见，又可以听取别人的见解，与此同时，评估的工作也就自然地开展起来。通过讨论和评估，可以使学生自己辨别优劣，分清正误，更好地理解探究的方法和结论。,第八 物理演示实验教学策略研究,演示实验是为了展示物理现象，揭示所研究问题的发生、发展过程，引导学生进行观察、思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验。,目的性直观性 科学性 稳定性 启发性 指导性,演示实验的要求,第八 物理演示实验教学策略研究,演示实验是为了展示物理现象，揭示所研究问题的发生、发展过程，引导学生进行观察、思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验。,目的性直观性 科学性 稳定性 启发性 指导性,演示实验的要求,演示实验的目的是为教学服务的，为的是在实验中发现规律、理解规律，从而掌握规律。,第八 物理演示实验教学策略研究,演示实验是为了展示物理现象，揭示所研究问题的发生、发展过程，引导学生进行观察、思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验。,目的性直观性 科学性 稳定性 启发性 指导性,演示实验的要求,演示实验要现象明晰易见，力求简单明了、直观，能充分说明问题，有足够可见度，便于学生观察。实验装置要恰当地优化布局，力争大型化、简单化，并充分利用多媒体手段，突出其基本的结构原理,第八 物理演示实验教学策略研究,演示实验是为了展示物理现象，揭示所研究问题的发生、发展过程，引导学生进行观察、思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验。,目的性直观性 科学性 稳定性 启发性 指导性,演示实验的要求,从实验的设计、操作到分析都必须坚持实事求是的科学态度，教师在操作仪器、连接和装配仪器及演示现象时动作要准确、标准、规范、科学。对真实物理图像的近似或模拟，在演示时要向学生说明，以免误解。不能为了使演示的效果明显而违背了科学性，更不能弄虚作假。,第八 物理演示实验教学策略研究,演示实验是为了展示物理现象，揭示所研究问题的发生、发展过程，引导学生进行观察、思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验。,目的性直观性 科学性 稳定性 启发性 指导性,演示实验的要求,演示实验的实验装置要牢靠稳固，要有很好的现象重复性，达到一次就能成功的程度。教师在课堂上演示实验必须确保成功。只有撑握实验的原理才能准确地抓住关键条件，从而成功地进行演示。,第八 物理演示实验教学策略研究,演示实验是为了展示物理现象，揭示所研究问题的发生、发展过程，引导学生进行观察、思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验。,目的性直观性 科学性 稳定性 启发性 指导性,演示实验的要求,在设计和进行演示实验时，必须在启发性上下功夫。首先通过生动的演示实验现象启发学生产生问题；其次明确问题产生的原因，如何解决问题，从而启发学生进行探究，使学生在不断的思索、探讨中逐步掌握物理规律与知识。,第八 物理演示实验教学策略研究,演示实验是为了展示物理现象，揭示所研究问题的发生、发展过程，引导学生进行观察、思考，并配合教学内容而由教师操作示范的实验。,目的性直观性 科学性 稳定性 启发性 指导性,演示实验的要求,教师在进行演示实验的同时，要指导学生进行观察和思考。对于观察到的现象，分析所说明的问题，以至引出规律性的认识，应尽可能由学生进行，培养学生的观察、分析能力。,引入型逻辑演绎型逻辑归纳型探究发现型练习型,演示实验课堂教学结构模式,引入型逻辑演绎型逻辑归纳型探究发现型练习型,演示实验课堂教学结构模式,引入型演示实验一般在课堂教学开始时使用，作用是引起学生对将要学习的物理知识的兴趣，设置疑难点，激发学生主动学习和探索的热情。引入型演示实验能提高学生的观察能力，对演示实验的要求一般为实验现象漂亮新奇，多为定性实验。用演示实验引入课堂教学，这种教学方法一般在新课上使用。教师应注意在教学过程中紧扣演示实验，做到在课堂中逐步解释演示实验现象，课堂结束时能完全解释实验现象。如果在演示实验引入课堂后就把实验抛开，演示实验所能起的教学作用将大大降低。,引入型逻辑演绎型逻辑归纳型探究发现型练习型,演示实验课堂教学结构模式,逻辑演绎型演示实验主要应用于课堂教学过程中，老师利用演示实验进行分析、推理、演绎，促使学生进行知识迁移，使旧知识与新知识结合，引起学生认知结构的重组。演示方法有很多种，如由量的关系推出质的关系，原理与现象之间互相推理等，培养学生的观察能力。逻辑演绎型为演示实验中教师最常使用的类型，一般应用于概念和原理的学习。,引入型逻辑演绎型逻辑归纳型探究发现型练习型,演示实验课堂教学结构模式,逻辑归纳型主要在应用性演示实验中使用，通过具体实验仪器的使用或物理知识在实践中的应用举例，促使学生发散思维，巩固新知识。利用逻辑归纳型演示实验介绍理论知识的开发和应用，有助于帮助学生认识到理论的有用性，而不只是空洞的逻辑数学演绎，有助于帮助学生了解仪器的使用方法、原理，及如何改进，是理论于现实的桥梁。,引入型逻辑演绎型逻辑归纳型探究发现型练习型,演示实验课堂教学结构模式,科学探究包括以下几个基本要素：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。在探究发现型演示实验教学过程中，演示实验所起的作用是向学生提供典型的现象和过程。探究发现型演示实验教学有利于组织学生观察，引导思考，激发争辩，探究原因，分析特征，寻找规律。通过探究式学习，学生能够获得科学探究的能力和方法，能帮助学生自发地探索复杂现象的本质，发现它们之间的相互关系，从而掌握探索自然规律的科学方法。,引入型逻辑演绎型逻辑归纳型探究发现型练习型,演示实验课堂教学结构模式,传统的习题课一般不会有演示实验，教师在课堂上主要是讲解作业答疑。而实际上很多的习题其实就是一个个有趣的实验。在习题课上如果能适当加入演示实验，有利于学生对习题的理解，并能提高学生对做习题的兴趣。,二、演示-观察-解释（DOE）策略,演示实验包括实验演示、实验观察、实验解释三个过程，常规演示实验教学是教师演示实验，学生观察实验，教师对实验进行解释。这种演示策略可以称为演示-观察-解释（demonstrate-observe-explain，缩写为DOE）策略。在演示-观察-解释策略中，演示主要是教师操作表演实验，有时候也可以请学生充当教师的助手或在教师的指导下让学生在讲台上操作实验。观察是在实验操作的过程中，学生在教师的引导下，对实验器材、实验方法、实验过程和实验现象等进行观察和记录。解释不单单是教师对实验现象的分析，得出实验结论，从结论中总结物理规律或理论，还包括对器材的选用、器材的使用、实验方法的选择进行必要的说明和讲解。在实际演示实验教学中，这三种活动一般都是同时进行的。,DOE实施过程中的注意事项,操作规范演示成功现象清楚有效引导缜密讲解,三、主体探究性教学策略,探究演示实验教学的操作程序,探究演示实验教学策略,四、预测-观察-解释（POE）策略,预测-观察-解释策略（predict-observe-explain，缩写为POE）是在“观察渗透理论”哲学观念和建构主义、前概念、概念转变等教育理论基础上提出的一种新型演示策略。这种策略是在实验演示前，学生根据自己已有的知识先对实验现象进行预测，教师演示实验时，学生观察实验，然后学生对所观察的现象进行解释。有研究表明这种演示策略对学生对实验现象的预测和解释能力的提高具有很好的效果。,在POE策略中，预测、观察和解释的具体内容如下：在预测阶段，教师介绍实验内容，学生预测实验现象，学生在小组内讨论预测的现象，并在全班解释自己的观点。在演示阶段，教师演示实验，学生观察、记录实验现象，小组内讨论实验现象。在解释阶段，学生在全班解释实验现象、预测与实验的差别，并对学生的不同观点进行讨论，最后教师进行总结。,实验演示中“预测”效果研究,控制班后测正确率、实验班预测和后测正确率统计表,谢谢大家,