大單元教學背景下高中物理實驗教學的探索

一、引言高中物理是離不開實驗的一門課程,而“電流熱效應(yīng)的影響因素”則是基礎(chǔ)實驗之一,要想讓學生更好地融入高中物理學習之中、順利掌握實驗技能,形成包括創(chuàng)新思維以及創(chuàng)新精神在內(nèi)的綜合素養(yǎng),就應(yīng)當重視實驗教學,做好實驗教學的每一個過程。二、研究背景綜述(一)大單元教學大單元教學是運用系統(tǒng)化、整體化的教學思維,將若干小知識點聚合在一起,以一個單元的視角來展開教學。比如人教版(2019)物理必修三教材中,在第十一章《電路及其應(yīng)用》和第十二章《電能能量守恒定律》中,包含電源和電流、導體的電阻相關(guān)內(nèi)容。包含的實驗有導體電阻率的測量、串聯(lián)電路和并聯(lián)電路、電路中的能量轉(zhuǎn)化、閉合電路的歐姆定律,還有電池電動勢和內(nèi)阻的測量、能源與可持續(xù)發(fā)展等知識內(nèi)容。上述這些內(nèi)容,又被劃分成兩章九節(jié)內(nèi)容,呈現(xiàn)在教材中。以大單元視野展開,需要凝練教學內(nèi)容結(jié)構(gòu),讓學生完整地去學習大單元知識。除此之外,鑒于教材中某一些內(nèi)容有重復,一些內(nèi)容有聯(lián)系,大單元教學還可以是主題式教學,重構(gòu)教學內(nèi)容結(jié)構(gòu),將重復的知識結(jié)合在一起教學、將有聯(lián)系的知識內(nèi)容結(jié)合在一起教學,帶學生去感受知識體系框架。而在大單元教學下,實驗是教學的一部分,一個大單元中會有一個或若干實驗,涵蓋內(nèi)容范圍較廣。(二)實驗教學與“電流熱效應(yīng)的影響因素”實驗實驗教學是指實踐性教學的一種組織形式,指學生利用儀器設(shè)備,對實驗對象進行觀測、測定、抽象、分析、總結(jié)等一系列過程,進而獲得知識與發(fā)展能力的一種方式。實驗教學可分為演示實驗、自主實驗、合作實驗、項目實驗等幾種形式,演示實驗即教師在課堂上進行演示,讓學生觀摩、測定并記錄實驗;自主實驗指讓學生個人設(shè)計并完成實驗;合作實驗事實上也是自主實驗的一種形式,即以小組合作的形式展開;項目實驗則指的是將某一個學習內(nèi)容打包成項目的形式提供給學生,多為實踐性、調(diào)研性項目,讓學生對該項目進行分析,并完成這一項目,比如調(diào)研電熱水器和電風扇的能量轉(zhuǎn)化,比如制作門鈴報警器的實踐實驗。電流熱效應(yīng)指電流通過電阻時,將電能轉(zhuǎn)化為熱能的一種現(xiàn)象,已知影響電流熱效應(yīng)的因素包括電流大小、電阻、通電時間,進而去深入認識焦耳定律Q=UIt;Q=I2Rt。實驗的大體結(jié)構(gòu)為:通過控制變量法,改變一個閉合電路中的實驗器材,如電動機、電燈泡,對比相同電壓、電流、通電環(huán)境等因素,隨之觀測在不同條件因素下,電阻的溫度變化,最后整合所有數(shù)據(jù)去分析影響電流熱效應(yīng)的因素。在該實驗過程中,教師引導學生進行大膽猜想,假想設(shè)項,設(shè)計實驗組,再通過實驗過程去探究驗證,獲得知識的同時可提升實驗技能。在實驗過程中,實驗環(huán)境、實驗器材、操作等問題可能會導致出現(xiàn)一些差錯,教師引導學生對實驗問題進行改進,一方面能夠讓實驗更加順利地進行下去,一方面則是為了讓學生進行創(chuàng)新研究,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。三、實驗教學的必要性(一)激發(fā)學習興趣,體會物理樂趣高中物理知識內(nèi)容較為抽象且復雜,理論學習很容易讓學生陷入枯燥乏味的學習氛圍之中,進而逐漸喪失學習興趣,學習效果自然不盡如人意。而實踐教學卻是相對靈活的、寬松的,是有趣的,學生參與實驗學習,能夠深度融入學習環(huán)境中,學習興趣得到顯著提升。而興趣是學生最好的老師,學生在有學習興趣的基礎(chǔ)上,學習力也會隨之提升,體會物理有趣、物理有用,更有助于學生全面成長。(二)促使學生加強對理論知識的理解展開實驗教學,讓學生圍繞實驗目標獨立自主地去完成,在“創(chuàng)新—質(zhì)疑—驗證”的過程中去學習,凸顯學生在學習中的主體地位,不僅學生的學習興趣能夠得到激發(fā),同時也能夠讓學生更深入地理解物理理論知識。原本一些很難理解或不容易記憶的知識內(nèi)容,通過實驗教學,學生的理解能更深刻、記憶更加清晰。例如在電流熱效應(yīng)的影響因素實驗中,通過實驗學生能夠深度認識到電流經(jīng)過電阻發(fā)熱這種現(xiàn)象,認識到影響發(fā)熱的一些因素,結(jié)合生活中一些常見的電器例子,思考電器發(fā)熱的原因所在,對焦耳定律有具體的思考。(三)培養(yǎng)學生的科學探究能力在素質(zhì)教育深入發(fā)展的當下,培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)是物理課程的核心目標之一,“科學探究”能力則是物理核心素養(yǎng)之一,它反映了學生應(yīng)當懂得物理研究的程序,能夠獨立地根據(jù)素材或證據(jù),去實驗論證,去分析獲得物理知識;也表現(xiàn)為學生應(yīng)具有較強的實踐動手能力,能科學利用實驗環(huán)境,這也是新課標一直在強調(diào)的。實驗教學無疑就是在培養(yǎng)學生的“科學探究”素養(yǎng),為學生提供一個實驗的項目,然后讓學生去準備實驗,去質(zhì)疑假想并設(shè)項,再去分析實驗結(jié)果。學生科學探究能力的培養(yǎng),能夠讓他們在物理領(lǐng)域走得更快、更遠。(四)培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力在素質(zhì)教育目標下,創(chuàng)新能力也是學生應(yīng)具備的綜合素養(yǎng)之一,在高中物理實驗教學中,或讓學生去創(chuàng)新猜想,或讓學生去創(chuàng)新實驗,或讓學生去總結(jié)、研究實驗結(jié)果,或讓學生去物理創(chuàng)造……諸多環(huán)節(jié)都在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,讓學生在學習、生活中倍加受益。四、實驗教學常見問題在高中物理實驗教學中,常見的教學難點與問題體現(xiàn)在三個方面。首先是自主與分組實驗較少的問題。盡可能多地讓學生相對獨立、自主地進行物理實驗,是實驗教學的基本原則,如此才能滿足學生的實際學習需求,但是目前來看,一些情況下,學生自主或分組實驗的數(shù)量難以保障。分析其原因,一方面可能是學校和教師對實驗教學的重視程度不足,受到傳統(tǒng)應(yīng)試教育理念的影響仍然存在,認為讓學生多學、多背、多做就能得分;另一方面,可能是因為學校不能提供足夠的實驗環(huán)境,在實驗室、實驗器材、實驗材料等方面存在不足。其次,可能存在按部就班開展實驗的問題。或因為實驗形式老化,對學生吸引力不足,或因為實驗教學形式對學生引導不足,實驗教學中學生往往按部就班地進行物理實驗。學生缺少創(chuàng)新,缺少設(shè)計實驗,仍在機械性、重復性完成實驗,這種實驗教學的形式效果是不足的。最后,還存在未能嚴格把控實驗程序的問題。很多時候高中物理實驗教學沒有教學任務(wù)和考核指標,這就導致學生得過且過,不會花費較多心思在實驗學習上。實驗課教學開展了之后,學生學懂了沒有、學得怎么樣、是否掌握實驗技能,這些都不明確,這就讓實驗課程教學失去了原本的意義;或者,在實驗中未能嚴抓科學與紀律,學生篡改數(shù)據(jù)的現(xiàn)象也會影響實驗教學的質(zhì)量。五、實驗教學的展開策略(一)實驗引入在實驗引入階段,教師要讓學生明確實驗內(nèi)容,實驗設(shè)置的原則是要與教學內(nèi)容緊密相連,具有促使學生理論知識理解、強化學生實際動手能力的作用;或者嘗試去激發(fā)學生參與實驗研究的興趣;或者向?qū)W生傳輸完善的物理知識。例如在“電流熱效應(yīng)的影響因素”實驗中,圍繞電流熱效應(yīng)的現(xiàn)實例子引入,生活中常見的電熱毯、電飯鍋、電熱水器等,都是電流熱效應(yīng)的實際應(yīng)用例子。另外,電器為了減少電流熱,常常采用設(shè)置散熱片、散熱風扇、液冷裝置等方式來進行散熱,電器安裝的位置也很關(guān)鍵,重點發(fā)熱元件不要靠近敏感元件和重要元件,均可作為實驗引入的素材,向?qū)W生滲透電流熱效應(yīng)的基本概念,并且激發(fā)學生的實驗熱情。(二)實驗規(guī)劃在拿到一個實驗主題后,應(yīng)引導學生對物理實驗進行大膽的質(zhì)疑假想,將質(zhì)疑假想的方向設(shè)置實驗項,而不是讓學生按部就班地完成實驗,如此一來能夠讓學生有更強的實驗動力。例如在“電流熱效應(yīng)的影響因素”實驗中,先引導學生圍繞“電流熱效應(yīng)的影響因素”進行猜想,學生根據(jù)已有的電路知識猜想電壓、電流、電阻(通電材料)、環(huán)境因素、通電時長等,教師將其一一備注,均可以作為實驗研究的項目,再引導學生設(shè)計對照組實驗。除此之外,教師還要做好準備,準備實驗材料,規(guī)劃實驗計劃,注意實驗細節(jié)事項,讓學生初步分析實驗研究主題,并讓學生思考如何去完成它、分哪些步驟去完成它、需要收集哪些相關(guān)的資料、需要準備哪些材料、重難點又是什么等,進而設(shè)置對照組實驗。實驗規(guī)劃前要明確實驗紀律,不但對學生的科學探究能力、科學思維進行了訓練,而且潛移默化地培養(yǎng)了學生對科學探究的認真態(tài)度。(三)實驗過程實驗過程即學生真正做實驗的過程,根據(jù)前期制訂的實驗計劃,按幾個步驟完成,每個有哪些技術(shù),由誰去完成、怎樣去管理等,計劃制訂得越詳細,項目執(zhí)行起來就會越輕松。在這一系列過程中,均由學生獨立自主去完成,或者以小組合作的方式去完成,即便合作完成也要分配角色和任務(wù),學生自主完成實驗探究的整個過程,才能對物理知識點產(chǎn)生深入理解,才能切實提升實驗操作能力。“電流熱效應(yīng)的影響因素”實驗可進行分組實驗,要注意巧妙規(guī)劃以及嚴格管理,目的是讓學生學會由實驗到結(jié)論的物理研究方式,學生之間可以相互分享自己對這一項目的理解和思考,配合著完成該項目研究,各自承擔相應(yīng)的實驗任務(wù)。合作實踐能提高學生的交流探究素養(yǎng)和合作配合能力。分組則要均勻分組,能起到以強帶弱的作用。實驗過程中,學生的實際動手能力和技術(shù)基礎(chǔ)并不完備,自然會犯下各種各樣的問題,而學生不斷解決這些問題,就是在深化物理知識理解和技術(shù)應(yīng)用。當然,教師也應(yīng)及時關(guān)注學生做實驗的過程,對學生完成實驗的情況進行指導,比如學生使用實驗器材時方法不正確,老師應(yīng)及時去糾正,培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。例如在“電流熱效應(yīng)的影響因素”實驗中,電壓、電流、電阻(通電材料)、環(huán)境因素、通電時長等是影響電流熱效應(yīng)的因素。學生分別設(shè)計了對照組實驗,比如對“電流”因素,設(shè)計了同一個閉合回路的對照組實驗,通過改變電流的大小,去觀測小燈泡或其他熱敏元件的反應(yīng),來獲得對應(yīng)的電流數(shù)額與溫度數(shù)據(jù);比如對“電阻”因素,同等道理,設(shè)計了同一個閉合回路的對照組實驗,使用不同電阻的小燈泡,來觀測燈泡溫度。(四)實驗總結(jié)與創(chuàng)新經(jīng)過實驗研究,在實驗結(jié)束后匯總實驗結(jié)果,讓學生對實驗結(jié)果進行反饋,形成完整的實驗報告,制作圖例和最初的質(zhì)疑假想進行對比,分析得出實驗結(jié)果。教師督促與檢查,在物理實驗中,每一個數(shù)值都要精準,不能弄虛作假,實驗本就是研究的過程,通過實踐去驗證自己的猜想,如果數(shù)據(jù)造假,那么實驗就會失去意義。教師教導學生如何去剔除明顯錯誤的實驗數(shù)據(jù),得出真實且有效的實驗結(jié)果?；蛞龑W生對實驗研究的難點進行創(chuàng)新,比如說做該實驗,實驗溫度不好測量,溫度計不容易固定,對此進行創(chuàng)新,在閉合回路中,在電阻上滴上幾滴石蠟或松香油,待其凝固,觀測不同條件下石蠟或松香油熔化的時間,以此來代替溫度測量……這就是創(chuàng)新實驗的例子所在。(五)實驗評價物理是一門離不開實驗的課程,在素質(zhì)教育深入發(fā)展的今天,更加提倡以實驗來幫助學生學習物理。探索實驗教學的策略,最終目的是促進學生的全面發(fā)展。在實驗開展過后,教師需引導學生進行評價,這是學生進行自我反思的過程,能很好地促進他們掌握知識,同時,認識自己的學習情況。這樣一來,學生才能在參與實驗教學的過程中,通過實驗教學將理論知識融會貫通,深入探究物理知識;同時,通過實驗教學提高自己的實踐動手能力,獲取和掌握實驗探究技能。它更能夠讓學生在實驗教學中“創(chuàng)新—質(zhì)疑—驗證”地展開學習,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新精神。具體操作時,教師可以讓學生上臺說明自己的實驗成果,說一說自己在完成實驗中遇到的難題以及如何去解決的,說一說實驗中有哪些創(chuàng)新之處。教師和同學根據(jù)學生的表現(xiàn),進行評價,并引導學生總結(jié)本次實驗的經(jīng)驗教訓。六、完善頂層設(shè)計,促使實驗教學順利實施實驗教學是高中物理教學必不可少的組成部分,但卻可能存在實驗室、實驗器材、實驗材料不足,實驗教學少等一系列問題。因此,為了更好地發(fā)揮實驗教學的價值,學校應(yīng)做好頂層設(shè)計,盡可能為學生配置足質(zhì)足量的實驗條件,保證實驗室規(guī)模能夠應(yīng)對一個班級人數(shù),保證實驗材料能夠滿足學生所需。在課時規(guī)劃上也要進一步優(yōu)化,增加實驗教學的分量,致力于解決學生參與實驗教學太少的問題,明確要求高中物理應(yīng)完成多少實驗,應(yīng)執(zhí)行多少實驗課時,以此來保證高中物理實驗教學的質(zhì)量。物理課程中大部分知識點都是可以通過物理實驗來獲取的,這需要教師思維層面提起重視程度,明確實驗教學對學生學習興趣、知識理解、核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要意義,學校則需要加強頂層設(shè)計,做好對教師的教學監(jiān)督,督促教師順利展開實驗教學。另外,應(yīng)在堅持“學—考”一體化