魏 华

(北京市第四中学 北京 100034)

在物理实验选修课中开展研究性学习的实验与体会

魏 华

(北京市第四中学 北京 100034)

研究性学习是指在教学过程中，为学生创设一种类似于科学研究的情境和途径，让学生以类似于科学研究的方式去主动获取知识、应用知识、解决问题、获得发展.它是传统课堂教授式教学的延伸和补充.多年来，我们在北京四中高中部开设了“物理实验选修”课，在选修课中开展研究性学习，结合物理实验探索研究性学习对学生能力的培养.

研究性学习 探究能力 物理实验

课程标准中，在对综合实践活动做出规定时，把研究性学习作为必修课的主要内容之一.我们结合学生的实际情况和物理学科的特点，开设了“物理实验选修”，进行了一些这方面的探索.

1 开展研究性学习的必要性和物理实验选修的意义

1.1 开展研究性学习的必要性

长期以来，在必修课的教学中，形成以教师为中心，教师讲授、学生接受的教学模式.这种教学模式有利于知识的传授和积累，有利于课堂教学的组织和实施，有利于学生在已有的知识范畴内解决同类问题.它强调调动学生的积极性，强调课堂教学的精心设计、精心组织、精心实施.在基础教育阶段，无疑这是一种很好的、很重要的教学模式.对学生来说，它能很好地建立起系统化的知识，为将来继续学习打下良好的知识和能力基础.但是与“以德育为核心，以培养创新精神和实践能力为重点”的素质教育要求相比，教授学习型模式还有许多不完善的地方，甚至还有许多弊端.比如，在平常教学中，学生总是跟着教师在思考，教师也总是千方百计地将学生的思路引导到事先设计好的路子上来，这样几年学下来，回顾过去，学生不禁会问：我们学了什么？为什么要学这些知识？这些知识除了参加高考选拔外还能怎么用？这些现实问题一提出，总是让人觉得很泄气，回答这些问题时，教师也会显得底气不足.为了改变这种局面，在我们的课堂上已经发生了一些变化，诸如强调知识的来龙去脉以及在实际中的应用，在某些环节上开始放手让学生自己去探索研究，但这些是远远不够的.在人的一生中最重要的学习阶段承担教育责任的学校，有必要，也有义务自觉地培养学生自主学习的能力，培养他们积极大胆地思维、想象、提问、猜测、探究的意识和能力，培养他们多角度、多方位思考问题的思维习惯.因此，这种研究性学习的开展就提到了日程上来.

研究性学习是以学生的自主性、探索性学习为基础，从学生生活和社会生活中选择和确定研究专题，以个人或小组合作方式进行的学习.通过亲身实践获取直接经验，养成科学精神和科学态度，掌握基本的科学方法，提高综合运用所学知识解决实际问题的能力.它与教授学习型模式有所不同，二者的比较如表1所示.

表1 教授学习型与研究学习型对比

可见，研究性学习与教授学习型模式并不矛盾，它不是对教授学习型的否定，从某个角度讲，后者是前者的一种延伸，一种重要补充.

1.2 物理实验选修的意义

“物理实验选修”是我们开设的一门研究性学习课程.之所以选择这样一个载体，主要源于物理知识的广泛性，物理教育功能的多面性，物理教学中理论与实践的统一性，这些为研究性学习提供了广阔的空间；而实验作为物理学科的基础，也同样是物理知识教学的基础，通过训练有素的实验教学，能使学生在获取物理知识的同时，潜移默化地形成良好的科学素养，如严谨的科学态度，实事求是的科学作风等；同样，只有加强实验教学，才能培养出具有较强动手能力的学生.

在实验教学目标中就有很多与研究性学习目标不谋而合，所以我们选择“物理实验”，还有一个重要目的，就是最大限度地挖掘实验教学对学生各方面能力培养的教育功能.而且这是一个学科内的研究性学习，从某个角度讲也是降低了研究性学习的门槛，便于学生开展，也便于教师研究“研究性学习”的特点.

下面结合开设这门课中遇到的一些问题，笔者将谈一点体会.

2 物理实验选修开设的过程

2.1 物理实验专业知识的学习

研究性学习的课堂上，不是撒开手让学生自己去“玩”.为了顺利进行实验研究，首先还是需要一些专业知识的辅导.

(1)仪器的操作和使用.我们在辅导过程中强调搞清楚每个仪器的简单工作原理、测量原理、测量数据的记录以及仪器本身带来的系统误差.比如在初次使用螺旋测微器时，就让学生将螺旋测微器小心拆开，研究内部构造，从而加深了解它的测量原理和使用规范；在研究自由落体运动时，给每小组发两本产品说明书，一本关于自由落体仪，一本关于数字计时器，让学生自己学会使用.

结果表明，学生对这种方式非常感兴趣，拿到一个新仪器，学生由原来的漠不关心，或“粗暴”操作，等着老师讲怎么用，用完就忘，变为主动地去学，去研究怎么使用.这种意识上的转变其实很简单，就是来自于他自己探索过程中的成就感，但是却很重要.

一旦有了这种兴趣，学生的创造力也将是无穷的.例如研究电容器的放电规律时，传统的方法：将电容器充电完毕，使两端电压达到10 V，开始放电时，同时计时，在到9 V时记录一个时间，到8 V时再记录一个时间……再去拟合、探索电容器两端电压随时间的变化规律.但很现实的一个问题，当你记录电压降到9 V的时间时，读数，记录，再抬头已经过了8 V，于是得重新充电到10 V，再记录到8 V所用的时间，这种方法进行的实验，一次数据采集需耗时达半个小时，而且由于初始状态有一定的差别，实验数据不是很理想.后来有学生去体育老师那儿借来秒表，这种秒表的特点是一次能连续记录99个数据！然后学生坐在那，电容器开始放电，到9 V时，摁一次，到8 V时，摁一次……整个实验下来，4～5 min完成.这种创造力是学生的特色，他们是一张白纸，所以能不拘泥于传统，在研究课上他就可以尽情发挥他们的创造力，当然，前提是有一定的专业知识.

(2)Excel处理数据.实验中很让学生犯怵的就是实验数据的处理.学生对实验的热情，往往会由于数据的处理繁琐、数据结果的偏差而逐渐丧失掉.而实验选修中很多是需要大量记录、处理数据的，于是我们结合学校的条件和学生自身的素质，大胆地在实验数据处理中引入Excel和Matlab，利用它们进行数据拟合.我们教给学生关于实验数据处理的方法，数据误差的分析，以及一些电脑方面的知识，然后由学生自己探索使用.在初期使用过程中，甚至有一阶段，学生“迷恋”这种处理方法而自己主动要求做一些额外实验，取得一些数据，然后利用电脑处理.

利用电脑辅助处理数据还有一个好处，就是可以把学生解放出来，更多地去思考如何设计实验，提高数据质量，这些是学生最关注的.也有人会问：这样做会不会让学生没真正经历其中的过程，而丧失某些应该培养的能力呢？我想这些担心不无道理，但也应该看到，相对能提高学生积极性、兴趣，能使他们有精力一直专注于实验来说，这点损失还是值得的，而且在课堂实验中，这点损失完全可以被弥补.

2.2 平常研究课程模式

在平常的选修课上，我们采取的模式是：教师精心创设情境，启发引导学生参与，形成实验方案，学生完成实验数据采集、处理，最后得出实验结论.也就是“提出问题(研究专题)-探索研究-总结提高”过程.

举两个例子来说明.

实例1：给一个长木板，一个方木块，一把米尺.要求粗略测量木块与木板之间的动摩擦因数.

生甲：如图1所示，将木块置于长木板上，然后将木板逐渐倾斜，直到木块开始滑动，此时木块受到的滑动摩擦力，大小等于重力沿木板方向的分力，即

μmgcosθ=mgsinθ

得到

μ=tanθ

图1 实验设计方案

生乙：刚开始滑动时，应该是木块受到的最大静摩擦力等于重力沿木板方向的分力，所以你只能由这种方法得到最大静摩擦力.根据最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，可以将刚才的板略放平一点，给木块一个初速度，目测大致能匀速直线运动，则此时重力沿木板方向的分力才等于滑动摩擦力，即μ=tanθ.

(众人纷纷赞同后面同学的说法)学生甲举手要求继续回答.

生甲：我觉得我那种方法也行，因为最大静摩擦力只是略大于滑动摩擦力，它引起的误差与你目测的误差应该差不多，所以我那种方法也行.

(众人中部分学生被他说服，开始互相争论，场面激烈)

师：很好，这两位同学的想法都很好，那我提示同学们，最大静摩擦力也与接触面粗糙程度有关(场面安静下来)，与动摩擦因数一样，有一个静摩擦因数(这个知识，课本不要求，学生没学)，同学们可以去图书馆查查相关资料，然后想想甲、乙这两位同学的方法分别测得是什么量.至于二者谁更接近于实际值，这一点大家在做完实验后，再去思考这个问题.另外一个问题，如何测tanθ？

(思考片刻)

然后由学生自己做实验完成，最后完成实验报告.

实例2：研究单摆的摆动.

提出问题：一个单摆，让它做小幅振动，给大家一块秒表，请你测出悬点到单摆小球球心的长度.

(众人纷纷做钦佩状)

师：很好.(摆出不同摆长的单摆，并让它们摆动)可以看出，不同摆长的单摆，摆动快慢是不同的，很显然摆长越长，周期越大.那现在的问题是，如果我不知道周期公式怎么办？

刚刚兴奋的学生又陷入思考，这时有学生举手.

生丁：可以先找周期与摆长的关系，取不同的摆长，测出周期，然后利用Excel找它们的关系.

师：很好，今天的实验题目就是“探索单摆做微小摆动时周期与摆长的关系”要解决的问题，就是这个单摆摆长……

学生的作业举例：学生所测数据如表2所示，作业的图像如图2所示.

表2 单摆的实验数据

图2 关系图像

以上是我们在平常训练时的两个小片断：一个是学生已有的知识，有关摩擦力.静摩擦力，最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系，比如说最大静摩擦力比滑动摩擦力略大，但又在计算中总是忽略它们之间的差别，那么到底二者差多少？这实际上也是很多学生学完后的疑惑.一个是未学的知识，有关振动周期.要想解决提出的问题，就会要求学生自己去查书，提前研究相关知识；要求学生去设计解决从没研究过的问题，而且这个实验也有一定的难度，属于“跳一跳，够得着”的类型，会让学生很有成就感，能很好地激发学习兴趣，训练动手解决实际问题的能力.有关单摆振动还有很多可研究的地方，比如不规则单摆测重力加速度，不同摆角下周期与公式中计算出的周期的关系等等，都在后面的课中，或由教师提出，或由学生提出进行了实验.

2.3 自主选择研究性课题开展研究

在学习一个阶段后，我们会让学生自主选择一个课题开展研究.基本模式：学生提出课题+讨论可行性+列(仪器)清单=独立完成实验，得出结论.

开始时，很多学生提出了一些很难完成，或不太切合实际的题目.如研究刀从高处下落，扎在西瓜上，研究西瓜对刀的阻力作用.很有创造性的题目，我从没想过西瓜还可以用来做实验！不过，这个实验还是很困难的，比如如何保证刀刃朝下进入西瓜而不会偏出，或不会扎进去，如何测量进入深度，如何讨论各部位进入深度不同等等因素.

笔者想好的课题应该具有以下特点：课题具有价值性、明确性、创新性、可行性.对于低年级学生来说，可行性、明确性是最重要的！

师生共同确定的几个课题：

(1)研究向心力演示器；

(2)用气垫导轨测重力加速度；

(3)梁的弹性形变量与所受压力的关系;

(4)电压表和电流表的改装；

(5)测定溶液的电阻与物质的量浓度的关系；

(6)组装望远镜.

这些课题有的是由上课老师一句话，学生们想到的.比如“测定溶液的电阻”，就是上课时学生听化学老师说了一个想法，于是在物理课上提出.当时笔者一听到这个题目，眉头一皱，“愁”上心来！觉得很难，觉得这个题目有点大，因为溶液导电性能与太多因素有关，跟实验选材、方案、测量工具都有一定关系.经过充分讨论，把题目定小了一点，定性讨论“测定溶液的电阻与物质的量浓度的关系”，为这个实验，学生不断请教化学老师、物理老师、实验员，看书，查资料，克服重重困难，研究出了一些成果，并在全校交流会上做了很好的发言.再如“研究向心力演示器”，这个题目也很好，很适合，学生就是想知道这个演示器是怎么工作的，有什么优点好处，及哪些可以改进的地方，最后学生还类似地提出可以采用液压+连通器的原理，设计出一个新型演示器.

在整个过程中，我们发现现在的学生比较注重课题的价值性，经常会在讨论中问，“你做这个有什么意义吗？”那个提出课题的学生也早做好准备，有条不紊地说出一个一个好处、前景.其实这些也只是他们一个比较美好的想法，并不是我们的目的所在，研究性学习更重要的是“体验过程”，结论只是附产品，所以当有一个学生被大家追问得无法回答时，笔者会抢过话题说，“最大价值就在于这个课题能提高我们解决实际问题的能力，提高我们的动手能力”.

3 结束语

从一个学年“物理选修”课来看，研究性学习还有很多是需要我们去探索研究的，不过它对我们师生的要求还是很明确的.它要求学生有兴趣(包括对研究性学习和选修的课程)、能认真对待、能面对困难敢于迎难而上，在此基础上，才能积极参与、自主学习、独立思考.它要求学生有敏锐的观察与思考能力，要有搜集与积累资料的能力，要有综合运用各科知识解决实际问题的能力，要有一定的人际交往能力和合作精神——这些同时也是我们开设它的根本目的.

它要求教师有超前的教育观念，快速接受新知识的能力，高超的教学技能：能充分发挥学生的全体作用的能力、能熟练使用现代教学手段的能力、娴熟的德育技能，具有开拓创新精神和较强的科研能力.这些也是我们实施过程想要提高的.

在“研究性学习”的过程中师生双方的收获都是很多的，我想所谓“教学相长”就是这个道理了.“研究性学习”也确确实实是一项很值得研究，很值得付出的工作.

1 刘建华.构建“自主创新学习”教学模式.教育实践与研究,2001(11)：5～7

2 刘彬生.高中物理选修实验课本.北京：教育科学出版社，1993.9

3 王兴乃.高中物理实验大全.北京：电子工业出版社，1988

2016-05-10)