淺論物理課堂實驗的探究質(zhì)量評價的定性描述教育論文
物理課堂中的探究實驗是學(xué)生主動獲取物理科學(xué)知識、體驗科學(xué)過程、領(lǐng)悟科學(xué)方法的重要學(xué)習(xí)活動,其作用主要是能讓學(xué)生的學(xué)習(xí)方式實現(xiàn)從被動接受(驗證公式、規(guī)律,使學(xué)生信服)到主動獲取知識(建立概念、規(guī)律,主動建構(gòu))的轉(zhuǎn)化,而要達到這一目的很大程度上取決于實驗的科學(xué)探究質(zhì)量和教師的教學(xué)效率。在我們的教學(xué)實踐中,不難發(fā)現(xiàn)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(zhì)量高低就值得我們做深入的思考。
一、理論基礎(chǔ)及架構(gòu)
物理實驗是既是科學(xué)家科學(xué)研究過程的濃縮和再現(xiàn),也是學(xué)生重演科學(xué)發(fā)展歷程體驗科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程的重要手段,更是學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的有效途徑。
早在20世紀初美國教育心理學(xué)家杜威就提出:“教學(xué)法的要素和思維的要素是相同的。這些要素是:
第一,學(xué)生要有一個真實的經(jīng)驗情境——要有一個對活動本身感興趣的連續(xù)的活動;
第二,在這個情境內(nèi)部產(chǎn)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(yīng)用檢驗他的觀念,使這些觀念意義明確,并且讓他自己發(fā)現(xiàn)它們是否有效�！�
評價課堂實驗的探究質(zhì)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(huán)環(huán)相扣的,有趣的情境激發(fā)產(chǎn)生有價值的問題,必要的知識儲備引導(dǎo)得出有效的方法,有質(zhì)量的操作會檢驗自己的觀點的真?zhèn)?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(biāo)準的研制
筆者根據(jù)以上理論對物理課堂實驗的探究質(zhì)量的評價體系的若干維度的構(gòu)建做了初步的思考:情境的營造和設(shè)計;問題的產(chǎn)生和形成;方案的提出和完善;操作的有效性和科學(xué)性;數(shù)據(jù)的記錄和處理;實驗的總結(jié)和改進。
1.情境的營造和設(shè)計
教育心理學(xué)認為,學(xué)習(xí)應(yīng)該發(fā)生(或被置于)在真實場景。強調(diào)通過擬真的問題情境創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生理解和掌握知識及技能的“實習(xí)場”,以避除以往從學(xué)校獲得的往往是無法遷移和應(yīng)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(xiàn)象的實驗中,教師要求學(xué)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(xué)生不具有新鮮感,難以激起探究的興趣。筆者是這樣創(chuàng)設(shè)情境的:讓幾個學(xué)生手牽手與自感線圈并聯(lián)再與3~4節(jié)1.5V的干電池并聯(lián),當(dāng)電鍵閉合后再斷開時,學(xué)生的手明顯感到被電麻。問題自然生成:為什么小小的幾節(jié)電池(遠比36V安全電壓低)會產(chǎn)生如此神奇的威力?小小的實驗向大家呈現(xiàn)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(fā),探究動力也就被提起。
(2)真實性。實際的教學(xué)中,我們有時是把物理實驗搞成了純科學(xué)內(nèi)容的抽象講解或探究,遠離了學(xué)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(chuàng)設(shè)和背景的有效鋪墊,縮短教材和學(xué)生之間的距離,從學(xué)生感興趣甚至有爭議的內(nèi)容出發(fā)。使學(xué)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(fā)并滿足學(xué)生需要的水平層次。在彈性碰撞教學(xué)中,我們設(shè)計用雙線擺,擺球由兩個質(zhì)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(dāng)左球返回碰撞后,右球又彈起,如此反復(fù),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(xué)生躍躍欲試,迫不及待地希望通過數(shù)學(xué)分析來破解其中的秘密。
2.問題的產(chǎn)生和形成
探究源于困惑。美國心理學(xué)家斯滕伯格將發(fā)現(xiàn)問題的能力作為創(chuàng)造性智力的根本,認為它是成功智力中的關(guān)鍵要素。
(1)自主性。問題或任務(wù)大多是由教師指定的,但最好是由教師和學(xué)生共同選定或?qū)W生自主確定。
(2)生成性。在探究學(xué)習(xí)過程中,新的問題和困惑也會不時出現(xiàn)。問題除了事先預(yù)定的外,還有的是在研究過程中即時產(chǎn)生的,因為問題的目標(biāo)、初始條件或可能的轉(zhuǎn)換往往是不確定的。
(3)階梯性。實際上是對探究任務(wù)的明確,也是對相關(guān)任務(wù)的分解,問題的難易、主次、先后等等的思考能夠?qū)嵤┓桨傅奶岢鲇休^強的基礎(chǔ)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(dǎo)學(xué)生根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的物理知識和生活經(jīng)驗大膽猜測導(dǎo)體電阻的各種可能相關(guān)量,學(xué)生的思維過程一定要得到充分的發(fā)揮和自由地展示。教師在帶領(lǐng)學(xué)生構(gòu)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(dǎo)反思與感悟。在這一節(jié)課中,我們引導(dǎo)學(xué)生把各種猜測加以概括、總結(jié),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(zhì)地等都與材料有關(guān),質(zhì)量與材料、長度、橫截面積有關(guān)……),并由日常的感性認識進一步猜測了R與三者的關(guān)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(zhì)屬性和典型特征,體現(xiàn)設(shè)計思想、實驗手段和顯示方法,來建立恰當(dāng)?shù)膶嶒災(zāi)Ｐ汀Ｌ岢鰧嶒灧桨覆⑹怪晟?是實驗教學(xué)中最能培養(yǎng)想象力和探究能力的環(huán)節(jié)之一。
(1)方案提出過程中的自主性、合作性。實驗教學(xué)的最終目的是培養(yǎng)學(xué)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(fā)揮學(xué)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(xué)生自主提出,更要是多維的、發(fā)散的,要引導(dǎo)學(xué)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(xué)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(yōu)選性。對所有的實驗方案要有全面的認識,引導(dǎo)學(xué)生對其優(yōu)劣進行比較并使之完善。優(yōu)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(xué)目標(biāo)、教學(xué)要求,儀器裝置是否易于搭配或制作�，F(xiàn)象是否清晰、明了,尤其是要考慮學(xué)生的認知心理的可接受程度、建構(gòu)水平的同化順應(yīng)的適應(yīng)度。
4.操作的有效性和科學(xué)性
(1)器材應(yīng)該能夠滿足多樣化選擇性的需求,而不是由教師事前已經(jīng)安排好了的菜單式的提供。學(xué)生自主學(xué)習(xí)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(dǎo)學(xué)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(shù)據(jù)就行,使學(xué)生偏離了基本的實驗技能的訓(xùn)練,相當(dāng)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(xué)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(xué)生就越熟悉,就越想徹底地獲得所驗證的結(jié)果,這種實驗的教育價值往往與儀器復(fù)雜程度成反比”。在探究牛頓第二定律規(guī)律的實驗中,不少老師采用了先進的DIS技術(shù),幾組數(shù)據(jù)下來,圖線就出來了,學(xué)生還摸不著頭腦。如果我們用傳統(tǒng)的小車、紙帶、打點計時器來做,學(xué)生就會對實驗步驟、數(shù)據(jù)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(xué)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(jié)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(chǎn)生的后果。操作程序的環(huán)環(huán)相扣、規(guī)范和科學(xué),會有助于相關(guān)概念、規(guī)律自然地得出。
(3)實驗操作步驟的逐步完善中對實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng),諸如儀器的性能和作用、器材的裝配和要領(lǐng)、操作的規(guī)范和熟練、如何簡化、方便地操作、如何把隱性現(xiàn)象呈現(xiàn)出來等等。
在研究自感的實驗中,我們就是引導(dǎo)學(xué)生不斷在實驗的“失敗”(預(yù)想結(jié)論的得不出)中完善操作和設(shè)計,在探究的層次推進中培養(yǎng)實驗的.能力。
�、僖胄詫嶒�:磁鐵插入線圈過程中閉合回路中產(chǎn)生了感應(yīng)電流(圖1)。
�、诋a(chǎn)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢?實驗如何顯示出來?
�、鄢醪椒治霾Ⅱ炞C:在圖3中,分析可知K閉合時,小燈泡應(yīng)該滯后發(fā)光。實驗發(fā)現(xiàn)合上開關(guān),燈泡立即發(fā)光。(原因是人的眼睛分辨不出來)。
④深度分析并修正:引導(dǎo)學(xué)生采取參比、補償?shù)霓k法(通過兩個燈泡來比較發(fā)光的先后;調(diào)節(jié)變阻器使兩燈泡亮度相同),設(shè)計出圖4,實驗操作結(jié)果表明:比延遲發(fā)光。
�、萃卣狗治霾Ⅱ炞C:在圖4中,如果斷開S,燈泡應(yīng)該延遲熄滅。實驗發(fā)現(xiàn)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(shè)計為圖5,實驗證明:當(dāng)S斷開,燈閃爍一下再熄滅。
�、咂鋵嵲趯嶒炛羞�會遇到很多問題(諸如線圈自感系數(shù)大小、電阻阻值大小、燈泡大小等相互的關(guān)系),我們要把這些問題抑或困惑轉(zhuǎn)變成探究的課題(而不是直接告訴學(xué)生如何做或者結(jié)論),從而可以更好地幫助學(xué)生理解相關(guān)的知識。
(4)小組合作的情況。為使實驗探究有序進行,相關(guān)任務(wù)的分工要有預(yù)案。例如在運用頻閃照相研究“落體運動加速度”中,學(xué)生必須完成以下任務(wù):方案設(shè)計(直接測量的物理量是什么?如何測量?);器材的安裝和調(diào)試(如何達到簡便、精準?);標(biāo)尺的制作;實際拍攝(如果用數(shù)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(shù)學(xué)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(shù)據(jù)的記錄和處理
(1)數(shù)據(jù)記錄表格的設(shè)計要讓學(xué)生自己完成,應(yīng)該體現(xiàn)實驗設(shè)計的思想,要引導(dǎo)關(guān)注實驗?zāi)繕?biāo)、研究的對象、收集數(shù)據(jù)的時段、有關(guān)現(xiàn)象的特征以及可能相關(guān)的物理量等。在記錄實驗數(shù)據(jù)的同時還要注意把有些非量化的數(shù)據(jù)(諸如現(xiàn)象)也要記錄下來。
(2)記錄的忠實性、原始性、重復(fù)性。數(shù)據(jù)記錄要及時、完整,注意有效數(shù)字和單位的要求。對于看似不合理數(shù)據(jù),可以通過實驗來補測,但不要輕易放棄這些數(shù)據(jù)(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(xiàn)象或規(guī)律值得探究),切不可修改數(shù)據(jù)或編造數(shù)據(jù)以達到所謂的“準確結(jié)果”。
(3)數(shù)據(jù)處理手段科學(xué)、合理。要引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)要進行理性分析,對相關(guān)物理量的關(guān)系要做出猜想,嘗試建立起相關(guān)的模型和關(guān)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(shù)據(jù),圖像法處理數(shù)據(jù)很直觀,也是常用手段,但往往不太為學(xué)生所熟知,教師可以做出示范。
6.實驗的總結(jié)和改進
(1)實驗?zāi)繕?biāo)實現(xiàn)的達成度。對整個實驗進行評估,預(yù)期探究的目標(biāo)的達成度如何?學(xué)生的主動性學(xué)習(xí)如何?不僅僅是看是否得出了“預(yù)期的數(shù)據(jù)和結(jié)果”。
(2)亮點和創(chuàng)新。實驗所體現(xiàn)的原理方法、儀器裝置、步驟流程、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)有些什么創(chuàng)新和突破,教師如何利用差異性結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生認知,激發(fā)學(xué)生探究的欲望。
(3)體現(xiàn)的思想和方法。要引導(dǎo)學(xué)生反思實驗所體現(xiàn)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(dǎo)學(xué)生從原理、器材、步驟、處理來分析實驗的不足(包括是否給學(xué)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(chǎn)生。可以通過實驗進一步拓展研究的問題,比如相關(guān)聯(lián)或可牽連的問題的聯(lián)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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