高中物理探究性实验教学思想方法的研究.docx
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高中物理探究性实验教学思想方法的研究
高中物理探究性实验仿真教学方法的研究
摘要：
高中物理新课程标准越来越重视培养学生科学探究方法，自主学习能力等科学素养的培养，促进他们养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题。
对于物理概念和规律的学习可以通过老师的讲解，然而往往达不到一种理想的效果，如果在物理教学中能适当运用计算机仿真软件，对物理的研究问题进行直观的仿真，一方面可以加深学生对于基本物理概念和规律的认识，另一方面生动形象的仿真演示效果能促进他们的记忆，知道物理问题的本质，同时还能激发他们的好奇心与求知欲，以及他们的探索精神和动手能力，这有助于培养他们坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神。
本文课题通过充分的思考探究、总结反思，运用调查法、数据分析等方法，努力探索如何把计算机仿真与高中物理有机结合起来。
完成了高中物理中与计算机仿真有关的模型构建，教学实践尝试，形成了比较完善的按照学生个体差异分层适度应用的教学手段，通过课堂实践使得抽象的物理问题和规律更加生动和形象，提高了学生的空间想象能力、培养了学生学习的兴趣，丰富了教学手段。
1、课题的提出
（1）背景及意义
在知识经济时代，创新能力已日益显示其独特的地位和价值，创新决定着一个国家和民族的综合实力和竞争力。
“教育具有开发创造精神和窒息创造精神这样的双重力量”。
我国历史上曾有过四大发明为代表的农业文明，但近现代以至当代，无论在自然科学界还是在人文科学方面都未跻身于世界第一流的行列。
究其原因，除特殊的政治历史原因和根深蒂固的思维方式外，教育本身的落后，也是没有培养出大量的创造性人才的主要原因。
纵观各国的教育改革，其发展的趋势是：
强调学生在教学中的主体地位，注重调动学生学习的主动性和积极性，强调培养学生的创新意识和探索能力。
在国外，20世纪初杜威把“实验的探究法”引入教育领域；美国心理学家布鲁纳提出“发现学习教学”；20世纪50年代，美国芝加哥大学施瓦布教授在“教育现代化运动”中倡导“探究式教学”。
在国内，上海师大附中提了，“引导发现法教学”；南京金陵中学从98年开始进行研究型课程程探索和实践；上海市教科院普教所组成课题组于99年提出“研究性学习”的概念，并阐述了研究的思路和框架。
在我国新的高中物理教学大纲中明确提出：
要“使学生受到科学方法的训练，培养学生的观察和实验能力、科学思维能力、分析和解决问题的能力”，“要鼓励学生具有开拓意识和创新精神”，并且要求“必修和限选物理课设置适合于高中学生的课题研究，培养学生独立地研究问题的初步能力”。
然而培养学生的创新意识和初步探索的能力却是我国高中物理教学的薄弱环节。
在许多中学中，“重教轻学”和“重知识轻技能”的传统教学观仍未得到彻底转变，授受式教学模式仍然占据主导地位。
教学只重视教师的主导作用，忽略调动学生学习的主动性和积极性；只重视传授和学习系统科学知识，忽略学生智力的发展和能力的培养。
物理实验教学中重验证性实验轻探究性实验、重按部就班操作轻探索的现象尤为明显，培养出来的学生缺乏独立思考和创新精神，不能适应时代和社会发展的要求。
以上现象产生不仅与教师的教学思想、观念和方法有关，而且与物理教材中物理实验的实验类型设置比例有关。
为此，高中物理新教材中添加了课题研究的内容，并增加了探究性实验的数量，以弥补原先的不足。
探究性实验在激发学生的学习兴趣、训练动手操作能力，特别是在培养学生创造性思维能力和科学态度方面有着很好的作用，她是学生理解科学探究的重要途径。
因而引起广大物理教育工作者的广泛关注。
林桐绰同志对初中物理探究性实验进行了探讨；刘炳升教授在《中学物理实验教学研究》一书中给出13个高中物理课外探究性实验的具体设计，并在《科技活动创造教育原理与设计》一书中给出一些探究性实验案例与教法。
然而探究性物理实验还有待于进一步研究，比如，探究性物理实验有何特征？
其教学组织形式是怎样的？
如何设计这种实验？
所以本研究定位于高中物理探究性实验设计与实践。
（2）国内外关于同类课题的研究综述
（3）理论依据
1、实验是由物理学科的基础性决定
运用实验的目的主要在于给学生创造一个学习环境，能促使学生主动获取物理知识和发展能力，提高学生科学品质，其本身就是物理教学不可分割的一部分，尤其是运用实验进行探究的过程及方法，更是物理教学的核心所在，如果仅靠简单的语言展示本应通过实验等实践活动体验得出结论，其本身就违背了物理学的科学方法，正如一个游泳教练教学生学游泳时，只注重理论传授而不引导学生下水体验一样是不可想象的。
实验是一种有目的、可控制的理论联系实际的活动，这种活动能有效体现理论与实践的关系。
首先能较好的弥补学生亲身体验的不足和学生个体间体验的差异。
例如在教学失重超重知识时，在举例乘电梯的失重超重感受时，由于学生大多来自农村，除极个别曾经乘过或去游乐园玩过的学生外，基本没有直接感受过，而接着改用可乐瓶装水来演示失重现象获得了较好效果，然后又用体重计请学生演示上下蹲时观察体重计示数变化来体验超失重现象。
其次，实验能再现事物的本质特征。
由于学生原有的体验或生活经验许多只停留在表象，有时会形成一些错误认识，使学生难以发现事物的本质特征，从而造成类似亚里士多德式的误区。
因此，必须排除次要因素的干扰，运用实验加以简化和纯化以再现事物本质。
如教学中重现斜面理想实验来说明力不是维持物体运动的原因；运用两把鞋刷演示说明传送带上物体在加速时和随传送带一起匀速运动时所受摩擦力情况；运用玻管抽气演示实验再现不同物体下落快慢现象的本质特性，可见实验在教学中具有其他手段无法替代的作用。
2、实验探究符合学生的认知发展规律
从认知角度看，学生的学习是一种复杂有规律的认识活动，而物理学习的认识过程是学生和物理环境相互作用的过程，物理学习始于物理环境对学生的刺激，学生从物理环境中接受刺激主要有自然现象、实验现象及具体任务等感性信息，然后经过思维的感觉、知觉、表象三个加工过程，使得学生对物理事实、现象及过程有生动、具体的感性认识，从而挖掘出有待探究的问题，完成从感性到理性的认识，具体到抽象的飞跃，然后再通过解决问题实现思维从抽象到具体。
可见学生学习知识必须经过一个科学的简约再生产过程。
基于上述认识，教学中应创设一个以学生为主体的探索物理环境，让学生在物理环境中受到全面的思维训练，而探索物理知识及解决问题最适当的物理环境就是实验，对此，在教学中我们深有体会。
例如，在传授静电平衡知识教学中，学生对带电物体电荷分布在表面难以理解，即在认知上表现为难以顺应，这时教师做好法拉第圆筒实验一下子就把学生疑惑解决了。
又如在平抛运动中有一个典型题：
雨伞半径为r，边缘高出地面为h，让雨伞以角速度旋转w，使雨点从边缘甩出落到地上，求雨点在地上所形成的半径？
教学中发现有相当多同学认为半径就是平抛运动水平位移，有一次在教室里我发现有一把雨伞当堂进行了演示，问题马上得到解决。
因此用实验探究是教学的理想方式。
3、实验探究符合学生的心理特征，能充分体现学生为主体的思想
心理学研究告诉我们，人的各种活动都是由一定动机引起，兴趣是学习中最现实、最活跃的动机成份表现形式，是推动学生主动获取知识、不断求真而带有情感色彩的意向活动。
所以，激发兴趣是整个教学程序中的重要一环，而物理实验能有效激发学生的直觉兴趣、操作兴趣及探索兴趣，其中探索兴趣是探索事物变化因果关系应用理论解决实践问题的兴趣，这种兴趣必须在主动探索的活动中发展。
同时学生的主体性只有在活动中通过活动来表现，在教学过程中学生的主体活动既包括实物的操作活动，又包括内部的思维操作活动及相互交往活动。
运用物理实验进行探究教学能为学生的自主活动、和充分发展创造有利条件，通过把空洞枯燥的“无理课”上成具体生动、有血有肉的探究课，使学生在尝试、探究过程中找到个人的“自由发展区”。
2、研究目标、研究内容、方法及研究步骤
（1）研究目标
通过先在计算机上对物理实验进行建模分析、验证，然后再去实验室做实验的方法来提高他们的动手能力，这有助于减少他们的实验错误，从而保证他们的人身安全。
把计算机仿真物理实验应用于课堂辅助教学，有助于学生对于物理问题及物理规律的认识，不再像传统物理教学那样抽象难懂，对知识的掌握仅仅处于一个想象阶段，不够具体形象化，利用计算机搭建物理实验模型，不仅可以得到一个形象直观的物理现象，而且可以加深学生对物理现象本质的认识，还能利用学过的物理知识去分析。
同时帮助学生构建物理实验模型还能培养他们的动手能、分析问题、解决问题的能力，此外还可以弥补有些学校由于物理实验硬件不全没法实验演示的弊端，在物理试验中有些理想实验在现实生活中是不能完成的，利用计算机去进行物理实验仿真可以避免这些问题，有助于提高了学生的空间想象能力、培养了学生学习的兴趣，丰富教学手段。
（2）研究内容
1、通过制定科学的调查量表调查中学物理实验教学现状，找出实验教学中存在的问题；
2、调查学生学习物理的的困难；
3、探索探究性实验的设计、教学的途径和方法；
4、总结探究性实验教学的原则。
本课题研究的重点是：
探索探究性实验的设计、教学的途径和方法
（3）研究方法
1、文献检索法
对于课题的研究方向和内容，利用网络检索、文献检索、查阅图书、咨询专业人士等途径，收集与研究内容和方向相关的参考文献和信息，通过分类整理，归纳，研究，为课题的研究和实践提供科学的理论思路和指导意义。
2、问卷调查法
规划并制定与研究方向和内容相关的问卷调查表，通过对学生和教师进行问卷调查的方式来来收集一些参考资料，通过对问卷调查资料的整理、分析来了解研究内容的当前状况和村在的问题。
为课题的研究和实践提供科学的指导意义。
3、个案分析法
以某个高中物理某个知识点为例，详细介绍一下教学思想方法的设计和课堂教学探究，并分析探究结果。
3、研究结果分析
（1）高中物理探究性实验学习状态调查分析
1、数据分析
2、问卷反映的问题
（2）高中物理探究性虚拟教学的设计
图一高中物理探究性实验虚拟教学的设计
高中物理计算机仿真式教学是利用利用计算机来模拟物理现象和一些物理规律，通过对物理现象和规律的展示，来培养学生的科学探究过程，如观察、描述、猜想、验证、实验、分析和说明等促进学生发展。
高中物理计算机仿真式教学的目地是让学生经历“提出问题、猜想和假设、设计实验、分析试验、验证假设，得出结论”的科学探究过程，这种模式的教学过程如下：
首先，教师通过日常生活中的一些物理或者通过回顾以前学过的知识，引导学生的进行思考产生这些现象的原因，激发学生的好奇心，从而引入本节课要学习的新知识。
在讲授新课之前把本节课要学习和掌握的知识点整理成问题，让学生通过探究式问答的形式进行新课学习；然后，根据提出的问题进行假设，再利用计算机搭建物理想象和规律模型，这些模型可以是对比展示模型、模拟演示模型、直接展示模型等。
向学生呈现计算机搭建的模型，可以通过以学生个体为单位或者分组讨论的形式去引导学生观察和发现这些模型中反映出来的问题，在把他们观察到的东西整理表述出来，从而验证其与假设和猜想是否正确；最后，由老师对学生的结论进行完善和补充，再次回顾仿真物理模型加深对知识点的影响，帮助学生由抽象思维到具体思维，再从具体思维到抽象思维的深化。
从而培养学生利用物理知识来解释生活中的物理想象和把物理知识变为生活实际的能力，达到学以致用的教学目的，取到良好的教学效果。
在探究性计算机仿真教学过程中，教师通过教学系统设计克服了传统教学以课本为中心，教师为主导的弊端，将教学活动的设想建立在系统的科学基础上，利用现代信息技术为工具，不仅可以提高教师的教学水平，还能锻炼他们科学的研究素养，为他们以后在教育教学的研究中做铺垫，同时还能培养孩的观察能力、动手能力、归纳总结能力、表达能力。
帮主他们养成良好的发现问题、分析问题、解决问题的能力。
（3）高中物理探究性虚拟教学设计案例
本节选自中学物理人教版第四章第二节《实验：
探究加速度与力、质量的关系》，本节知识是高中探究式教学的典型，对于培养学生科学的发现问题、分析问题、提出假设、验证假设、得出结论的科学素养具有重要的示范作用。
根据新课程总目标培养学生学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题的要求设计了如下教学过程。
计算机仿真物理教学设计
教学环节
教师活动
学生活动
教学资源
效果
引入新课
1、上一节课中我们学习了牛顿第一定律，请问那位同学知道牛顿第一定律的具体内容呢？
2、那么有牛顿第一定律可知，当物体所受和外力不等于0时，物体会发生什么变化？
3、运动状态的变化表现为什么？
1、一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态。
2、运动状态发生变化
3、运动的方向发生改变、运动的速度变慢或者变快
向同学们展示利用计算机构建的牛顿第一定律展示仿真
再次让学生门体会到力是使得物理改变运动状态的原因，而不是维持物理运动的原因
总结：
力使得物体的运动速度发生了改变，由此可知，力是产生加速度的原因，为什么呢？
因为加速度是描述物理速度变化快慢的物理量
讲授新课
1、提出
问题
1、水平面上放着两个形状、大小、质量相同的小车，让一个8岁的小孩和一个25岁的大人分别同时推动这两个小车，这两个小车会发生什么变化？
2、在水平面上放着两个形状、大小、质量相同的小车，其中有一辆车是空的，另一辆小车里面装满了泥土，现在让一个25岁的大人分别推动这两辆小车，会发生什么变化？
3、物体的加速度a、外力F、质量m它们三者之间有没有关系，关系是怎么样的呢？
2、猜想与
假设
1、25岁的大人推动的小车比个8岁的小孩推动的小车运动的快。
2、空的小车运动的快。
3、当物体的质量m不变时，加速度a随合外力F的增大而增大；当物体所受合外力F不变时，加速度a随合和质量m的增大而减小；三者关系假设为：
a=F/m
3、利用计算机仿真进行展示
对于猜想3我们利用上图所示的实验装置，小车的质量为500g，并且可以随意改变小车的质量大小，勾码的质量分别为10g，可以随意改变勾码的质量大小打点计时器为6v交流电，采用斜坡的目的是因为：
当小车匀速下滑时，沿斜面向上的摩擦力与沿斜面向下的重力分量相等，小车所受合外力为勾码的重力。
充分利用计算机搭建的物理模型，直观、形象的向学生展示物理现象，帮助他们观察和理解物理原理。
学生可以身临其境的体会到实验过程，培养了学生的观察能力、思维能力、操作能力、分析能力。
4、实验数据的分析和处理
1、通过对大人和小孩推形状、大小、质量相同的小车的观察，同学们发现了什么？
2、通过对大人推形状、大小、质量相同的空小车和装满泥土的小车的观察，同学们发现了什么？
3、在装置中让小车总质量为500g，勾码质量分别为30g、50g、70g做三次演示，得到三个纸袋带，分析这三条纸带，分别求出其加速度，完成下表，以和外力为x轴，加速度为y轴画出曲线。
（1）在合外力为0.3N，小车质量为0.5kg时的纸带
（2）在合外力为0.5N，小车质量为0.5kg时的纸带
（3）在合外力为0.7N，小车质量为0.5kg时的纸带
4、在装置中让小车总质量分为300g、400g、500g，勾码质量为10g做三次演示，得到三个纸袋带，分析这三条纸带，分别求出其加速度，完成下表，以质量为x轴，加速度为y轴画出曲线。
（1）在合外力为0.1N，小车质量为0.3kg时的纸带
（2）在合外力为0.1N，小车质量为0.4kg时的纸带
（3）在合外力为0.1N，小车质量为0.5kg时的纸带
5、通过对实验数据的分析，同学们可以得出物体的加速度a、外力F、质量m它们三者之间有没有关系，关系是怎么样的呢？
我们的假设正确还是错误？
1、25岁的大人推动的小车比个8岁的小孩推动的小车运动的快。
与猜想和假设一致。
2、空的小车运动的快。
与猜想和假设一致。
3、在合外力变化，小车质量为0.5kg不变时的纸带，根据纸带计算的加速度
序号
加速度
质量
和外力
1
0.61
0.5kg
0.3N
2
0.95
0.5kg
0.5N
3
1.26
0.5kg
0.7N
4、在合外力为0.1N不变，小车质量变化时的纸带，根据纸带计算的加速度
序号
加速度
质量
和外力
1
0.33
0.3kg
0.1N
2
0.25
0.4kg
0.1N
3
0.2
0.5kg
0.1N
5、当物体的质量m不变时，加速度a随合外力F的增大而增大；当物体所受合外力F不变时，加速度a随合和质量m的增大而减小；三者关系假设为：
a=F/m
通过实验也验证了我们假设的正确。
通过对实验平台的搭建，能够有效锻炼学生的动手能力及计算机操作能力，通过对实验数据的处理，能有效锻炼学生的逻辑思维能力，分析数据、解决实际问题的能力。
实验总结与
验证假设
1、通过对大人和小孩推形状、大小、质量相同的小车的观察，我们发现力大的物体速度变化的要快些，力小的物体速度变化的要慢些。
说明加速度的大小与物体所受合外力有关，合外力越大速度变化越快。
2、通过对大人推形状、大小、质量相同的空小车和装满泥土的小车的观察，我们发现质量轻的物体速度变化的要快一些，质量重的物体速度变化要慢一些。
说明加速度的大小与物体的质量有关，质量越小速度变化越快。
3、当物体的质量m不变时，加速度a随合外力F的增大而增大；当物体所受合外力F不变时，加速度a随质量m的增大而减小；三者关系为：
加速度与合外力成正比，与质量成反比，即：
a=F/m，通过实验也验证了我们假设的正确。
4、实验数据存在误差，主要是因为实验次数太少，如果每次仿真实验可以多做几次，然后取平均值，仿真效果会比较好。
再次演示实验
将仿真过程中需要注意的事项向同学们展示，再次通过计算机仿真加深他们对知识的理解。
利用计算机展示
强化记忆，加深理解
课堂总结
本节课主要是利用计算机物理仿真实验平台与探究式教学相结合，采用控制变量发和图像研究法来让学生们探索物体的加速度a、外力F、质量m它们三者之间的关系，充分发挥学生的主体，教师的主导地位，让学生在轻松愉快的虚拟现实环境来学习新知识，探索新领域。
希望通过本节课的学习来培养学生养成发现问题，析问题，提出假设，验证假设，得出结论的科学探索素养。
为他们的以后的学习奠定基础。
培养学生养成发现问题，析问题，提出假设，验证假设，得出结论的科学探索素养。
为他们的以后的学习奠定基础。
作业布置
布置与本节课密切相关的课后习题
强化知识，帮助掌握
四、研究成效
（一）提高了物理教师的教育教学水平
1、丰富了物理教学的多样性和趣味性
对于物理概念的学习是很枯燥的，特别特别是老师在课堂上讲解一些抽象难以想象的的物理概念时，往往会造成学生由于听不懂或者难以理解失去对知识的兴趣，时间长了会造成学生注意力下降，对老师失去兴趣，学习成绩降低。
为了避免这些问题的出现，除了要具备良好的教学素养外，还学要我们能合理利用一切可以帮主学生学习的教学资源，传统的教学资源是实验器材，实验器材在教学中的应用有助于学生提高学生的动手能力，观察能力。
对于物理教学起着非常重要的作用，由于计算机技术的飞速发展，多媒体被广泛应用于课堂教学，起到了重要作用，近几年来由于软件工程的发展，越来越多的教学软件被带入了课堂，这些软件的引入，进一步丰富了课堂教学，他们的功能更加强大，可以模拟日常生活中常见的物理现象，以直观形象的动画方式向学生们展示物理现象的本质，打破了传统教学的枯燥。
图文并茂的教学方式让我们的课堂更加的多样性和有趣，不仅降低了老师对于有些物理现象教学的难度，也大大提高了教学效率。
学生们也不再为某个看不见的、抽象的物理想象叫苦。
对于那些对物理比较感兴趣学生，也可以利用计算机仿真搭建自己的模型，通过仿真去验证自己的结论，从而在娱乐中达到学习目的。
2、提高了教师实践能力
由于中国的教育特点传统的物理教学还是采用老师讲授的方式，这是方式的优点是学生可以系统的学到物理概念和知识，缺点是不利于对抽象的物理现象的理解，有些物理现象光凭学生的想象很难想象出真实的物理场景，因此物理中有一些经典实验，通过实验教学，可以使得同学们直观形象的观察物理现象，通过老师对物理现象的分析，把物理知识和日常生活中普遍存在的物理现象联系在一起，有助于学生对物理知识的理解和深化。
但是由于教学条件的限制，比如仪器设备不足，往往是数个实验同时开设，学生轮流做，这既增加了教师的工作强度，也影响到实验效果；有些物理实验耗时较长，对于实验中遗漏的细节，无法回头观察，而且实验操作一般只做一遍。
不易形成深刻的记忆。
利用计算机物理仿真教学就可以弥补这些不足，它不受教学资源的限制，也不受时间和地区的限制，他们把复杂的物理现象简单的呈现在学生面前，也能把长时间的物理现象变短，把短的物理现象变长，能把微观的物理现象宏观化，也能把宏观的物理微观化，一方面有助于学生对物理现象的观察，另一方面也有利于提高教师的教育教学水平，教师在利用仿真去进行物理教学过程不仅要构思整个教学活动的顺序，什么时候该给学生们呈现物理现象，怎么去呈现等问题都是教师再进行教学设计时要斟酌的问题。
同时计算机与教学的结合，有助于教师们更加熟练的掌握多媒体技术，不断的去学习，探索更多的教学方式，真正借助于计算机把我们的课堂变得更加有趣。
（二）提高了学生学习物理的效率和能力
1、提高了学生学习物理的兴趣
物理这门课程与生活联系十分密切，物理上的有些概念十分抽象，再加上长期以来一直恪守的被动地接受教师知识传输的学习方式，即偏重于机械记忆、浅层理解和简单应用的学习方式，使得部分同学难以理解一些深奥的物理名词、规律、现象，往往使得到多数同学不喜欢物理，物理成绩不高等现象。
为了能提高学生对学习物理的兴趣，物理老师们借助于一些物理器材、多媒体来构建一个理想的物理场景，希望通过物理场景让学生理解物理现象，有些物理现象在现实场景中不能模拟，多媒体更多的是向学生们展示物理现象，不能让学生进行实际操作，虽然他们都存在一些弊端，但是在教学上对于提高学生学习物理的兴趣上都起到了一定的作用。
物理计算机仿真平台的应用结合了这两者的优点，它不仅能克服传统实验没法模拟的场景，还能让学生自己去进行探究式学习，通过分析问题、提出假设、搭建实验平台、验证假设等一系列活动来自主进行学习，同时还能激发学生学习物理的活力和兴趣。
2、提高了学生的动手能力和全面发展
在传统物理知识教学中，学生往往对预习不够重视，导致学生在学习过程中的对于本节课的目的性和对课程的重点、难点不重视，产生了简单的物理学习方式，仅为完成本节课听讲的任务的现象，而不是从课程目的，课程重点、难点出发进行对物理知识的学习、理解和记忆。
此外，往往达不到理想的学习效果，时间一长就失去了对物理学习的兴趣，某些物理课程比如“牛顿第二定律”的难理解、综合应用深等问题给学生造成了很多困扰，加上学生不认真的学习态度不利于培养他们观察、发现、分析、解决问题等能力。
计算机仿真平台模拟了一个逼真的、强交互性的理想物理环境，在其中，学生可以通过鼠标和键盘自由地进行各种物理场景的搭建。
通过对物理场景的模拟、观察、分析可以起到更好学习效果。
计算机仿真实验平台将物理知识设计成形象、直观的操作软件，让学生在计算机上模拟操作。
不仅可以培养学生做实验的能力，还能提高他们的动手能力、良好的科学素养能力。
这种模式使学生对物理过程有了形象具体的认识，激发了学生的学习兴趣，对于事先没有仔细预习的同学，还能起到加强预习效
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