實驗教學研究的兩個案例

物理學以實驗為基礎，所以實驗教學在物理學科教學中應該占有重要的地位；物理實驗及其教學無論是設計或者是操作均具備著一定程度的復雜性，所以針對實驗以及實驗教學而實施的研究便具有先天性的必要；教師是教育教學的行為者，所以從教師的角度而提出的實驗研究以及實驗教學研究便自然地選擇了符合教師職業(yè)行為特征的案例研究。本文從筆者的教學實踐出發(fā)，呈現(xiàn)針對實驗教學而實施相應研究的兩則案例，試圖以此實現(xiàn)對同行形成啟迪，更試圖以此請教于大家。一、關(guān)于“演示實驗裝置有序呈現(xiàn)”的研究案例場景教學現(xiàn)場（教室）課題實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教學片斷在探究性演示實驗“探究質(zhì)量確定時加速度與力的關(guān)系”的教學過程中，教師對如圖1所示的演示實驗裝置以“敘述性行為”和“操作性行為”的方式進行合理配置而有序性地呈現(xiàn)出來，相應的教學運作流程如下：敘述1接下來我們在“質(zhì)量確定”的條件下，借助于實驗手段探究“加速度與力之間的關(guān)系”。我們把相應的演示實驗安放在水平位置、且一端帶有一個小定滑輪的這塊木板上來完成。行為1將木板水平安放在講臺上，如圖2所示。敘述2實驗中我們的研究對象是這輛實驗小車，實驗過程中我們將保持其質(zhì)量不變。行為2將實驗小車安放在木板的一端，如圖3所示。敘述3把線系在實驗小車上，并水平牽引而繞過定滑輪掛上重物，在一定條件下可以把重物所受到的重力大小作為實驗小車所受到的合外力大小，而實驗中可以通過改變所懸掛重物重力的大小來實現(xiàn)對研究對象——實驗小車所施加的合外力大小的控制。行為3將線系在小車上，繞過定滑輪掛上重物，如圖4所示。敘述4掛上重物由靜止釋放后，作為研究對象的實驗小車將做勻加速運動，而通過改變所懸掛重物的重力大小，將使得實驗小車的加速度大小發(fā)生變化。相應的加速度大小可以通過在小車后端連接紙帶，并將紙帶穿過打點計時器，然后利用對紙帶上所打出的點作相應的“紙帶處理”而計算出相應的加速度大小。行為4在實驗小車后端連接紙帶，并將其穿過安放好的打點計時器，如圖1所示。評析實驗儀器與裝置是實驗得以完成的物質(zhì)基礎。由教師在教學現(xiàn)場以主體性操作的演示實驗，其相應儀器與裝置的呈現(xiàn)過程便先天性地蘊含著一定量的教育教學功能。由于在特定的實驗目的的引領下、在相應的實驗原理制約下，演示實驗需要借助于特定的實驗裝置、按照特定的實驗方法、實施有序的實驗操作步驟來完成，而在實驗裝置的合理配置和有序呈現(xiàn)中，往往就會蘊含著與所謂的“實驗目的指向”“實驗原理制約”“實驗方法設置”“實驗步驟安排”以及“實驗教學功能”等各個側(cè)面相關(guān)的因素。在這一認識的基礎上，針對實驗裝置作合理的有序性呈現(xiàn)，顯然就應該能夠?qū)Τ浞终故緦嶒灢僮鞯母鞣N要素和充分發(fā)揮實驗教學的各種功能而起到積極的作用。上述案例中，通過對演示實驗裝置的有序性呈現(xiàn)，對作為演示實驗觀察者的學習主體將能夠自然產(chǎn)生諸多積極影響：第一，能夠使得學習主體在認識層面上自覺地按照演示實驗裝置的呈現(xiàn)次序而有序梳理演示實驗的操作流程；第二，能夠使得學習主體在認識的深度上通過演示實驗的有序操作流程去明確實驗目的、深刻領會操作意圖、準確理解實驗原理、整體把握實驗運作；第三，作為教師的一種行為示范，上述案例中對演示實驗裝置作有序性呈現(xiàn)的教學行為，其深遠的價值和意義還在于使得學習主體在非意識的狀態(tài)下經(jīng)受了一次科學精神的洗禮；第四，作為教師的一種理性行為，上述案例中對演示實驗裝置所示有序性呈現(xiàn)的教學行為，折射出的是作為教學行為者的教師的一種理念：教學現(xiàn)場中教師的一舉一動、一顰一笑均應該視為嚴肅的教學行為?；诮虒W活動的任何一個行為片段都應該能夠負載著一定量的教學功能，整合每一個行為片段所負載的相應功能而服務于教學目標的達成，是教師針對職業(yè)行為研究的不懈努力與追求。二、關(guān)于“變壓器演示實驗改進”的研究案例1.教科書中演示實驗的呈現(xiàn)在“人教版”高中新課程教科書“選修3-2”模塊的第五章《交變電流》第四節(jié)《變壓器》中，教科書設置了一個關(guān)于變壓器的演示實驗。相應的設置在“思考與討論”欄目中以如下方式呈現(xiàn)：“思考與討論”“把兩個沒有導線相連的線圈套在同一個閉合鐵芯上，一個線圈連到交流電源的兩端，另一個線圈連到小燈泡上（如圖5所示），小燈泡可能發(fā)光嗎？說出你的道理?！薄斑B接電路，接通電源，看看你的判斷對不對?！?.對演示實驗的改進在教學實踐過程中，考慮到教科書針對上述演示實驗的設置其相應的教學功能尚顯不足，所以筆者對教科書中所設置的上述演示實驗作了如下相應的改進：實驗儀器分別選用J2423型教學用可拆變壓器、J1202型學生低壓電源和規(guī)格為“4.8V，0.5A”的小燈泡，原、副線圈匝數(shù)分別為200匝和100匝，交、直流電源電壓均為8V。演示分為三個步驟依次進行：步驟1如圖6所示，拆去上端條形鐵軛而使變壓器的鐵芯不閉合，原線圈接低壓直流電源，副線圈接小燈泡。現(xiàn)象1接通電源后小燈泡不發(fā)光。步驟2如圖7所示，拆去上端條形鐵軛而使變壓器的鐵芯不閉合，原線圈接低壓交流電源，副線圈接小燈泡?，F(xiàn)象2接通電源后小燈泡發(fā)弱光。步驟3如下頁圖8所示，裝上條形鐵軛并把其壓緊，旋緊螺釘而使變壓器鐵芯閉合，原線圈接低壓交流電源，副線圈接小燈泡?，F(xiàn)象3接通電源后小燈泡發(fā)強光。注意針對演示實驗實施改進的前兩個步驟中，由于原線圈接直流電源時副線圈“空載”，同時由于原線圈接交流電源但變壓器鐵芯不閉合時副線圈“弱載”，均將可能造成變壓器原線圈“過載”而燒毀，所以相應的實驗改進操作是：先通過分壓電路對原線圈供電而逐漸調(diào)高供電電壓，在取得能夠確保安全的數(shù)據(jù)后再實現(xiàn)相應的改進操作。3.演示實驗設置與改進后的對比分析（1）演示實驗設置的主觀意圖可以從設置演示實驗的文本呈現(xiàn)方式中了解其主觀意圖，應關(guān)注如下要點：第一，教科書將設置的演示實驗呈現(xiàn)于“思考與討論”的相應欄目中，其主觀意圖是：教學運作應該以演示實驗的相關(guān)現(xiàn)象來佐證“思考與討論”中的相應判斷。第二，對設置的演示實驗中所涉及的兩個線圈作文本表述時強調(diào)“沒有導線相連”，其主觀意圖是：引起對能量傳遞方式、傳遞途徑及相應原理的足夠關(guān)注。第三，對設置的演示實驗可能呈現(xiàn)的現(xiàn)象以直白的設問“小燈泡可能發(fā)光嗎？”而引發(fā)學生思考，其主觀意圖是：期望學生能夠給出“小燈泡可能發(fā)光”的判斷。第四，對設置的演示實驗所引發(fā)的討論以“說出你的道理”而提出相關(guān)要求，其主觀意圖是：期望學生在討論中能夠意識到在兩個沒有導線相連的線圈中實現(xiàn)能量傳遞的基本原理是“電磁感應”。第五，相應的文本表述中對“電源”指明為“交流”、對“鐵芯”強調(diào)要“閉合”，相應的主觀意圖應該分別是：“交流—變化”而滿足發(fā)生電磁感應現(xiàn)象的“磁通改變”的相應條件；“閉合—導磁”而符合理想變壓器的“忽略漏磁”的理想化條件。第六，至于“連接電路，接通電源，看看你的判斷對不對”的相應表述，無論其主觀上的意圖如何，鑒于演示實驗在設置上的局限，只能在客觀上起到驗證對“小燈泡是否能夠發(fā)光”的相應判斷是否正確，而不能對討論中所闡述的“道理”起到強有力的支撐作用。（2）演示實驗改進后的相應思考鑒于對演示實驗在設置上的主觀意圖的揣摩與理解，針對該演示實驗的改進在主觀上被納入下列合理的思考之中。思考1考慮到演示實驗的設置，其主觀意圖是將所設置的演示實驗作為“思考與討論”中所作判斷的“驗證性實驗”，因而其相應的教學功能就將受到較大程度的抑制；而針對演示實驗所作的改進，是針對相應的實驗條件實現(xiàn)有梯度、分層次的控制，其意圖是將演示實驗改造成為啟發(fā)性、相應的教學功能更強的“探究性實驗”。思考2考慮到演示實驗的設置在客觀上只能起到對“小燈泡是否可能發(fā)光”的設問所作判斷的驗證作用，在邏輯上并不能起到支撐著討論中所闡述的“道理”的作用，所以相應的改進便設置了“接直流電源”與“接交流電源”的比較，并通過比較而凸顯出在兩個沒有導線相連的線圈中實現(xiàn)能量傳遞的基本原理是“電磁感應”。思考3考慮到演示實驗的設置在相應的教學流程中僅僅是借用變壓器的實際運用而引入課題，卻未能夠在引入課題的同時而將變壓器的實際運用直接切入課題所討論的較為深入的具體問題中去，所以相應的改進便設置了“鐵芯不閉合”與“鐵芯閉合”的比較，并通過比較而凸顯出閉合鐵芯的“導磁”效應，從而在引入《變壓器》課題的同時有效地直接切入課題所討論的理想變壓器的理想化條件問題。思考4之所以對教科書所設置的演示實驗作上述改進，實際上就是抱定了所謂“旨在放大相應的教學功能”的既定宗旨。把改進后的演示實驗融入教學的流程，則相應的教學過程將自然會強調(diào)如下幾個教學要點：第一