加强实验研究 提高教学质量

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  第二届江苏省初中物理实验技能大赛展评于2013年5月29日在南京举办,共有来自全省13个市的39名选手参加。活动中有这样一道抢答题:请利用一个空胶卷盒和一块气球皮,制作一个简易的单向阀门并演示(答题时间1 min)。无锡代表队一位教师上台操作,他把气球颠来倒去地放在胶卷盒上,最后也没有做好。当这道题呈现在大屏幕上,笔者的第一反应是制作一个像自行车气门芯一样的装置,只要在胶卷盒的侧面开一个小孔,将气球的颈部套在小孔上,正常情况下气球在弹力作用下封住小孔,通过胶卷盒向气球内吹气时顶开气球皮,气体注入气球;停止吹气时,气球皮又在弹力作用下封住小孔,这不就是单向阀门吗?
  实验教学是物理教学的重要组成部分,是落实物理课程目标,全面提高学生科学素养的重要途径。要发挥实验在物理教学中的重要作用,需要正确认识物理实验的教学目标,注意把握实验教学的特点,合理开发实验教学的课程资源。通过观摩这次展评活动,笔者发现很多初中物理教师对实验的重视程度不够,实验操作技能有待进一步提高。因此,我们应着力找出本次展评暴露出的问题,并寻找解决策略。
  一、主要问题
  1.初中物理教师整体素质有待提高
  初中物理教师不仅要对初中物理知识熟练掌握,进行教材研究,还应对高中物理有所了解,熟悉物理学史的有关内容。从展评的情况来看,我们的初中物理教师整体素质有待进一步提高。
  (1)对物理学史缺乏了解
  物理是一门创造性、继承性很强的学科,它的成就是众多物理学家献身科学事业、代代传承的结果。通过学习从古到今众多物理学家的贡献、生平和他们的物理思想,他们追求真理、百折不挠、实事求是的科学精神,学生能从中受到教育和熏陶,激发他们孜孜不倦、刻苦学习的自觉性和勇于探索、献身科学的精神。要求学生了解物理学史,初中物理教师理应对物理学史比较熟悉,但是事实不容乐观。
  例如,本次展评第一道共答题:关于物理学史中的实验,以下事实中正确的是( )(答题时间:15 s)
  A.意大利物理学家伏打通过解剖青蛙发现了自然界存在着“生物电”
  B.英國物理学家焦耳通过实验研究证实了电流通过导体时产生的热量与电压无关
  C.古希腊物理学家阿基米德无意中利用澡盆实验鉴定王冠真伪的过程中建立了“密度”的概念
  D.美国物理学家富兰克林通过“风筝实验”发现了“天电”与“地电”是统一的
  只有6个代表队回答正确,有5个代表队选择了A选项,把伽伐尼做过的解剖青蛙发现生物电当成了伏打发明了伏打电堆。
  (2)不熟悉高中物理主干知识
  一名好的初中物理教师应该在熟练掌握初中物理知识的前提下,对小学科学和高中物理基本内容也比较熟悉,并能了解普通物理的有关内容,这是关系到一名初中物理教师能否驾驭课堂教学的决定性因素之一。在展评中我们发现很多教师对高中物理主干知识已经完全忘记。
  例如,本次展评中有一道共答题:正确使用螺旋测微器(千分尺)测量小球直径的调节过程中,当螺杆开始与小球接触时,应旋动图1a中 (B/C轮),听到“咔嚓”声后,示数如图1b所示,这时读出的数值是
  (答题时间:30 s)。
  a b
  图1
  第一个空有2个队回答错误;第二个空有3个队回答错误。
  关于螺旋测微器的使用是高中物理的基本内容,它上面有固定刻度和可动刻度两部分。固定刻度上显示整毫米或半毫米,螺纹间距是0.5 mm,即螺杆在尺身旋转一周前进或后退0.5 mm,可动刻度上分成50等份,每一份是0.01 mm,再加上估读,最后应读到0.001 mm,所以螺旋测微器又叫千分尺。读数时应先读固定刻度为8.00 mm,可动刻度可读为0.474 mm,最后结果可以记为8.474 mm。
  又如在基本技能题中有这样一道共答题:黑盒子内部元件的判断(3号选手答题)。
  实验器材:黑盒子(面板上有1,2,3,4四个接线柱),多用电表。
  要求:黑盒子内有3个电学元件(可能是电阻、电池、二极管、大电容),每两个接线柱之间可能接一个电学元件或不接电学元件。请利用多用电表判断电学元件的种类,按顺序记录你选用电表的功能挡,并把判断结果标在图中(答题时间:6 min)。
  结果6 min时间内满分40分的试题只有1位选手得满分,3位选手得30分,6位选手得20分,1位选手得10分,还有2位选手没有得分。
  在使用万用表时,首先要进行机械调零(使用前观察指针是否指在刻度线左端0位置,若不指0,调整调零螺丝,使指针指0);在不知黑盒子中有无电池时,要先用大量程电压挡探测有无电源,在确定无电源时,才能使用欧姆表探测(本试题没有电源)。探测电阻和二极管都用欧姆表,二极管具有单向导电性。当欧姆表的黑表笔接二极管的正极,红表笔接二极管的负极,此时二极管加的是正向电压,它的电阻值很小,就像一个接通的开关一样;当黑表笔接二极管的负极,红表笔接二极管的正极,此时二极管加的是反向电压,它的电阻值很大,就像断开的开关一样。
  电压为零有下述可能:(1)任意两接线柱之间电压均为零,则盒内无电源。(2)有的接线柱之间电压为零,可能是两接线柱中至少有一个与电源断路或两接线柱间短路。
  电压最大:两接线柱间有电源。
  正向和反向电阻值相差很大:两接线柱间有二极管。
  有充放电现象(欧姆表指针先偏转,然后又回到“∞”刻度):两接线柱之间有电容。
  电阻为零:两接线柱由无阻导线短接。
  (3)平时对教材研究不够
  目前初中物理课标教材全国公开发行的有6个版本(上海除外),作为初中物理教师来说,平时备课时应研究3个以上版本教材,尤其是对人教版教材应进行深入研究。同时应注意实验教学的一些细节,比如一些初、高中衔接的内容。   在本次展評基础实验题中,有这样一道试题:用实验演示浸没在空气中的物体受到浮力的作用。
  实验器材:杠杆,塑料可乐瓶2只(其中1只装有压缩空气,瓶塞中装有自行车胎打气阀),支架,细绳,气球。
  要求:装配好器材,向评委演示说明(答题时间6 min)。
  满分40分的操作题,只有5个队得满分,2个队得30分,3个队得20分,2个队得10分,1个队没有得分。
  本实验沪科版教材是把它作为一个探究性实验(如图2所示,8下170页),粤教沪科版是作为一个课外活动(8下89页)。如果我们的教师能在备课时多研究几个版本教材的话,一定看过这幅图,组装器材完成实验应该是很简单的事情。
  图2
  在基础实验题中还有一道演示光传播现象的试题。
  实验器材:激光几何光学实验仪器(附说明书),烧杯(内装水)。
  要求:装置好实验器材,(1)演示光从水传播到空气介质所产生的现象,显示出入射角变化时的特点。(2)将光源分束,演示平行光通过凸透镜的会聚现象,再演示从焦点发出的光通过凸透镜后的现象。
  本题应该是很简单的操作题,但是得分率也只有75%。从教师的操作可以发现,在演示显示出入射角由小变大的特点时,有教师没有演示出全反射现象,也有教师演示出了全反射现象但是没有交代现象的名称。这反映了我们教师对中学物理主干知识掌握得不是很好,对于初、高中衔接的内容没有认真进行研究。
  2.教师对实验设计的原理认识不够深刻
  作为初中物理教师不仅要知道实验怎么设计,还应该知道为什么这样设计。要知其然,更要知其所以然。
  本次展评第四项抢答题第10个问题:用图3所示器材设计验证阿基米德原理的实验,演示并说明主要操作步骤(答题时间2 min)。
  图3
  实验教师在把溢水杯装满水后,就急于测量物体重力和读出物体浸在水中时弹簧测力计示数,当小桶中接水后才意识到忘记测量空小桶重力了,于是向学生解释,我们之前应测空小桶重力,最后也没有完成全部操作步骤。主持人判倒扣10分。其实该教师重点应分析实验如何测量F浮(用称重法)和G排(用弹簧测力计测出空小桶的重力和盛水后桶和水的总重力)。至于先测空桶的重力还是先测桶和水的总重力,笔者认为都可以。即使教师意识到忘记先测量空桶重力,也可以把问题抛给学生,问学生此时有没有补救的办法,这是很好的课堂生成。笔者相信一定有学生可以想到让教师满意的办法,教师随后可以引导学生分析先测桶重和后测桶重有没有本质区别,学生会发现这不是一个是非问题,而是一个方法的优劣问题。
  拓展实验题第2题是:设计并连接行人从斑马线过马路的模拟交通灯电路。
  实验器材:红灯泡(2.5 V)2只,绿灯泡(2.5 V)2只,双刀双掷开关2个,电池4节,导线。
  要求:指示灯由行人控制,过马路前控制开关使人行绿灯亮,车行红灯亮,过马路后再控制另一个开关,使人行红灯亮,车行绿灯亮。画出电路图并连接模拟电路,再演示行人过马路的情况(答题时间:10 min)。
  满分60分的试题,只有2个队得到40分,4个队得20分,2个队得10分,有5个队没有得分。苏科版教材(9上)综合实践活动后的习题中有用2个单刀双掷开关设计楼道灯的电路,如果我们的教师能想到设计两个单刀双掷开关先控制一红一绿两个灯,再设计两个单刀双掷开关控制另一组一红一绿两个灯(如图4所示电路图)。最后把其中一组单刀双掷开关接线柱之间的连线交叉一下就可以得到连接图(如图5所示)。
  图4 图5
  3.一些教师动手能力需要提高
  虽然课程标准明确了学生分组实验20个,苏科版教材还安排了许多演示实验和综合实践活动。但许多一线教师平时不做实验,靠讲实验、做实验习题来代替做实验,甚者一些大城市的名校初中物理教师竟然两年中不让学生做一个分组实验。这就使得教师实验操作技能退化萎缩,不知道实验设计的目的是什么,对实验过程中的一些细节也无法关注。
  苏科版8下第五章有一个实验“研究气泡的运动规律”被搬上这次展评:研究匀速直线运动的规律(2号选手答题)。
  器材:有机玻璃管(管中充水),细橡皮筋,米刻度尺,手机,烧杯,注射器。
  要求:在塑料管壁上标上刻度,设法使气泡以较小速度从一端运动到另一端,测量管内气泡在管中运动的路程和时间,将数据记录在表1中。
  表1
  提示:测量时间用手机中的秒表,可打开手机的“应用程序”,再选择“时钟”中的秒表(答题时间6 min)。
  在6 min的操作时间内,满分40分的实验题13个市代表队的均分是18.46分。平时用的教学器材大多是装备站准备好的“气泡管”,如今让教师自己去注入液体制作器材,就有教师不会,有的不知道应留多大的气泡比较合适,有的不会设计实验步骤。
  本题有这样几个细节:(1)要求“在塑料管壁上标上刻度”,那么标多长的刻度比较合适呢?本次给的玻璃管是100 cm,要求记录4段路程长度和所用时间,有的教师死板地按照教材上的每段10 cm设计,导致有较长的玻璃管没有用到,而且路程短时间也短,实验的误差就会加大。该实验每段路程为15~20 cm比较合适。(2)气泡的大小要合适。(3)如何使气泡以较小的速度运动?研究发现,大约45°倾角的时候速度最大,该实验倾角设计在10°以内比较方便记录时间。(4)表格要填写完整。一个完整的表格要有表头,里面应写出物理量的名称、符号和单位。很多教师忙于实验操作而忽略了表格的填写,正确的思路应该是先考虑实验步骤,然后把记录实验数据的表格表头写好,最后才是实验操作并记录实验数据。
  又如上届考过的一个题目“演示焦耳定律”。
  实验器材:焦耳定律演示器,教学电源,滑动变阻器,开关,导线,装有红墨水的注射器。   要求:装置好焦耳定律演示器,连接电路,向评委定性演示电流通过电阻时产生的热量与电阻的关系。
  本次把答题时间从上届的3 min延长到6 min,结果满分40分的操作试题的均分才11.9分。焦耳定律定性实验中用到了转化的方法来显示电热的多少,可以用电热来加热煤油,也可以用电热来加热气体(利用气体的热胀冷缩程度较大的特性)。
  4.教师缺乏创新精神
  教师在掌握基本实验操作后,还需要探索实验的创新设计,设计出更加符合学生认知规律和知识发展规律的实验,为学生创新思维和创新能力的培养做出积极的努力。
  在展评第六项拓展实验中有这样一道操作题:测量细棉线的抗断拉力。
  实验器材:细棉线,米刻度尺,支架,钩码一盒,弹簧秤,绘图板,铅笔,白纸。
  要求:(1)用所给器材设计一种方案,测量细棉线的抗断拉力,并进行操作。(2)除了你设计的方案之外,还有哪些能在實验室完成的方法可以估测细棉线的抗断拉力?请在答题板上写出方案名称,并向评委简单说明原理(答题时间:10 min)。
  满分60分的试题,只有2个队得满分,有3个队没有得分,13个队的均分是24.62分。
  有的教师用测力计直接去测,发现无法记录测力计拉断细棉线时的拉力,其实只需要设计一个“可记忆”的测力计即可:沿水平方向向右拉动细棉线,在测力计指针右侧放一片白纸做记号,拉的时候纸片随指针一起动,一旦细棉线拉断纸片就固定在那里。还有的教师发现测力计量程太小时束手无策。只有少数队想到用钩码代替测力计去拉,最后测钩码的重力即可。也有的队设计利用米刻度尺作为杠杆,利用杠杆原理测算拉力。
  在下半场每队5 min的趣味物理实验展示中,有3个队都做了验证大气压存在的系列覆杯实验,有2个队做了电动机系列实验。当然也有创新的实验,如苏州队用魔棒吸引很多物体,用丝绸摩擦过的玻璃棒竟然能吸引支撑在横杆上的大拖把,给广大观众耳目一新的感觉,获得了趣味实验展示的最高分。
  二.问题解决的策略
  1.改变目前的教学评价体系
  首先要在中考中加强实验的考查,重点考查实验的过程,对苏科版教材的综合实践活动加强考查。对教师的教学评价不要只看均分,还要看分数是怎么得来的,分数的背后学生对物理学科的兴趣。
  2.认真学习先进的教育理念
  教师要认真研究学生的学,掌握学生的最近发展区,寻找学生最佳的学习方式,从培养人的角度来进行教学。
  3.加强实验研究
  在平时的备课中要认真研究实验,教师上课前要把演示实验和分组实验亲自做一遍。还可以研究其他版本教材中的实验,选取可用之处。
  4.改革教师培训制度
  一些城市的教师继续教育采用每周固定时间进行教研活动,形式有公开课、听讲座等,广大农村学校则采用寒暑假集体培训的方式。这些传统的培训方式效率低,教师不感兴趣,是一种行政化的“被培训”。如果能激励教师进行自由组合,成立教师成长共同体这种非行政化的民间组织,教师自愿参加,采用沙龙的形式进行教学研讨,一起观摩全国大赛的课,有针对性地邀请专家来进行交流等形式,必将产生积极的效果。南京初中物理教师成长共同体成立4年以来,利用周四晚上2个小时时间活动达130次,有的教师单程需要1个多小时也赶来交流。
  5.激励教师进行实验教学研究
  物理是一门实验学科,实验教学贯穿教学的全部,支撑着整个教学的各个环节。广大初中物理教师不仅要会做实验,更要理解为什么要这样设计实验,还有哪些其他的方案也能完成实验。这就需要我们的教师花时间去研究,时间哪里来,我们的教育行政部门、学校要给教师减负,让教师从繁重的批改作业中解放出来,加大备课的力度,尤其是加大备实验的力度。可以利用区、市级的教研活动时间进行实验专题研究,也可以利用校本教研时间进行实验教学研究。教师进修学校、教研部门和学校应鼓励教师积极参与实验研究,在时间和经费方面给予支持,并对一些表现优秀的教师给予积极的肯定和奖励!
  三.展评的启示
  本次展评虽然结束了,但是有很多问题值得我们进行深入研究,也带给我们一些启示。
  1.开足开齐学生分组实验、教师演示实验
  不论是城市学校还是农村学校,都应该按照课程标准的要求开足开齐20个分组实验,教师的演示实验也应创造条件努力去完成,有条件的学校和教师还应开发一些小实验,创新一些实验设计。
  2.熟练操作课本上的每一个实验
  作为初中物理教师,对于教材上的每一个实验都应十分熟练地操作和演示,掌握每一个实验的原理和设计思路,熟悉每一个实验过程中应该注意的一些细节。参加比赛的教师应该在赛前做好充分准备,对于有难度的实验要反复练习。
  3.准备多组趣味物理实验演示素材,避免重复
  趣味实验的展示反映了每个市的教研氛围和智慧,考虑到可能会和其他代表队重复,所以应准备3套以上不同的实验方案去应对。实验的准备要注重有趣,容易被观众理解、模仿,这样会给观众带来更多的学习机会,尤其是给初中物理教师提供更多的学习案例。
  参考文献
  [1] 刘炳昇.义务教育课程标准实验教科书物理(八年级上册)[M].3版.南京:江苏科技出版社,2012.
  [2] 廖伯琴.义务教育课程标准试验教科书 物理(8年级)[M].上海:上海科学技术出版社,2012年.
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