中学物理实验教学的设计与优化策略研究大学论文文档格式.docx
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从义务教育阶段物理课程内容设置来看，教育观念的转变是必然趋势，实验探究过程的开发和实验在教学中的作用也将是近年来各大学校的热点。
（二）新课程标准对实验教学的要求。
义务教育阶段物理课程以提高全体学生科学素养为目标。
此阶段物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力。
可见初中物理实验不仅是学生获得物理知识和规律的途径，更是培养学生科学方法和科学精神的手段。
在教学中设计实验是物理教师应具备的素质之一，物理实验的优化及实践也是每一位一线物理教师的需要。
（三）当前物理教学中实验开展存在困境。
根据新课程标准的要求，义务教育阶段大部分物理知识要从物理实验中自己获得，然而探究实验的开展在现实教学中存在困难：
1.实验器材匮乏。
一方面实验室现有器材数量严重不足，而学生数量较多，导致部分实验不得不变成演示实验；
另一方面一些器材损坏严重，导致可投入使用的器材数量不足，甚至一些实验根本不能借助实验室器材完成。
2.实验室器材与现有教材内容不够匹配。
一些器材陈旧，教材内容优化后，已经停止了陈旧器材的使用；
还有一些演示实验的器材根本没有配备。
3.一些实验器材现象不明显或受外因影响严重，影响实验探究的开展。
如探究晶体熔化的实验，现有装置基础上，晶体海波熔化过程中温度并不是保持不变的，若不对现有实验进行优化设计，直接会影响实验结果的准确度，给学生学习晶体的特点相应知识带来困扰。
综上分析，实验教学的设计有助于实验在课堂中的开展，有助于科学实验教学模式的形成，有助于激发学生兴趣；
有助于培养创新意识及科学态度；
学生经历实验探究，有助于学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力。
二、课题界定
实验在教学中的设计就是教学活动中对实验进行科学合理的安排，以达到最好的效果。
初中学生的思维水平不高，处于从生活经验思维向逻辑思维的过渡阶段。
学生对物理概念的理解、判断、推理离不开直观现象和已有经验，在学习物理中观察和实验是学生获取知识的最有效途径。
《中学物理实验教学的设计与优化策略》是以实验在教学中的设计和优化为研究核心，以《课标》的要求为出发点，优化设计结合探究目的，依据学情分析，进行科学合理的规划，以期达到仪器简单、便于操作、现象明显等特点，实现帮助学生获取知识与规律、学会科学方法、培养解决问题能力的目的。
本课题以演示性探究实验为设计主体，结合学生认知发展理论和实验室与生活中可取之材，设计目的性强、具有直观性、简便易操作性、可靠又安全的物理实验。
三、课题研究的价值与意义
实验是物理学研究的一种重要手段和方法，是物理教学的重要内容。
在物理课堂中，实验是激发学生学习兴趣的手段，能够调动学生积极性自主参与学习；
实验是加深学生对概念和规律理解的重要环节；
是认识事物规律的起点；
也是物理教学中的重要组成部分。
物理教育工作者通常通过加强物理实验教学来践行教育改革，致力于培养目标的达成，真正实现素质教育。
然当前物理实验教学中，实验仍受诸多因素干扰，是薄弱环节，这种状况导致教师一般不愿在课堂上开展实验，学生通常因为感觉困难而失去学习兴趣，同时影响了学生的知识能力结构和非智力因素的发展。
因此，必须进行实验的优化设计，提高其可操作性，以强化实验教学，激发学生兴趣。
1.以初中物理实验教学的设计为主线，依据教学目标、教学内容和教学要求，结合学生认知水平，选择合适的实验器材，合理的进行实验，以便学生清楚地认识物理概念和规律。
实验能否达到最优，检验的依据是能否激起学生较大的兴趣。
生动有趣、富有魅力的实验，能激发学生的求知欲，调动学生学习的积极性，主动参与学习。
2.以物理实验的教学中的普遍开展为目标，依据优化原则对物理实验进行设计，达到操作简便，易于在课堂中实施。
物理实验在课堂中难以实施除了是器材不匹配，多因操作困难造成预期实验现象不明显甚至跟理论不符，而导致物理教师在实际教学中直接采取“讲实验”的方式代替“实验探究”本身，本末倒置，剥夺了学生的实验探究，不能发挥学生主观能动性。
实验的设计与优化，可以提高器材可操作性，教师通过优化的实验设计提高课堂效率，有助于物理实验在课堂中的开展。
3.实验教学变得简单又有趣，利于学生的主动学习。
新课程改革的理念：
充分发挥学生主体性，在教学中逐步培养学生自己发现、体会，使学生各方面能力都有提高，从而得到全面发展。
实验的科学设计与优化，让学生对实验不在陌生、恐惧，有信心进行科学探究，学生通过经历探究过程，实现了学生主体地位，树立了科学态度，培养了创新精神。
四、研究目标
1.通过本课题研究的研究，开发出更适宜学生认知习惯的演示实验，解决现行演示实验不能完全贴合学生学情造成学生由于对器材陌生而产生的畏惧心理，充分调动学生参与实验的勇气与热情。
2.通过本课题的研究与实践，提高教师的自主创新能力与研究能力。
要培养学生的创新意识，首先教师要具备创新的能力。
本课题研究成果的实践对提高教师教育水平的提高，教育技能的提升，教育方法的改进有极大促进作用。
3.通过对实验的优化设计，实验更易取材，器材更易操作，现象更加明显化、利于实验在课堂的开展，能极大激发学生学习兴趣，主动参与课堂，利于高效课堂的达成。
五、研究基本内容、重点、难点
本研究以沪科版义务教育物理教科书为基础，选择八、九年级教材中的演示实验、随堂实验为研究对象。
（一）基本内容：
1.教材内容与实验设置的整合，提取出需要进行演示性探究的实验类别，分析其优化设计的可行性及优化的最佳方案。
以九年级物理教材中设置的“焦耳定律”内容为例，课本中直接指出：
英国物理学家焦耳做了大量实验，于1940年最终发现了“电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比”，为了纪念焦耳，人们把这一规律称为焦耳定律。
通常学生能够通过熟记背诵的方式说出焦耳定律的内容，但对焦耳定律中的规律并不理解，由此得出电学知识真难的观点。
笔者认为，该处应设置探究性演示实验，好处：
设置实验能帮助学生理解焦耳定理的含义，弄清其规律得来的依据。
设置为演示实验的理由：
一是此处的实验操作相对较为复杂，需要老师的指导和参与；
二是器材选择的局限性不利于大范围开展学生实验。
然，经查阅资料和文献分析发现，目前也有对此处进行改进增加实验的做法，但效果不尽人意。
经上分析，对学习该内容时新增的探究实验在教学中的设计与优化方案如下：
（1）实验装置对比（如下表）：
现有实验装置
改进后的实验装置
（2）实验原理对比：
现有装置依据原理
改进后依据原理
在两个相同的烧瓶中装相同质量的煤油，并用胶塞密闭，胶塞中安放温度计，瓶中各放一根电阻丝，甲瓶中电阻丝的电阻比乙瓶中的大。
通电后电流通过电阻丝产生的热量越多，液体吸热后温度的升高也越大，温度计的示数上升得就越高。
观察温度计示数上升的情况，就可以比较出电流产生的热量的多少
依据气体热膨胀比液体的热膨胀效果好，该装置可以改为两锥形瓶中加等量红水和蓝水，使锥形瓶中所封气体相同。
通过注射器来调节实验前玻璃管中液柱的高度相同。
开始通电后，借助观察玻璃管中液柱的变化来判断电流产热的多少。
（注射器可以实现断电后，使液柱快速下降，节约实验时间）
（3）方案改进后优劣对比：
改进前的不足：
该实验装置煤油量大，可见度小，显示速度慢，加热时间长；
另外，烧瓶中的煤油加热容易，降温难，需要的时间很长，影响了连续重复演示效果，学生注意力容易分散，不利于组织课堂教学。
改进后的优点：
⑴在相同条件下，利用气体的热膨胀比液体的热膨胀实验效果更加明显，大大缩短了实验时间，有效的提高了课堂效率。
⑵该实验仪器具有连续重复演示的功能。
利用注射器可以让玻璃管中的液柱迅速下降，并能很好地进行变量的控制，同时温度的降低也比较迅速，从而能大大缩短实验的时间。
⑶避免了用电流表测电流的麻烦，而且能使学生的注意力集中在观察玻璃管中的液柱高度的变化情况。
2.研究实验优化策略，制定优化原则：
直观、容易取材、可操作性强、现象明显。
如：
“熔化”与“凝固”实验中的冰盐水冻成碎冰做冷却剂，实现了观察冰熔化前、熔化中、熔化后三个阶段温度变化的现象观察，不仅容易取材，而且能有效增强实验效果。
3.依照优化策略，对实验进行优化设计，包括器材的优化、实验方案的优化、操作规则的优化及开展过程的优化。
例如：
九年级教材中“升华”与“凝华”中设置的“碘”升华随堂实验，“碘”是紫红色晶体，熔点是118℃，碘蒸气是紫红色的，易于观察，从特点上来看，“碘”应该是做升华实验理想的材料。
碘的升华实验，以往我们常常是这样做的：
将一些碘的颗粒放入敞口的烧瓶（或试管）中，用酒精灯对烧瓶（或试管）直接加热，然后便能看到烧瓶（或试管）里会出现紫红色的碘蒸气。
教材中也是这样设计的。
其实，这种设计是十分不恰当的，众所周知，碘的熔点是118℃，而酒精灯火焰的温度远高于118℃，在这样的加热条件下，我们很难保证碘不会熔化！
即使在烧瓶（或试管）中看不到液体的出现，那也难以使学生信服：
碘不是先变成液体后又有液体变成的气体。
对于“碘蒸气是有固态的碘直接变成的”这一结论是缺乏说服力的。
再者碘蒸气是有毒的，敞口的容器会把碘蒸气泄漏到教室里，不利于师生的健康！
可进行如下优化设计：
取两只相同的试管，将适量的碘粒分别放入两只试管中，用橡皮塞塞好（以防碘蒸气泄漏）；
再取三只相同的烧杯，分别到入适量的刚烧开的水、较烫的水和冷水，然后将两只试管分别放入装有刚烧开的水和装有较烫的水的烧杯中。
注意观察，会看到：
放入刚烧开的水中的试管中很快便出现了紫红色的碘蒸气，放入较烫的水的试管中也相继出现了紫红色的碘蒸气，只是较前者淡些。
这时引导学生分析：
试管中的碘蒸气是不是碘先变成液体后再由液体变成的？
分析后总结：
试管中的碘蒸气不是碘先变成液体后再由液体变成的！
因为上述两杯水的温度均低于100℃，是低于碘的熔点的，碘在这样的温度下是不会熔化的！
同时可让学生观察试管中有无液体产生来加以印证。
最后得出：
碘能够从固态直接变成气态。
从而引出“升华”的概念。
接着通过分析上述两试管中的现象差异，可进一步得出“温度越高，升华越快”的结论。
4.对实验的优化设计进行课堂实践。
依据对照原则，设置实验班与对照班，在实验班实践优化的实验设计，最后对两类班级进行评价，形成指导性评价，为后续研究做基础。
广阳镇一初中以八年级和九年级前四班为实验班，利用现在的优化设计进行实验教学；
后几个班为对照班，仍然使用教材中的实验方式进行演示或分组实验，进行课堂教学，
然后在2015年春期期末考试中对实验班（八年级一班、二班、三班、四班）和普通班（八年级五班、六班、七班、八班）的考试成绩和实验探究试题得分情况，进行了对比分析，通过对探究性试题的得分率和学生试卷总成成绩的分析，我们发现：
对学生而言，在课堂教学中使用优化的实验设计，在课堂教学中教学效果与使用教材中的实验设计方案进行教学的效果相比，前者效果较好。
（二）研究的重点
《中学物理实验教学的设计与优化策略研究》是以实验的设计与优化为研究目标，对教材内容进行分析和整合，针对教学情况，对实验进行设计和优化，使实验更具趣味性，器材更简单，操作性更强，现象更直观。
（三）研究的难点
设计成果的优化评价缺乏全面的评价体系，成果在教学实践中所能达成的效果因操作者个人素质的不同而不同，这种差异在研究结果评价中并未实行确切有效的评价方案。
六、研究原则
（一）科学性原则
尊重学生发展规律，尊重教育教学规律，以教育教学理论基础为指导，对研究方案进行科学的设计，合理安排研究进度，对物理实验进行实际教学中的优化设计，并在理论指导下进行科学实践，以期达到课程标准的培养目标。
（二）实用性原则
所开发设计的优化实验必须符合学情，切合教材内容，适合在实际课堂上开展，帮助建立起科学的实验教学模式。
（三）目的性原则
为了实验便于在课堂上开展，激发学生兴趣，促进学生自觉参与学习，初中物理实验优化应做到：
设计目的明确、现象直观、易于操作且又安全可靠。
七、研究方法
（一）调查法
调查法是为了达到设想目的，制定计划全面或较全面地收集研究对象的某一方面情况得各种材料，并作出分析、综合，得到某一结论的研究方法。
目的在于全面把握当前状况，或揭示存在问题，弄清前因后果，为进一步研究或决策提供观点和论据。
具体调查对象：
实验室、研究区域的一线教师、学生。
调查内容：
（1）实验室状况，器材与教学内容的匹配情况，可使用器材的可操作情况及可达到的效果，自制器材情况及实用情况，废弃及损坏器材处理及再利用情况。
（2）教师方面，具体方法访谈法。
教师对实验分类及设计所基于的理论、运用的模式、与学生认知规律的贴合度、要达到的预期效果；
具体课堂开展情况，教学设计与实际课堂开展的匹配情况，实际操作中有无问题，实验操作的真实开展情况、未实验操作的原因，课堂达到的实际效果。
（3）学生方面，具体方案书面问卷法和访谈法。
调查学生在现有实验教学中实现自主探究的实验有哪些，未进行的实验操作有哪些，对未进行试验所探究内容的获取状况，进行科学探究式最常遇到的问题是什么，通过物理实验探究自己有哪些收获，对进行科学探究的收获状态进行评价，自己最喜欢的物理实验课堂是怎样的等。
（二）文献法
文献法是查阅并整理教育文献资料和教育理论教育方法，分析解决所研究问题的理论依据，寻找解决方法。
通过文献研究，整理关于义务教育物理实验设计与优化的相关资料，在此基础上，结合解决问题的相关理论，针对此环境实验在教学过程中遇到的问题，结合教学设计的内容，确立物理实验设计所要依据的教育原理，运用的教学方法及设计的原则。
具体实现方法：
一是运用数据库进行网络查询，如：
万方数据库、中国知网等；
二是通过一线教师收集资料，所撰写的论文，研究的课题等；
三是数字图书馆查阅，如360doc个人图书馆、超星数字图书馆；
四是通过搜素引擎进行网站搜索。
（三）行动研究法
行动研究法是一种适合广大教育实际工作者的研究方法。
行动研究是教师或研究人员从实际工作需要中寻找课题在实际工作过程中有计划有步骤的对教学实践中产生的问题进行研究，由实际工作者与研究者共同参与，使研究成果为实际工作者理解、掌握和应用，从而达到解决实际问题，改变社会行为的目的的研究方法。
它既是一种方法技术，也是一种新的科研理念、研究类型。
行动研究法在该研究中的应用是以科学的方法研究自己的问题，在现有教学环境中，依据相关的原则对实验优化设计进行研究，综合研究方法和技术，以达到解决目前物理实验教学所遇问题的目标。
（四）个案研究法
对该项学习的学困生进行观察、交流，针对学生状况进行测验，找出造成学生在物理实验学习过程中困惑的原因，借助相关理论和教学手段，确立解决办法，为实验设计的优化提供依据。
八、研究思路与过程
基于初中生学情特点的和物理课程内容设置，将根据义务教育初中物理课程标准的理念，进行实验设计与优化。
（一）主要解决的问题：
1.使实验器材更贴近学生认知范围，解决学生对实验器材的陌生感所造成的恐惧心理。
2.通过优化使实验现象更加明显，更易于学生观察，利于物理知识的学习和实验结论的得出。
3.通过优化设计增加实验的趣味性，激发学生学习兴趣，调动学生积极性，主动参与学习。
4.解决器材难以操作的问题，通过优化设计，实现器材的易于操作，解决教师课堂演示实验难于进行的困扰。
（二）设计中遇到的困难及相应解决办法：
1.物理实验的设计与优化具有开放性，很难说什么样的实验设计才是最优的。
依据教学原理和实验优化原则，对同一实验进行多套方案设计，进行团队分析，选择较为合适的符合学情的方案，运用于实践，通过实践来检验设计的优劣，最终确定出较为优秀的方案。
2.实验优化设计的策略需要相关理论做支撑，而对理论的把握具有一定难度。
在进行设计的过程中需要多向专家请教，多和同事探讨。
3.优化实验的实践因实践对象和实践者的不同，效果的程度会有差异。
客观分析实践效果，改进对效果的评价，采用二段式诊断对实践过程及结果进行评价。
（三）课题研究进度
本课题实施的时间为2014年10月至2015年12月，分四个阶段：
第一阶段：
2014年10月——2015年3月，准备阶段。
主要任务：
分两步进行。
1、开展调查，主要方式为问卷调查和访谈法。
在学生中开展问卷调查，问卷份数为120份；
对笔者所在学校和联校的一线物理教师进行访谈，访谈选取对象数为7人。
对调查情况进行分析，确定目前物理实验在现实课堂中开展的不足与困境，并进行初步分析，确定研究方向，完成开题报告。
2、通过课题立项，与各级教研组织建立联系，获取人员和信息支持，预设研究可行方案。
第二阶段：
2015年4月——2015年8月，研究实施阶段
运用文献法确立问题解决所需的理论支持及问题解决的可行方法，综合运用多种方法完成物理演示实验的的优化设计。
第三阶段：
2015年9月——2015年11月，研究实践检验阶段
将优化的实验设计运用在实际教学中，并进行推广，对检验结果进行总结与评价，形成效果分析报告。
第四阶段：
2015年12月，总结与验收阶段
撰写结题报告及相关论文。
对研究结果进行再验证的规划，并对研究中发现的新问题提出再研究的可能性。
九、完成的主要工作与成果
（一）课题研究方案
对所在地区物理课堂现状进行调查，学生进行问卷调查，教师采用访谈，已确定目前物理教学中实验教学所存在的问题。
部分问卷内容如下：
◎对于课本中的演示实验，老师一般（）
A、应付了事
B、自制教具或设计替代实验尽量演示给学生看
C、创造条件让学生积极动手
◎实验前老师鼓励学生进行实验设计吗？
（）
A、经常B、偶尔C、极少
◎学生分组实验前，老师是否给学生示范？
◎老师主要根据（）确定留给学生操作的时间。
A、实验环节和内容的多少
B、实验的难易程度
C、学生的操作进展情况
◎对于生活中或物理学习中司空见惯的问题，老师经常通过演示实验寻找答案吗？
A、经常B、偶尔C、从不
◎物理演示实验老师经常让哪些学生配合、回答问题？
A、成绩好的
B、成绩中下等的
C、每个学生的机会都差不多
◎老师在物理演示实验课上是否经常介绍一些与生活、生产实际密切相关的物理问题？
◎你们的物理老师在演示实验教学中出现过错误或疏漏吗？
A、老师准备充分，这种情况未出现过
B、这种情况很少
C、这种情况很常见
◎在课堂演示实验中老师更重视什么？
A、数据处理与结果B、操作过程C、实验报告
◎物理老师（）组织学生针对演示实验情况进行课堂讨论。
◎对学生错误的回答，老师的反应是（）:
A、提示并引导学生找出正确答案
B、不予评价，提问其他学生直到回答正确
C、自己干脆直接给出答案
D、严厉批评
◎当你在演示实验中发现问题并询问老师时，老师是如何处理的？
A、应付了事
B、只给我自己讲解
C、给全体同学讲解
◎当学生回答演示实验问题不全面或不正确时，老师经常暂停所讲内容转而展开讨论吗？
◎进行物理演示实验时，你最感兴趣的是什么？
A.实验器材B.实验现象
C.实验过程D.以上全部
◎你在每次物理演示实验中配合操作的水平发挥情况怎样？
A、每次都能发挥最好B、多数演示实验中能正常发挥
C、多数演示实验不能正常发挥D没有自己动手做过演示实验
◎对于学生得出的有反常规的实验结果，老师的反应是（）。
A、带领学生分析实验过程查找原因
B、不予理睬
C、怀疑学生不按规程操作
◎在演示实验过程中，当你不能及时配合时，老师的反应是：
A、老师直接做好
B、要求学生想想再做
C、直接换学生换仪器
通过对回收问卷的分析（详见《中学物理实验教学问卷调查分析》），可以发现学生对于物理实验教学的效果、教师的表现还是有很大的期待，很大同学一部分还是想学好物理，在当前的实验教学方面我们得到以下一些启示：
当前在实验教学中仍然存在一些不太和谐的现象，多数教师在实验教学当中还是应付了事，学校实验室的利用率低，教师平时不愿做实验，没认识到实验的重要性，自己喜欢怎样做就怎样做，缺乏严谨的科学态度，导致在有些实验课，教师与学生“井水不犯河水”，老师对实验要求低，对实验的原理、方法、步骤不作规范，实验数据和实验结论的处理不够重视，学生做与不做是一个样，做好与做坏一个样。
以上状况原因分析如下：
1.对物理实验的重要性认识不够。
2.教师和学生的教育观念还没有彻底转变。
3教师对实验的安排、设计不够完善。
4.对多媒体教学的认识误区。
5.教师容易受硬件环境影响，创新意识不够。
通过文献研究，整理国内外关于物理实验在教学中的设计与优化相关资料，在此基础上，结合解决问题的相关理论，针对此环境教学过程中遇到的问题，结合教材设置的内容，确立物理实验教学的设计所要依据的教育原理，运用的教学方法及设计的原则。
如，通过运用数据库进行网络查询，如：
通过一线教师收集资料，所撰写的论文，研究的课题等；
数字图书馆查阅，如360doc个人图书馆、超星数字图书馆；
通过搜素引擎进行网站搜索。
对文献进行分析，查找课题研究所需的理论与方法，确立课题研究可行性及研究和合理性，形成研究方案。
（二）教材内容整合下的典型演示实验优化设计
对教材内容进行分析、整合，将课本中实验及可加入的实验分类，依据实验分类，确定优化设计的研究对象。
经过全组成员的努力，根据设定的设计原则与优化原则，对研究对象进行优化设计。
“探究摩擦力的方向”实验，教材中讲摩擦力的时候，学生对于摩擦力的方向不够明确，教师也只能根据一些现象给学生讲解，学生也只是死记硬背，没有实际经验，也没有实际看到。
依据优化原则，实验现象要直观明显，器材要操作性强且易取得，选择大号鞋刷来改进该实验，方案如下：
把物体放在鞋刷上，毛朝下，向前拉动物体，可以看到物体向前移动，鞋刷的毛朝后弯，如下图，说明地面给物体的摩擦力是向后的。
在演示两个物体之间的摩擦力方向的时候用两个鞋刷，分别固定在两个物体上，使它们的有毛部分相对（就是在两个物体中间），如下图，拉上面的物体，可以看到：
与上面物体固定的鞋刷的毛向后弯，说明上面的物体受到的摩擦力方向向后，与下面的物体固定的鞋刷的毛朝前弯，这就说明了下面的物体受到的摩擦力的方向是向前的。
又如，“证明大气压存在的‘覆杯’实验”原演示实验采用杯口平整的玻璃杯，向杯中注满水，用一张铜版纸（短时间内不会被水浸透）覆盖上面，然后倒置，让学生观察。
实验做完即了事，让学生目
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