初中物理学生实验能力的培养

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  在《物理课程标准》的前言中,强调了物理课程“将通过科学探究的学习方式,让学生体验科学探究活动的过程和方法,发展初步的科学探究能力”,而科学探究能力的核心就是实验能力。可见,学生实验能力的培养在初中物理教学活动中占有举足轻重的地位。物理学是一门以实验为基础的科学,因此在物理教学中培养学生的实验探究能力已经是人们的共识。在这诸多的实验探究能力的构成因素中,主要是实验设计能力、实验操作能力、实验观察能力和实验数据处理能力这四种能力因素。下面简单讨论物理实验探究能力的这四种主要构成因素及其相应的基本培养方法。
  一、循序渐进地培养学生实验能力
  根据初中生实验能力发展的特点,我们应循序渐进地培养学生的物理实验能力,即在不同教学阶段培养的方法及侧重点应该不同。
  (一)实验观察能力
  实验观察能力是指对实验的现象、结果进行定性观察和定量测量的能力,它是正确获得实验结果的一种能力。任何物理实验都离不开对实验现象的观察和对实验结果的测量。学生通过观察实验现象,对实验信息进行收集,并能运用简单归纳原理的方法对数据进行分析并得出结论,这是培养学生具有独立的分析、总结能力和处理实际问题能力的重要环节。
  “带着走”。在学生初次接触物理学科时,教师应多开展演示实验,逐步培养学生的观察能力,如观察的针对性、顺序性、有效性、准确性。观察能力的培养与提高是整个教学中实验能力培养和提高的首要前提。在学生仔细观察的基础上,再让他们逐步做模仿性操作,掌握实验操作要领与规范。例如,在质量的测量中,教师先示范性操作,让学生认真观察;当学生掌握了操作程序后,再让他们练习使用天平测量物体的质量,进一步掌握天平的正确使用方法
  具体做法:
  1.给学生创造观察条件,使学生在观察活动中发展观察能力,并养成勤于观察的良好习惯。一般可通过布置课外观察作业,增加课堂的演示实验等方式给学生创造观测条件。
  2.教给学生观察方法。使学生掌握观察要领,学会善于观察。例如可教给学生按顺序观察、程序观察、重点观察、精细观察、归纳观察等方法;对于常用仪器应教给学生观测读数要领、应用有效数字等能力。
  3.系统地、综合地训练学生的观察能力。从学生观察周围现象、观测仪器仪表、观察物理图线、图表到观测物理实验的现象、结果等方面,系统地、综合地训练,逐步提高学生的物理观测能力。例如观察仪器仪表,应从该仪器仪表测量什么量,用什么单位,刻度的最小分度、量程、零刻度以及其精密度、准确度、精度等几个方面观察。还有物理教材中的各种图线图表从某种意义上说比语言更直观简明地表达物理现象、过程或规律,通过对数字的比较,可加深对物理量的理解;对相关联的图表还可进行系统的比较。
  (二)实验操作能力
  实验操作能力是指对实验仪器、工具、操作过程等的动手操作能力,它是实验得以顺利进行的一种动手能力,实验操作能力主要是在实验操作过程中逐步培养起来的。
  具体做法:
  1.装配仪器、合理排布。有一些较为复杂的仪器需要首先把仪器的各个零部件装配起来,要求装配得正确、合理、完善,每种部件“对号入座”。对于运用多种仪器、仪表的实验要合理排布,其排布的原则为便于接线、便于检查、便于操作和便于观测,正确地把各种仪器仪表联结起来。
  2.掌握仪器的调节方法。在装配联结好各种仪器后,要对仪器仪表进行预备性调节,要求学生掌握各类仪器的调节方法,例如对于有底座的仪器,要进行仪器底座的位置调节;各仪表要进行零点调节;各种旋钮要调到初始位置;热电子要进行预热;各种光学实验需要光具共轴调节等。
  3.要按实验规则进行实验操作。要根据实验的要求和各种仪器的使用规则进行实验操作,要逐步训练学生操作动作规范、正确、熟练快捷、动作干脆利落。
  4.结束实验,整理仪器。实验结束,要按照一定的顺序拆除仪器仪表和整理仪器仪表,各类仪器仪表再调到初接入时的状态,如可调节电源的输出电压至输出最低等。
   “看着走”。在学生具备初步的实验观察能力和操作能力之后,教师可慢慢放手,指导学生操作实验,处理实验数据,总结实验规律.
  (三)培养学生实验数据处理能力。实验数据处理能力是指通过实验测得的众多数据进行分析处理,以获得某些量的变化规律或量与量之间的函数关系的能力。
  具体做法:
  1.对学生进行实验数据的图线化训练。对于从实验观测中获得的数据,一些简单的情况,可以通过列表分析就可获得某些量的变化规律或物理量之间的函数关系。但大多数情况下还需进一步对数据进行图线化。图线化中最简单的图线是直角坐标系中直线图,所以对于各种数据间的关系要尽量使其图线直线化。对于一些不能直接直线化的数据,可以通过适当变换使之直线化。
  2.对学生进行误差分析,修正数据的训练。对于实验数据一般地都要进行误差分析。误差的来源有两类,一类是系统误差,是由于仪器的准确性,如零点不准,或实验理论的近似性,或实验条件不能达到理论公式的规定要求,或测量方法本身有缺陷,或者测量者个人的生理、心理影响等产生,系统误差在找到了原因后就可消除或修正。另一类是偶然误差,它的来源主要是感官灵敏度,仪器精密程度,环境干扰和一些不可预测因素。偶然误差服从统计规律,可通过增加测量次数和一些处理偶然误差的理论和方法来进行。在实验操作中减小误差还可以通过提高测量精度、采用较为精密的测量工具、改用更好的测量方法;实验中测准关键量,减少实验干扰因素等来实现减小误差的目的。误差来源找到后,就要对实验数据作出修正。
  3.对学生进行分析、总结实验数据等的训练。从数据或图线上确定某种物理量的变化规律或某些物理量之间的函数关系,并通过物理分析,总结出物理公式和物理规律,达到实验的目的。实验的结果要在实验报告上表达出来。
  “自己走”。在初中阶段的后期,当学生掌握了基本的物理实验方法之后,教师可逐步培养他们自己独立设计实验、制作实验器材。因为这一阶段,学生的抽象、逻辑思维能力不断增强,自主意识不断提高,实验观察能力、操作能力和创新能力等得到了更好的锻炼,所以教师应该创设条件,满足他们自主探究的欲望,切实提高他们的物理实验能力和创新能力。
  (四)实验设计能力
  实验设计能力是指在理解和掌握了实验目的、实验原理、实验方法等的基础上,具体设计实施实验的能力。
  具体做法:
  1.创设探究情景,激发学生探究的兴趣
  探究实验是课堂教学的重要环节,实验过程中教师适时创设问题的情景能有效地激发学生认知冲突和碰撞,激起学生探究的兴趣,使学生的思维得到发挥。这就需要我们教师深人地去挖掘学生内心的潜意识,增强他们的求知心理。学生一旦感知到他从未见到或意想不到的物理现象时,一般都会产生一种跃跃欲试的冲动,希望寻求原因,形成探究行为的意向
  如讲《蒸发》一节,研究影响蒸发快慢的因素,可引导学生利用控制变量的方法设计三个小实验:(1)在手背上滴两滴相等的水滴,把一滴涂开,看那个干得快?(2)在桌子上和手背上涂上大孝面积相同的水渍,看哪个干得快?(3)在桌面上涂上大小面积相同的水渍,对其一片吹风,看哪滴干得快?虽然教材中未出现该实验,但它不仅使学生懂得影响蒸发快慢的知识,而且渗透了物理研究的方法。
  2.培养学生猜想和假设的能力
  牛顿说过:没有大胆的猜想和假设,就做不出伟大的发现。初中学生往往对提出的问题不敢作出大胆的猜想,或猜想偏离了方向,这就给进行实验设置了障碍。因此,首先要启发学生思维,针对提出的问题,全面搜索有哪些可能出现的结论,而教师要积极引导,旁敲侧击,引领学生的思路向正確的方向进行。
  3.每次实验都要让学生明确设计实验的目的,掌握正确的实验设计原理。所谓实验目的,就是回答为什么做实验的问题,有明确的做实验的目的,才能进一步去理解实验原理。例如验证光的反射定律实验的原理就是要在改变入射光所在平面的角度、入射角的角度时,探究反射光所在平面和反射角的大小的变化规律。
  4.教给学生实验设计的基本思想方法
  要设计一个物理实验,就要首先对这个实验进行构思,实验的设计与构思大致有以下几种:一是平衡法,其实质就是利用偏离平衡的因素的抵消效应,用已知的物理量去检测另外未知的物理量,如测量小灯泡的功率;二是转换法,就是借助力、热、电、光、机械等方法之间的相互转换,依据等效的思想,把一些不易观察不易测量的量转换为可观察可测量的量,如伏安法测电阻就是把测电阻转换为测电压和电流。三是放大法,借助于声、光或叠加等方法将物理现象或要测的物理量放大后再去观测,如微小量的叠加测量法;四是比较法,就是利用异中求同或同中求异,对物理现象或物理量进行比较,如海波和石蜡的熔化;五是再现法,如用三棱镜分析太阳光。
  5.培养学生进行实验方案的设计
  就是根据实验探究的目的和现有的实际条件来制定,包括完成实验目的的具体计划,还有器材的选择,器材的装置,具体的实验步骤和计划,科学探究方法的选取,实物的简化等。例如探究“导体电阻大小与哪些因素有关?”实验时所提供的不同材料不同规格的电阻丝是有限的,不可能完全满足学生实验设计的需要,教师应引导学生如何利用现有的材料进行接长、合并、截短等手段改变导线和长度和横截面积,以实施实验设计的验证。
  二、创设培养的环境
  学生的物理实验能力是不能仅仅依靠教师的讲解来传授的,而必须在相应的实践活动中才能得到发展,只有通过亲手实验才能得到提高。因此,学校和物理教师应该给学生提供一定的实验条件及环境,让学生有机会参与实验。
  (一)创设宽松的课堂实验环境
  教育心理学的研究表明,学生在没有精神压力,没有心理负担,心情舒畅、情绪饱满的状况下,大脑皮层容易形成兴奋中心,创造性思维容易激活,实验能力也更能得到培养。因此,教师在实验教学中首先应该尊重和信任学生,帮助他们积极主动探索实验方法,营建生动活泼、宽松和谐的实验氛围和自由探索、积极进取、大胆创新的心理氛围。只有这样,学生才能在实验过程中充分地表现自己,才能产生自尊、自信、自豪感,进而积极地参与到实验活动中来。例如在“探究流体的压强与流速关系”的教学活动中,应鼓励学生开展多样实验活动。在实验过程中,学生思维异常活跃,设计方案层出不穷,如吹纸片,吹乒乓球,吹气球,做吸水喷雾器,等等,个个积极参与,多方设计,认真操作。
  (二)实施激励性评价
  “激励性评价”是指在教育教学中,通过教师的语言、情感和恰当的教育教学方式,激发学生的内在需要和动机,鼓励学生自觉主动地提高自身素质的一种策略。在物理实验中,部分学生自信心不足,实验自我监控能力差,缺乏耐性……这些消极现象不尽早排除,学生的实验能力则无法提高。面对学生的这种情况,应以激励为突破口,相信每个学生都有能力独立完成实验,用尊重的态度和鼓励的方法帮助学生发现自己的优点,使学生重新审视自己,调整心态,认真观察,独立操作。
  例如,有学生在进行“测定小灯泡电阻”探究实验时,实验方案设计很认真,电路连接也正确,但闭合开关后,电流表和电压表都没有示数,也检查不出故障所在,学生逐渐失去信心。这时,教师应正确地进行评价,充分肯定他们在实验中积极认真的态度,同时和学生一起分析、查找原因,激励他们重做实验,直至成功。学生感受到了教师的真心帮助与鼓励,树立起了信心,重新认真查找故障,终于发现是电流表的接线柱松动,造成接触不良。
  (三)开放物理实验室
  陶行知有句歌谣:“人有两件宝,双手和大脑。大脑指挥手,手又刺激脑。手脑协调用,才能有创造。学用单项练,悟性太肤浅。理论不实践,能力有缺陷。”在课堂教学中,学生可以掌握一定的物理知识,但缺乏亲自动手体验的经历,即使在分组实验中,也因实验器材和时间限制而草草结束实验,创新能力与实验能力很难真正得到培养。在开放的实验室中,学生就不受实验器材和时间的限制,可以根据自己的兴趣和需要确定研究课题,探讨实验方法和途径,设计实验方案,改装实验器材等。因此,开放物理实验室,引导学生实验,让学生采用“手脑并用”法学习,对发展智力,培养创新意识、实验能力将产生巨大作用。
  (四)开展课外实验,拓展科学探究的范围
  在以往的物理实验教学中,实验所用的仪器和材料都是由课本规定的,课前由教师准备好。实验时,只要完全按照规定的步骤进行就行了。学生完全成了不用思考的机械观看者、操作者。物理课程标准要求在物理实验教学中,利用分组实验、课堂演示实验、课外小实验以及日常生活中物理现象的观察和思考,不断激励学生通过观察、比较、实验、归纳、类比等探索手段提出种种假设和猜想,培养学生主动研究的探索精神和创造性的发现、思考和解决新的实际问题的能力。
  总之,在培养学生的实验探究能力过程中,教师扮演的角色是成为用以帮助学生获得、建构和内化所学的知识、提高实验能力的领航人。教师在探究性实验教学之初可以为学生提供具体的、较多的匡架,随着教学进行的过程要逐渐减少并最终撤去所有匡架,使学生逐渐自己承担起监视和调控自己的学习活动的任务而进行独立的实验探究。在探究性实验教学中,教师要保护学生探究的兴趣和积极性,要真正发挥学生的主觀能动性。
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