淺論物理課堂實驗的探究質量評價的定性描述教育論文
物理課堂中的探究實驗是學生主動獲取物理科學知識、體驗科學過程、領悟科學方法的重要學習活動,其作用主要是能讓學生的學習方式實現從被動接受(驗證公式、規律,使學生信服)到主動獲取知識(建立概念、規律,主動建構)的轉化,而要達到這一目的很大程度上取決于實驗的科學探究質量和教師的教學效率。在我們的教學實踐中,不難發現存在不少的低效、無效甚至負效的探究實驗。那么,如何衡量和評價課堂實驗的探究質量高低就值得我們做深入的思考。
一、理論基礎及架構
物理實驗是既是科學家科學研究過程的濃縮和再現,也是學生重演科學發展歷程體驗科學發現過程的重要手段,更是學生科學思維發展的有效途徑。
早在20世紀初美國教育心理學家杜威就提出:“教學法的要素和思維的要素是相同的。這些要素是:
第一,學生要有一個真實的經驗情境——要有一個對活動本身感興趣的連續的活動;
第二,在這個情境內部產生一個真實的問題,作為思維的刺激物;
第三,他占有知識資料,從事必要的觀文秘站:察,對付這個問題;
第四,他必須有條不紊地展開他所想提出的解決問題的方法;
第五,他要有機會和需要通過應用檢驗他的觀念,使這些觀念意義明確,并且讓他自己發現它們是否有效。”
評價課堂實驗的探究質量要抓住幾個重要的要素,諸如情境、問題、方法、操作、檢驗等等。這些要素之間是環環相扣的,有趣的情境激發產生有價值的問題,必要的知識儲備引導得出有效的方法,有質量的操作會檢驗自己的觀點的真偽,理性的評估會促進知識、技能、思想、情感的同步提高。
二、評價標準的研制
筆者根據以上理論對物理課堂實驗的探究質量的評價體系的若干維度的構建做了初步的思考:情境的營造和設計;問題的產生和形成;方案的提出和完善;操作的有效性和科學性;數據的記錄和處理;實驗的總結和改進。
1.情境的營造和設計
教育心理學認為,學習應該發生(或被置于)在真實場景。強調通過擬真的問題情境創設有利于學生理解和掌握知識及技能的“實習場”,以避除以往從學校獲得的往往是無法遷移和應用的“呆滯”知識的弊病。
(1)新奇性。通過一些“新”“趣”“奇”“巧”的小故事、小實驗、圖片、視頻等等,達到“意想不到”的效果。例如:在自感現象的實驗中,教師要求學生注意觀察合上電鍵和打開電鍵時小燈泡的亮度變化情況。可以講,這樣的實驗對學生不具有新鮮感,難以激起探究的興趣。筆者是這樣創設情境的:讓幾個學生手牽手與自感線圈并聯再與3~4節1.5V的干電池并聯,當電鍵閉合后再斷開時,學生的手明顯感到被電麻。問題自然生成:為什么小小的幾節電池(遠比36V安全電壓低)會產生如此神奇的威力?小小的實驗向大家呈現了一個令人困惑或意料之外的情境,由此興趣和欲望被激發,探究動力也就被提起。
(2)真實性。實際的教學中,我們有時是把物理實驗搞成了純科學內容的抽象講解或探究,遠離了學生的生活實際,不能激起強烈的情緒和探究欲望。我們要利用課堂實驗注意情境的創設和背景的有效鋪墊,縮短教材和學生之間的距離,從學生感興趣甚至有爭議的內容出發。使學生對教材由“近”感到“真”,由“真”感到“親”,從而可親、可近、可信。
(3)實效性。課堂實驗要起到動機激發并滿足學生需要的水平層次。在彈性碰撞教學中,我們設計用雙線擺,擺球由兩個質量相同的玻璃球制成。先是把右邊的球拉開,另一球靜止于平衡位置。放下球后,兩球相碰,右球靜止,左球彈起,當左球返回碰撞后,右球又彈起,如此反復,動、靜交替多次。此時我們放上一段丁俊暉打球的視頻,丁揮桿用白球打過去,靶球被撞向前后,白球停在那兒……面對這一有趣的情景.課堂氣氛立即活躍起來,學生躍躍欲試,迫不及待地希望通過數學分析來破解其中的秘密。
2.問題的產生和形成
探究源于困惑。美國心理學家斯滕伯格將發現問題的能力作為創造性智力的根本,認為它是成功智力中的關鍵要素。
(1)自主性。問題或任務大多是由教師指定的,但最好是由教師和學生共同選定或學生自主確定。
(2)生成性。在探究學習過程中,新的問題和困惑也會不時出現。問題除了事先預定的外,還有的是在研究過程中即時產生的,因為問題的目標、初始條件或可能的轉換往往是不確定的。
(3)階梯性。實際上是對探究任務的明確,也是對相關任務的分解,問題的難易、主次、先后等等的思考能夠對實施方案的提出有較強的基礎和充足的準備。
(4)有效性。對所有問題的梳理和篩選,真問題、有效問題的形成(剔除無用信息或從中梳理出有效因素)。
在研究《電阻定律》時,教師引導學生根據已經學過的物理知識和生活經驗大膽猜測導體電阻的各種可能相關量,學生的思維過程一定要得到充分的發揮和自由地展示。教師在帶領學生構建民主開放的物理課堂的同時,不輕易放過某個看似荒誕、離奇的想法,對于其中存在的或多或少的漏洞、偏差,教師要不失時機的加以糾正,引導反思與感悟。在這一節課中,我們引導學生把各種猜測加以概括、總結,剔除干擾因素,提煉出真問題(也即有效問題)即:電阻的三個獨立的主要參量(如顏色、密度、硬度、質地等都與材料有關,質量與材料、長度、橫截面積有關……),并由日常的感性認識進一步猜測了R與三者的關系。
3.方案的提出和完善
所謂實驗方案,其實就是通過抓本質屬性和典型特征,體現設計思想、實驗手段和顯示方法,來建立恰當的實驗模型。提出實驗方案并使之完善,是實驗教學中最能培養想象力和探究能力的環節之一。
(1)方案提出過程中的自主性、合作性。實驗教學的最終目的是培養學生自主探究的能力,所以在實驗方案提出的過程中要盡可能地發揮學生自主、合作的意識,而不是包辦代替。
(2)方案的多向性。方案的提出不僅是學生自主提出,更要是多維的、發散的,要引導學生排除思維的單一性和思維定勢的影響,善于找出實驗中需要解決的重點、難點和所能解決的問題,嘗試各種可能的思維方法和解決的過程。例如,要測定重力加速度的大小,學生們提出了自由落體法、單擺法、圓錐擺法、機械能守恒法、滴水法等等。
(3)方案的優選性。對所有的實驗方案要有全面的認識,引導學生對其優劣進行比較并使之完善。優選的過程其實也是理性思維上升的過程,是對方案的修正和完善的過程。在這一過程中,要考慮是否服從教學目標、教學要求,儀器裝置是否易于搭配或制作。現象是否清晰、明了,尤其是要考慮學生的認知心理的可接受程度、建構水平的同化順應的適應度。
4.操作的有效性和科學性
(1)器材應該能夠滿足多樣化選擇性的需求,而不是由教師事前已經安排好了的菜單式的提供。學生自主學習和小組合作后制定了實驗方案,教師要盡可能提供他們所需要的實驗器材滿足其探究的需求。在器材的選擇中,要引導學生不要一味追求所謂的高檔儀器(那種全自動、傻瓜式的器材只要讀讀數據就行,使學生偏離了基本的實驗技能的訓練,相當有害。)我們可以用生活中的日常用品甚至包括兒童玩具等來做科學實驗,達到簡單、明了、直觀的效果。麥克斯韋也說過,“一項演示實驗使用的材料越簡單,學生就越熟悉,就越想徹底地獲得所驗證的結果,這種實驗的教育價值往往與儀器復雜程度成反比”。在探究牛頓第二定律規律的實驗中,不少老師采用了先進的DIS技術,幾組數據下來,圖線就出來了,學生還摸不著頭腦。如果我們用傳統的小車、紙帶、打點計時器來做,學生就會對實驗步驟、數據處理、圖像分析等作較為深入的思考。
(2)操作步驟的合理性、科學性要求。無論是技巧性實驗還是一般性實驗,操作在很大程度上影響著實驗的結果。實驗操作時實驗實施的過程,每一步都要能說出其道理,了解其作用以及所產生的后果。操作程序的環環相扣、規范和科學,會有助于相關概念、規律自然地得出。
(3)實驗操作步驟的逐步完善中對實驗能力的培養,諸如儀器的性能和作用、器材的裝配和要領、操作的規范和熟練、如何簡化、方便地操作、如何把隱性現象呈現出來等等。
在研究自感的實驗中,我們就是引導學生不斷在實驗的“失敗”(預想結論的得不出)中完善操作和設計,在探究的層次推進中培養實驗的.能力。
①引入性實驗:磁鐵插入線圈過程中閉合回路中產生了感應電流(圖1)。
②產生問題:在圖2中,改變線圈中電流也會引起線圈中磁通量變化,是否產生感應電動勢?實驗如何顯示出來?
③初步分析并驗證:在圖3中,分析可知K閉合時,小燈泡應該滯后發光。實驗發現合上開關,燈泡立即發光。(原因是人的眼睛分辨不出來)。
④深度分析并修正:引導學生采取參比、補償的辦法(通過兩個燈泡來比較發光的先后;調節變阻器使兩燈泡亮度相同),設計出圖4,實驗操作結果表明:比延遲發光。
⑤拓展分析并驗證:在圖4中,如果斷開S,燈泡應該延遲熄滅。實驗發現兩燈泡一起立即熄滅。
⑥深度分析并修正:分析可能是回路電阻太大的原因。修正設計為圖5,實驗證明:當S斷開,燈閃爍一下再熄滅。
⑦其實在實驗中還會遇到很多問題(諸如線圈自感系數大小、電阻阻值大小、燈泡大小等相互的關系),我們要把這些問題抑或困惑轉變成探究的課題(而不是直接告訴學生如何做或者結論),從而可以更好地幫助學生理解相關的知識。
(4)小組合作的情況。為使實驗探究有序進行,相關任務的分工要有預案。例如在運用頻閃照相研究“落體運動加速度”中,學生必須完成以下任務:方案設計(直接測量的物理量是什么?如何測量?);器材的安裝和調試(如何達到簡便、精準?);標尺的制作;實際拍攝(如果用數碼相機,如何達到多次曝光在一張底片上?);照片的分析(建立怎樣的數學模型?);實驗報告。尤其在操作中要做好細致的分工,在每一時段誰干什么、達到什么要求都要很明確,這樣才不至于實驗前茫然無緒,實驗時手忙腳亂,實驗后遺三忘四。
5.數據的記錄和處理
(1)數據記錄表格的設計要讓學生自己完成,應該體現實驗設計的思想,要引導關注實驗目標、研究的對象、收集數據的時段、有關現象的特征以及可能相關的物理量等。在記錄實驗數據的同時還要注意把有些非量化的數據(諸如現象)也要記錄下來。
(2)記錄的忠實性、原始性、重復性。數據記錄要及時、完整,注意有效數字和單位的要求。對于看似不合理數據,可以通過實驗來補測,但不要輕易放棄這些數據(要好好分析其原因,有時需要修正實驗步驟,有時也蘊含著新的現象或規律值得探究),切不可修改數據或編造數據以達到所謂的“準確結果”。
(3)數據處理手段科學、合理。要引導學生對實驗數據要進行理性分析,對相關物理量的關系要做出猜想,嘗試建立起相關的模型和關系,并進一步來驗證。一是可以通過計算法來處理,二是可以通過圖像法來處理數據,圖像法處理數據很直觀,也是常用手段,但往往不太為學生所熟知,教師可以做出示范。
6.實驗的總結和改進
(1)實驗目標實現的達成度。對整個實驗進行評估,預期探究的目標的達成度如何?學生的主動性學習如何?不僅僅是看是否得出了“預期的數據和結果”。
(2)亮點和創新。實驗所體現的原理方法、儀器裝置、步驟流程、數據處理等環節有些什么創新和突破,教師如何利用差異性結果引導學生認知,激發學生探究的欲望。
(3)體現的思想和方法。要引導學生反思實驗所體現的物理思想方法都有哪些(比如常用到的控制變量法、參比對照的方法等等),物理思想方法是比知識和技能更為重要的東西,是物理教育的核心。
(4)不足和改進。引導學生從原理、器材、步驟、處理來分析實驗的不足(包括是否給學生留下足夠的時間和空間等),盡可能提出改進的方法和措施。
(5)延伸性問題的產生。可以通過實驗進一步拓展研究的問題,比如相關聯或可牽連的問題的聯想、可以作為一個類別來處理的問題的實驗方法的遷移等,例如理解了卡文迪許扭秤實驗的精妙,從而對庫侖定律扭秤實驗方法的遷移。
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