探究式物理实验的两条设计思路及案例①

李科敏

(湖南理工学院物理与电子学院 湖南 岳阳 414006)

1 引言

探究式物理实验是以科学探究为主要特征的物理实验.在探究式物理实验的教学活动中，学生在教师的指导下，经历提出问题—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—交流与合作的探究历程，从而达到学生从被动接受知识向主动获取知识的转化，并培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神.科学探究既是学生学习发现问题和解决问题的科学方法，也是学生在探究中经过反复体验应该学会的学习内容，还是学生敢于探索和研究自然规律的一种精神.

2 探究式物理实验的两条设计思路

探究式物理实验在培养学生的科学探究能力和创新能力方面具有强大的教育功能.但是，目前现成的探究式物理实验还不多，教学实践强烈呼唤教师应该具有设计探究式物理实验的能力.下面，结合笔者教学经历，提供两条设计探究式物理实验的思路，并设计了5个探究式物理实验的案例.

2.1 选用学生熟悉的事例设计成探究式物理实验

开展探究式物理实验教学，不仅让学生获得必要的科学知识和掌握相应的实验操作技能，而且使学生在探究的过程中掌握科学探究的方法、体验科学探究的艰辛、培养勇于探索的坚强品质.如果能把学生熟悉的物理现象或身边的事例设计成探究式物理实验，可以让学生感到开展的探究实验更加亲切、有用.下面给出的4个探究式物理实验都来自学生身边的生活事例.

【案例1】探究鸡蛋旋转中的奥秘

教学设计：教师向学生展示大小几乎相同的生鸡蛋、熟鸡蛋、臭鸡蛋各一个，让学生分别使它们在水平桌面上旋转，通过细心体验和仔细观察3种鸡蛋的旋转情况.然后，要求学生就观察结果提出探究课题并进行探讨.

实验探究：根据旋转结果将这3种鸡蛋区分出来.

【案例2】探究神奇的气流

教学设计：让学生猜想，若开启一个功率足够大的电吹风机，分别让吹出的气流竖直向上和与水平面有一倾角，将乒乓球分别放在如图1和图2所示的位置，乒乓球的运动状态会怎样？若电吹风在水平面内慢慢移动，乒乓球的运动状态又会怎样？等学生猜想完后，再让学生亲自操作实验，仔细体验乒乓球可以始终悬浮在空气中，并且还可以跟着电吹风的缓慢移动而移动.

图1 图2

实验探究：乒乓球悬浮于空中及其可以随气流的缓慢移动而运动的原因.

原因说明：流动的气体或液体都会在垂直于气流或液流的方向上产生一个横向的吸引力.正是因为有这个横向的吸引力，所以，在火车进站时旅客必须站在远离铁轨1 m的安全线外以防事故发生；也因为这个横向吸引力，水面上航行的船间不许停得太近以免相撞；还是因为这个横向吸引力，使得红旗会迎风招展，等等.

【案例3】探究通电灯泡的冷热

教学设计：教师向学生展示两个相同的100 W白炽灯泡甲和乙，由学生设法分别控制它们两端的电压，使甲的灯丝刚刚点亮(即微红)，乙灯正常发亮，通电一段时间后，让学生用手仔细感受两灯泡玻璃各处的受热情况.然后，要求学生就感知的结果提出探究课题并进行研究.

实验探究：通电一段时间后，灯丝微红时，只有灯丝正上方的灯泡玻璃烫手，而其他部位的温度与环境温度几乎一样，如图3所示；灯丝正常发光时，灯泡玻璃各处都一样烫手.为什么？

原因说明：为了防止灯丝在高温下升华，100 W白炽灯泡内都充有氮、氩等惰性气体.无论灯丝处在什么发光状态，灯丝产生的热量都同时通过传导、对流、辐射三种方式传向灯泡玻璃.但是，当灯丝微红时，灯丝产生的热主要以对流的方式向外传播(此时灯丝通过辐射和传导两种方式传递的热量相对很少)，而对流总是把热能由下向上传递的，所以，通电一段时间后，会感到灯丝正上方的灯泡玻璃烫手，而其他部位的玻璃温度与环境温度几乎一样；当灯丝正常发光时，灯丝产生的热主要以辐射的方式向外传播(此时通过对流和传导两种方式传递的热量相对较少)，而辐射的强度在各个方向上是相同的，因此，通电一段时间后灯泡玻璃各处都一样烫手.

图3

【案例4】探究陶瓷坛里的奥秘

教学设计：将沸腾的猪油倒入内壁粘有水的陶瓷坛子里(注意：用盖子挡住坛口以免油从坛中飞溅出来伤人)，会听到“啪啪”的响声，一会儿后，还会看到有油溢到陶瓷坛的外表面上.若改用内壁干燥的同种陶瓷坛子盛装沸腾的猪油，却没有上述现象.

实验探究：上述现象发生的原因.

原因说明：将沸腾的油倒入内壁粘有水的陶瓷坛子里，由于油的温度高于水的沸点，坛内壁的水因剧烈受热而汽化，汽化的水蒸气对坛内壁产生强大的压强，该压强使陶瓷坛某些分子之间的距离增大，因而就会有油从距离增大的陶瓷分子之间渗透出来.

2.2 选用传统的物理实验设计成探究式物理实验

3 探究式物理实验教学中的体会

为了充分发挥探究式物理实验的教育功能，在开展探究式物理实验的教学过程中，教师的作用是在学生遇到难以克服的困难时和在探究安全方面给予适当的指导和帮助，教师要注意把绝大部分时间交给学生支配，注重通过提出问题来创造机会激发学生思考，推动探究活动向广度和深度两个维度发展.目前，教师还要注意处理好以下两个问题：

(1)要处理好物理实验探究与课堂教学时间上的矛盾

一个完整的探究式物理实验，即使得到教师或同学的有力帮助，学生完成它也需要花费大量的时间，这经常会导致实验探究与课堂教学时间太短的激烈冲突.解决这一矛盾的有力做法是采用“部分探究”和“适当指导”，即每次探究可以根据实际情况只让学生重点参与训练一或两个探究过程，而将其他探究过程采用传统的教学方式由教师直接给出或引导学生完成；对于选作训练的探究过程，教师也可以在不损害探究训练的前提下给学生以“适当指导”.这样，既可以节省大量的时间又可以让学生得到探究过程的训练.

(2)要充分尊重学生的探究过程和结果

在进行探究式物理实验的过程中，由于自身知识和经验等多方面的限制，学生的探究活动通常只能在曲折中前进，他们经常会提出各种天真的问题，尝试各种错误的方法，设计出五花八门的验证实验，试制种种难以使用的器材，收集真伪并存的证据，作出各种荒唐可笑的解释，产生针锋相对的争论.其实，失败的体验也是学生获取真知，感受生活的重要途径，通过这个过程，不仅可以使学生的科学知识得到扩大和加深，也可以使学生在反复体验探究的过程中锤炼自己的坚强意志，训练自己的探索品质，并培养自己的创新能力.因而，在指导学生开展探究式物理实验的过程中，教师应该保持一个友好的心态，耐心倾听学生的想法，尊重学生的意见，理解学生在探究过程中进行的一切探究活动.在帮助学生改正错误的过程中，教师也要注意肯定学生的探索热情和所做的工作，让学生始终保持积极的探索心态，切不可指责学生而搞得气氛紧张，从而导致学生唯恐出现错误而不敢大胆探索，这就严重损坏了探究性物理实验应有的教育功能.

4 总结

探究式物理实验教学可以很好地培养学生的科学探究能力和创新能力.在探究式物理实验资源还相对缺乏的今天，可以选用学生熟悉的事例设计成探究式物理实验，也可以将某些传统的物理实验重新设计成为探究式物理实验，这两条途径都具有宽广的发展前景.

参考文献

1 (美)国家研究理事会编.戢守志,等译.国家科学教育标准.北京：科学技术文献出版社，1999

2 Center for Science, Mathematics and Engineering Education, National Research Council.Inquiry and the National science education standards-A guide for teaching and learning.Washington DC: National Academy Press,1996

3 杨述斌.普通物理实验室.北京：高等教育出版社，2000