基于物理規律探索下大學物理實驗教學方法的研究

李冬梅

摘 要：大學物理實驗教學由于缺乏科學的教學方法，教學效果不夠理想，不符合新時代創新型技術人才的培養目標。文章首先對大學物理實驗教學的理論基礎進行分析，并介紹幾種物理規律探索方法。在此基礎上，探討基于物理規律探索的大學物理實驗教學模式構建策略，以期通過教學方法創新，提高大學物理實驗教學成效。

關鍵詞：物理規律探索；大學物理實驗；教學方法創新

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）05-0088-03

Abstract： Due to the lack of scientific teaching methods， the teaching effect of college physics experiment teaching is not ideal， which is not in line with the training objectives of innovative technology talents in the new era. This paper first analyzes the theoretical basis of college physics experiment teaching， and introduces several methods of exploring physical laws. On this basis， we discuss the construction strategy of college physics experiment teaching mode based on physical laws， in order to improve the effectiveness of college physics experiment teaching through innovation of teaching methods.

Keywords： the exploration of physical law； college physics experiment； teaching method innovation

前言

在知識經濟時代下，高新型技術人才培養是國家經濟乃至綜合國力發展的源動力。物理學科作為一門重要的自然學科，高水平的專業人才在各個行業中均發揮著重要作用。在學科發展過程中，物理學科形成了一些重要的思想規律和探索方法，這些規律、方法在大學物理實驗教學中的融入是提升學生認知能力、培養學生創造力的重要基礎。近年來，基于物理規律探索的大學物理實驗教學方法受到了學界的廣泛重視。應在理清其理論基礎和實踐方法的基礎上，創新教學模式，為國家培養更多實用型創新人才。

一、大學物理實驗教學的理論基礎

（一）元認知理論

元認知（meta-cognition）是指主體對認知活動的認知，包括當前認知過程、自身認知能力，以及兩者相互作用的結果。元認知理論的主要研究內容包括元認知知識、元認知監控和元認知體驗。其中，元認知知識是指與認知活動有關的規律和知識，具體包括陳述性知識、程序性知識和條件性知識。元認知監控是指元認知知識的運用過程，即實際認知活動。元認知體驗則是在元認知監控中產生的各種情緒，自我效能感較高者會獲得較多的積極體驗?，F代教學中的自主學習能力培養實際就是元認知能力培養，開展教育教學活動要同時關注于學生的認知能力和認知情感發展，幫助學生掌握更多正確的思維方法，提高其自我效能感[1]。

（二）交往學習理論

交往（communication）學習理論又稱為人際學習理論或溝通學習理論，是指學習者在與人溝通、交流、互動的過程中，完成知識獲取和能力提升的過程。交往學習需要建立在平等、自由的溝通過程基礎之上，雙方互相尊重，遵從彼此共同的開展溝通，并在溝通過程中獲得啟發和借鑒。所謂“聽君一席話，勝讀十年書”，良好的溝通交流往往可以獲得意想不到的學習效果，幫助學習者走出思想誤區，獲得智力和心理的快速發展。在大學學科教學中，交往學習的雙方可以使教師與學生或學生與學生，交往學習方式以小組討論形式為主。一般小組規模為4～8人，圍繞某個主題展開討論。人數過多或過少，都會阻礙溝通交流的充分進行。此外，在溝通過程中的不合理限制、或個別學生的長時間發言，都會影響交往學習效果。良好的交往學習過程應是討論者提前做好準備，在討論過程中有理有據的進行辯護，并且在小組內做好責任分工，使討論過程能夠充分進行[2]。

（三）創新思維培養

創新思維（Innovative thinking）的內涵是創新與突破，即打破現有理論、常規的框架，從不同思維角度出發，采用不同的方法，探索未知領域或刷新已有認知。物理學上的每一位偉大科學家都具備優秀的創新思維能力，而且具有勇于質疑、勇于批判的精神。大學是培養學生創新思維的關鍵時期，一個人在大學時期的身心發展已經較為成熟，具備抽象思維和批判思維能力，思維創造力、思維辯證性不斷提高，為物理實驗教學奠定了基礎。從另一個角度來看，物理實驗也是學生創新思維能力發展的最佳途徑。因此，創新思維培養與物理實驗教學是兩個不可分割的部分，應將創新思維培養作為課程教學的核心目的，充分發揮兩者的相互促進作用。

二、物理規律探索方法

（一）觀察實驗法

物理學中的方法論是在物理學發展的漫長過程中形成的科學探索方法，主要包括觀察實驗法、邏輯思維法、數學方法等。其中，觀察實驗法是物理學研究的基礎，大多數物理規律的發現都源于生活觀察和實驗驗證。比如牛頓發現萬有引力，法拉第發現電磁感應現象等。但多數生活中的物理現象只是表面現象，可能得出錯誤的結論，需要進行科學實驗加以驗證。比如亞里士多德認為“物體下落速度和重量成比例”，而后伽利略通過比薩斜塔上的兩鐵球同時落地實驗推翻了這一學說。因此，物理學研究是一個觀察、實驗驗證、總結、再觀察的循環過程[3]。

（二）邏輯思維法

邏輯思維法是以事實材料為依據，通過歸納演繹、分析綜合、推論驗證和假說實驗發現物理規律的過程。其中，歸納演繹法是基于大量事實依據進行歸納總結，排除次要因素和干擾因素，得到正確的結論。分析綜合法是將研究對象進行分解，分別對每個部分進行研究，最后再將各部分研究成果綜合起來，完成一個復雜問題的研究。比如物理力學中的分解、合成方法、物理學微元思想等。推論驗證法是先根據已知事實提出一個合理的假設，再通過實驗等方法對其進行驗證，通常需要以大量實驗為基礎，比如麥克斯韋對法拉第電磁感應定律的進一步研究。假說實驗法是針對同一問題提出不同假說，分別采用不同方法對其進行論證，排除錯誤觀點，最終得出相對正確的結論[4]。

（三）數學方法

數學方法一直是物理規律探索的重要方法，數學方法對于物理學研究而言不僅僅是一類計算工具，許多數學思維對物理學研究起到了重要影響。比如物理學中瞬時速度的提出，應用到數學的極值思想，電場強度和磁感應強度的概念設立，應用的是數學中的比值定義法[5]。

各種物理規律探索方法的應用不僅推動了物理學的發展，也為大學物理實驗教學提供了基礎，基于這些科學的探索方法實驗教學流程，可以激發學生的探知興趣，使學生更容易的理解、接受物理學知識，并掌握自主探索能力。

三、基于物理規律探索的大學物理實驗教學策略

（一）教學流程設計

1. 基于上述物理規律探索的大學物理實驗教學流程主要包括以下幾個環節：實驗前準備，物理實驗是驗證物理推論、假說的重要方法，由前述物理觀察實驗方法的分析可知，物理研究是一個從觀察到實驗驗證，再到總結的過程。在進行實驗前，首先要讓學生充分了解物理實驗研究的原因和基礎，在生活中觀察類似現象，或通過查閱資料，了解相關研究過程。因此，在大學物理實驗教學前，應預留出足夠的時間讓學生了解實驗研究背景、搜集相關資料，這是培養學生物理實驗學習興趣的關鍵。應提前兩周時間布置實驗任務，并以預習報告的形式，檢驗學生的預習成果，讓學生自主設計實驗方案。在此過程中，學生可以充分了解實驗目的、實驗內容以及實驗所必需的知識技能，并通過充分的實驗前準備，為實驗探究效率提供保障。

2. 討論前準備，基于交往學習理論，為確保學生在物理實驗上的討論效果，在進行小組討論前，應做好充分準備，讓學生明確開展討論的原因和必要性。學生在準備過程中應充分了解實驗涉及的物理規律，根據課前搜集的資料和生活觀察，提出合理推論，對實驗涉及到的物理量之間的關系進行科學分析，確定實驗方法和操作流程。在小組討論前，教師與學生應做好溝通交流，在與學生的交流過程中，對其小組探究方向加以引導，共同分析完成實驗探究的關鍵要素。在此基礎上，確定實驗方案，并對實驗中的難點問題進行預估，圍繞這些難點問題展開充分討論。

3. 實驗與探究過程，在物理實驗課堂教學過程中，主要以小組實驗和討論的形式開展，在小組討論的基礎上，還可以進行組間交流和全班討論。W.Wilen指出：“討論是一種教師與學生、學生與學生之間開展的教育性、群體性、反思性結構交流?！痹谟懻撨^程中，應做到全員參與，激發學生的思維主動性，用于提出自身觀點，并通過有理有據的分析辯論，解決矛盾問題，獲得統一的認知。因此，實驗與探究過程應該是一個問題驅動過程，教師在學生的實驗探究中應發揮引導作用，問題引導學生發現知識、探索知識、解決問題。

4. 歸納總結，得出物理規律，經過上述準備和實驗過程，學生充分對各種觀點進行分析和驗證，最后進行歸納總結，得到一般數學規律，并對其進行進一步提煉和總結，得出物理規律。由于學生物理基礎的差異性，以及物理探究能力的局限性，教師應充分參與到分析總結過程，引導學生反思實驗過程，排除干擾因素，最終得出正確結論，完成實驗教學目標?；谖锢硪幝商剿鞯膶嶒灲虒W總體流程如圖1所示。

（二）教學方法選擇比對

基于目前大學物理實驗教學現狀，可以將物理實驗教學方法分為三大類：1. 傳統教學方法，傳統教學方法泛指以教師說明、演示實驗、學生模仿實驗、教師總結為主的傳統物理實驗教學模式。在該教學模式下，問題的提出、解決方法選擇以及最后的物理規律總結都以教師為主，學生的實驗過程主要是模仿教師的演示實驗，問題討論和實驗方法限制性較強，不利于學生的創新思維發展。針對傳統教學模式的多種弊端，目前教育專家和一線教師都在尋求教學方法的創新，以期改變以往教學模式。2. 探究式教學方法，該方法是在新課改要求下逐漸流行起來的生本教學方法，經過多年的研究與實踐，教學方法體系已較為成熟。該方法以培養學生的自主學習能力和實踐探索能力為主要目的，通過布置探究性學習任務，以小組探究方式開展探究活動，有利于發揮學生的主體作用。但就物理實驗教學而言，探究學習方法的內容過于寬泛，缺少對物理思想的關注，由于學生的物理基礎參差不齊，多數小組的實際探究效果不夠理想。3. 基于物理規律探索的教學方法，目前該方法在大學物理實驗教學中應用較少，但從上述教學理論基礎分析以及方法流程分析可以看出，該方法是一種適用于大學物理實驗教學的科學教學方法，相比于前兩種方法教學針對性更強，更有利于培養學生的物理思維和自主探究能力。三種教學方法的比較如表1所示。

（三）教學案例分析

以牛頓第二定律探究實驗為例，基于牛頓發現物理規律的過程進行實驗方案設計，主要實驗儀器為氣墊導軌，在實驗準備階段，由學生自主上網或通過圖書館查閱相關資料，了解牛頓生平貢獻及發現牛頓第二定律的過程。

具體實驗過程如下：

1. 問題提出，探索加速度a、合外力F以及質量m之間的關系，通過實驗設計研究總結物理規律。2. 預習情況檢查，以隨機抽樣方式，對學生進行提問，了解學生實驗前準備情況。3. 小組探究問題的確定，主要問題包括：（1）如何使用給定儀器設計實驗，完成實驗任務？（2）氣墊導軌和計數器的使用方法；（3）如何應用控制變量法？（4）合外力如何產生？（5）加速度如何測量？采用直接測量法還是間接測量法？（6）實驗過程中摩擦力的處理；（7）實驗數據處理方法。4. 問題解決過程，通過課前準備，排除明顯的錯誤認知和不可能實現的實驗方案，合理設計實驗過程。通過查閱教材和相關說明，了解儀器使用方法。采用控制變量法將多因素探究問題轉化為多個單因素探究問題的研究，每次只改變一個變量，最后通過綜合分析方法，得出實驗結論。在牛頓第二定律研究過程，可以在合外力F一定時，探究加速度a與質量m的關系，在質量m一定時，對合外力F與加速度a的關系進行研究。其中的關鍵是合外力F的控制，通過斜面問題啟發學生思維，利用現有給定儀器創造合外力的控制條件。具體方法為將氣墊導軌調水平后，在一端墊一塊高度為h的墊塊，使導軌形成與水平面成α的夾角，以此控制合外力F大小。在此基礎上，使用測量儀器測量加速度a，采用自擬表格進行數據記錄，繪制圖像，從圖像中總結物理規律，并對誤差進行分析和改進。最終得出兩點結論：1. 質量m一定時，加速度a與合外力F成正比；2. 合外力F一定時，加速度a與質量m成反比。

四、結束語

綜上所述，基于物理規律探索的物理實驗教學方法更適用于大學物理實驗教學，有利于培養學生的物理思維，提高學生自主學習能力。通過學習方法的理論基礎和主要物理規律探索方法進行研究，可以為大學物理實驗教學提供新的思路，改變以往教學模式的不足，采用科學教學方法激發學生的學習興趣和創新意識。在此基礎上，通過合理設計實驗過程和理論學習過程，可以充分發揮學生的主觀能動性，主動探究物理規律的形成過程和理論依據，從而對物理知識產生更加深刻的理解和認識。

參考文獻：

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