陕西省教育科学规划课题《高中物理电学演示实验的集成化研究》批准号SGH17B516
摘要：高中物理演示实验教学中极不正常的一些现象继续存在下去，将难以培养学生的科学态度和科学素养，势必造成物理学习中的很大问题。经过仔细分析，造成这种现状的一个很大客观原因是大部分物理实验器材过于繁杂、零乱，携带很不方便。现有的物理实验室器材很零散，教师要上好一堂实验课，课前在准备时，器材的挑选、组装，实验的反复调试、更换器材等需要很长时间，有时甚至要花费几节课甚或一两天以上的时间准备，尤其是电学实验，连接器材，更换器材，反复实验。教师的工作量大，时间紧张，教师的工作量没能得到肯定和统计，以至于老师不愿做演示实验。另一方面由于实验存在较大的不确定性，教师花大量时间的准备，但是演示时效果差或者达不到想要的效果，可能在办公室或实验室准备的很好，可拿到教室去，实验现象却出现了较大偏差。而且在讲桌平台上展示，后面学生几乎看不清楚，这也导致教师不愿或不敢去做，严重挫伤教师开展实验课的积极性。如若把实验设计为集成化的展示模版，可以大大减轻物理教师的负担，节省老师的时间，改变老师不愿做演示实验的现状。让物理演示实验的准备变得简便、省事、快捷；使物理演示实验的效果好，展示性强，很好的实现演示实验的目的；有效发挥演示实验在课堂教学中的作用，提高教师开展实验课的积极性，这也是我们电学演示实验集成化研究的目的。
关键词：演示实验；科学素养；电学；集成化
一、对物理实验教学重要性的再认识
在高中物理教学所有环节中，实验教学是很重要却一直又很薄弱的一环，我们物理教师必须要认识到物理实验的重要性。物理学是一门以实验为基础的科学，物理概念的建立与物理规律的发现，都以实验事实为依据，实验是物理学的重要研究方法。良好的实验教学不仅能激发学生学习物理的热情，还能培养学生勇于探索的精神，促成学生科学品质和世界观的养成。
《普通高中物理课程标准》针对物理实验方面特别提出：高中物理实验课程有助于学生学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学研究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情。要突出物理学科特点，发挥实验在物理教学中的重要作用。观察和实验对培养学生的观察和实验技能，培养实事求是的科学态度，引起学习兴趣，具有不可代替的重要作用。大力加强演示和学生实验：学校和教师应根据课程标准的要求安排足够的学生实验和演示实验；应最大限度地利用实验室现有的器材，力求利用多年闲置的器材开发新的实验；充分开发和利用实验室的丰富课程资源，尽快改变实验室的封闭式管理状态，实验室应该尽快向学生开放，鼓励学生主动做课外实验。
《2018年普通高等学校招生全国统一考试大纲 物理》提出：高考物理在考查知识的同时注重考查能力， 并把对能力的考查放在首要位置。对实验能力的考察要求是：能独立地完成实验，能明确实验目的，能理解实验原理和方法，能控制实验条件，会使用仪器，会观察、分析实验现象，会记录、处理实验数据，并得出结论，能对结论进行分析和评价；能发现问题、提出问题，并制订解决方案；能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，包括简单的设计性实验。
国际上比较发达的国家都注重实验教学。在美国教学过程中教师尽量利用演示实验以及各种直观媒体实施直观教学。教师鼓励学生观察思考和实验，引导学生根据自己的兴趣和能力来设计实验，提倡学生自由提问、研究、收集和分析数据，得出实验结论并完成实验报告。学生实验与教师演示的时间比约2: 3，学生实验约占总课时的10%--20%。在日常的教学活动中，教师通常用大约25%的时间做演示实验。美国中学物理教学突出了实验教学的特点，注重学生在动手操作过程中获得学习经验。并且美国中学提倡低成本、随手可得的瓶瓶罐罐设计做各种实验，立足于生活和社会，直接从日常生活及周围环境中取材来进行科学活动设计。在德国物理学界有这样一种说法“没有演示实验的一堂课是不可想象的”。这种体验式的物理实验教学方式让学生感觉物理来源于生活，学好物理用它来分析问题、解决问题实质就是服务于人类、造福于社会。
物理实验教学对激发学生的兴趣，提高学生的操作技能，培养学生的探究能力，养成科学的思维方式，形成严谨的科学态度和科学精神等都有极其重要的作用。
二、高中物理实验教学的现实情况
1. 学校和教师明显存在重理论、轻实验的思想。
在物理教育教学过程中，明显存在着“重知识、轻方法；重讲授、轻动手；重结论、轻过程；重机械训练、轻实质体验”的问题，相当一部分学校及教师受传统教育思想及其它方面的影响，对物理实验教学重视不够，投入不足。物理实验室硬件设备、器材比较老化、陈旧、残缺，实验仪器精度不高，实验器材不完善，没有及时补充、更新，不少学校的物理实验数目达不到课程标准的要求，特别是农村学校由于经费不足，实验器材更是寥寥无几。另外，近年来由于一些学校不断的扩大招生，班级数目及人数增多，而实验室硬件没有配套改善，出现了实验室数目明显不足，仪器数量不够等情况，使得很多学生分组实验无法正常的进行。其次，相当数量的教师不重视实验教学，或教师本身动手实验能力欠缺或不愿动手，少做或不做实验, 教学方式呆板。这种只重视理论教学，放弃实验教学这一现象必将严重影响物理学知识体系的建立和学习。
2.应付考试，急功近利。
我国高考对物理实验的考查是以试题闭卷的形式出现而不是以实验实际操作来考查。物理实验考试是理论知识体系下的实验，只要学生掌握了相关的知识点就可以很好的完成考试中的实验题，实验不会做也完全可以得高分，反而是实验做的好不一定能考得好。因此相当一部分教师把实验教学变成了实验题的讲解训练，或者教师讲学生做，教师示范学生模仿的教学，学生成为被动的接受者，致使学生很少能提出问题。大多数学生重结果而轻过程，为了得到期望的结果，甚至修改实验数据。没有养成实事求是的科学态度，没有学会解决问题的科学方法，学生的主体地位远没有得到重视，学生缺乏主动探究的欲望和热情，忽视了实验对学生科学思维方法和创新能力的培养。在此种思想的影响下，高中物理实验教学难以发挥它应有的作用。许多教师存在“做实验不如看实验，看动画演示或录像，看实验不如讲实验，讲实验不如背实验”的荒谬想法。因此他们很少做实验，不愿花时间从事实验教学，实验只被作为收集数据，验证理论，应付考试的工具，而这严重偏离《课程标准》的目标，根本谈不上学生科学素养、科学精神的培养提高。
3. 物理实验教学过于依赖现代多媒体技术
新科技手段的应用冲淡了实验教学的重要作用。由于多媒体技术展示效果形象、生动，特别省事省力省时间，以至于许多教师过于依赖甚至于一学期就不做实验，大量的实验包括演示实验和学生实验都进行课件模拟演示,不重视自己和学生的实际操作，把物理实验教学变成通过多媒体“看实验”， “看录像”，“看投影”。原本活生生的动手操作，学生实际参与的实验却用多媒体来展示，美其名曰“现代技术的运用”，导致学生实验课时得不到保证,削弱了实验教学效果,这种极端的做法对培养学生动手操作能力和创新能力是不可能实现的。
4.实验教学现实的客观问题：
物理教学中演示实验教学的上述极不正常现状长此下去，将难以培养学生的科学态度和科学素养，势必造成物理学习中的很大问题。经过仔细分析造成这种现状的客观原因有以下几点：①、教材上大部分实验器材过于繁杂、零乱，携带很不方便；②、现有的物理实验器材和装备，教师要上好一堂实验课，课前在准备时，器材的挑选、组装，实验的反复调试、更换器材等需要时间过长，有的甚至要花费好几节课甚或一两天以上的时间准备，尤其是电学实验，连接器材，更换器材，反复调试，反复实验；教师的工作量大，时间紧张，教师的工作量没能得到肯定和统计，以至于老师不愿做演示实验；③、实验存在较大的不确定性，教师花大量时间的准备，但是演示时效果差甚至得不到想要的效果，可能在办公室或实验室准备的很好，可拿到教室去，实验现象却出现了较大偏差；而且在讲桌平台上展示，后面学生几乎看不清楚，导致教师不愿或不敢去做，严重挫伤教师开展实验课的积极性；④、实验内容设计缺乏生活性、趣味性，对学生思维的启发作用很有限；⑤、演示实验数量有待增加，一些学生实验也需要课堂演示，另外高考实验题型的变化很灵活，而演示实验的灵活性远远跟不上。
三、高中物理实验教学的几个改进措施
1.学校方面应切实加强实验室建设与管理。
作为开展实验教学的重要场所，实验室的建设与管理具有十分重要的意义，这是培养学生实验能力的重要前提。因此，学校应不断加强实验室建设，使学生开展物理实验活动的环境得到优化。为了实现这一目标，首先要加大物理实验室的投入，并充分结合高中物理知识的结构体系对实验室进行功能区域划分。按高中教材来看，物理应该配置的有力学实验室，电学实验室以及近代原子物理实验室，为学生们的实验学习创造良好的物质学习条件。随着学校招生规模的扩大，实验室的规模也要同步扩大，为实验室数量配套提供保障；要保证采购的器材是合格的、规范的，测量精度达到实验要求的。其二，不断更新实验器材，并及时更换损坏的机械、电子部件，确保实验仪器能够与教学同步。其三，要对实验资源进行开发，使实验内容得到丰富，应充分利用实验室中的资源，不断创造更加新颖的实验活动，使实验教学的趣味性得到增强。其四，要充分结合社会发展形势，不断运用现代科学技术，提高高中物理实验教学的技术含量，让学生触碰到更多的先进技术，使他们的视野得到拓宽。
2、高中物理教师要改变观念，思想上要重视高中物理实验教学，克服应试教育的偏差，回到物理教育的本质上来。
物理实验是手、脑并用的实践活动，实验就是要锻炼学生的动手动脑能力，通过身体力行的熟练操作活动来培养学生的参与度，激发学生探究物理的兴趣。通过实验来激发学生自主进行研究性学习，自发的发现问题，找出解决问题的办法，从而学到更多的物理知识，加深学生对课本知识的理解，培养学生的科学素养，培养学生的创新创造能力，实现物理学习的主要教学目标。
为了引起教师重视实验，可出台一些监管政策，监督、保障实验课的开展，对物理实验课程要设立专门的教学考评项目，把高中学生上的物理实验课的课时数，学生参与度等作为指标纳入教师考评标准中。在课时上保障实验课的开展，同时在条件允许的情况下，要保障每个学生都自己动手操作实验。
教师在中学物理实验教学改进过程中应与学生积极互动，共同发展。在互动教学中，教师要走下讲台，走入学生之中，营造一个使学生学习愉快而不过分紧张的学习环境和气氛，师生在和谐活跃的气氛中关系更加融洽，让学生的“学”与教师的“教”同步，将学生学习的自觉性和积极性充分地调动起来，培养学生积极思考和勇于探究的精神。
3、对物理实验教学坚持不断研究思考，不断改进优化。
如对演示实验，如何进一步提高课堂展示效果及形象化？如何减轻教师的准备时间和负担？
物理演示实验具有形象真实、生动有趣的特点，能为学生在形成物理概念、得出物理规律前营造出活生生的物理情境，利于学生接受。作为一名物理教师，首要任务就是：尽一切可能，在课堂上为学生展现出丰富多采的物理现象和活生生的物理情景。演示的形式不能仅仅是“教师演，学生看”，还应该是“教师导，学生演”，即边学边实验，更关键的是展演效果，全班学生都能看得到看得清楚明白，通过趣味新奇的物理实验演示，激发学生的好奇心理，从而激发他们思索的欲望。
为了达到这一目标，可以改变以往在讲桌平台做演示实验的情景，可以设计做成集成化的展示板，竖立放置，特别是电学实验，在讲桌上演示学生看不清楚，做成展示板效果就很好。不同学生可以上来操作演练，全体学生可以看得到，操作方式和原理清楚明白。不仅仅是课标要求的演示实验，为了提高教学的高效率和直观体验，相关内容也可做成展示板演示，如半偏法测电流表内阻，电表的改装等等是学习的难点，配合展示板演示教学效果很明显。有的学生分组实验也有必要适时用展示板演示，效果会更好。做成集成化的展示板，更可以为老师减负，不用每次课前耗费大量时间去准备，去调试，减轻了老师的工作量，教师也乐于开展实验课。
四．我校课题 《高中物理电学演示实验的集成化研究》对以上部分问题进行了深入研究并有所突破。在此以我们设计方案之一“半偏法测电流计内阻集成演示实验模板设计方案”为例请同仁交流指导
课题之一：半偏法测电流计内阻集成演示实验模板设计方案
1. 设计目的：
在教学过程中，物理教师的亲身感受是：电学实验器材过于繁杂、零乱，携带很不方便，器材的选择、组装、调试要花费大量的时间，加重教师工作量，放在讲桌上演示，学生很难观察清楚，可视性较差。把该实验设计为集成化的展示模版，可以大大减轻物理教师的负担，节省老师的时间，改变老师不愿做演示实验的现状。让物理演示实验的准备变得简便、省事、快捷。使物理演示实验的效果好，展示性强，很好的实现演示实验的目的。有效发挥演示实验在课堂教学中的作用，也很好的提高教师开展实验课的积极性。
2、设计要求：
（1）在教室讲台展示半偏法测电流计内阻演示实验，实验过程、实验现象展示清晰，全班学生可看到。
（2）实验效果好，实验结论正确。
（3）省时省力，简便快捷，教师不用再花费时间组装调试。
（4）模板结构稳定，强度足够，不易变形不易松动，连接牢固，线路布置整齐，具有一定的美观性、装饰性。
（5）模板长度、高度、厚度尺寸要求为800×600×20mm。
3、设计分析：
模板结构设计分为两部分，即模板框架和电路部分。
（1） 模板框架设计。
设计中需要考虑：模板取放频繁，路途远，重量大，碰撞问题，需要能承受一定的外力。材料合适，注意强度和变形问题。底座支撑架的形状，要稳定不易翻到，支撑力足够，部件的连接方式等。
（2） 电路部分设计
设计中需要考虑：各电路元件的质量，电路参数，显示准确性，形状大小的配合，线路的连接方式，线路的布局整齐美观性，与模板的连接方式等。
4、设计准备：
（1）合适的制作材料和连接材料，如木工板，包边线条，铁支撑，螺杆螺母，免钉胶等。
（2）合适的电路设备材料，如J049型灵敏电流计（-300~0~300UA,内阻80~125Ω），
电位器（0~47KΩ）,电阻箱（0~999.9Ω），干电池两节（1.5v）,电池夹两个，单刀开关两个，导线若干。
（3）必备的工具，如直尺，卷尺，螺丝刀，木工锯，锉刀，锤，电钻等。
5、设计方案
（1）模板采用木工板，形状长方形，线条包边，支撑底座采用三角铁支撑，螺杆螺母连接。
（2）电子设备元件检查校准，保证准确可靠。
（3）实验电路原理如图1：
（4）电子设备与模板固定用螺杆螺母连接，线路布设整齐美观，导线可用胶水固定。
设计方案如图2
6、教学案例：
（1）实验原理
如图1，只闭合S1,调节R1,使G表指针指到满刻度; 保持R1不变,闭合S2,调节R2,使G表指针指到满刻度的一半; 则由欧姆定律和并联分流关系可得RG= R2.
（2）实验步骤：
①按电路图连好实物图，将R1的阻值调到最大；
②断开S2、闭合S1,调节R1,使G表指针指到满刻度;
③保持R1不变,闭合S2,调节R2,使G表指针指到满刻度的一半;
④由上可得RG= R2.
（3）实验误差分析
本实验要求滑动变阻器的阻值远大于电流表的内阻，即R1>>R g，这样就可近似认为开关S 2 闭合前后干路中的总电流是不变的。但事实上，当开关 S 2闭合后，干路中的总电流是变大的，当电流表半偏时，通过电阻箱R 2的电流比通过电流表的电流要大，根据并联分流规律可知，半偏法测出的电流表的内阻要比电流表的实际内阻小。
（4）实验优点及特色
①由于器材经过精心准备和集成，大大节省教师准备实验时间。
②实验效果好。通过实验测出电流计的内阻为310Ω，多次测量实验结果稳定。
③器材在竖直面内展示，直观，便于班级所有学生观察和教师讲解实验。
课题组根据教学实际多次研究讨论，设计并制作出若干电学的集成化演示实验板，并在学校推广应用，取得了很好的教学效果，获得了各级领导、教师和学生的好评和支持，并不断的进行了优化完善，学校制定措施将进一步鼓励支持教师的这种科研精神。
总之，高中阶段是物理课程学习的重要阶段，没有演示实验和学生实验的物理教学是不可想象的。学科素养无法像知识那样直接传给学生，开展长期有计划地多种形式的物理实验活动，可以有效的培养学生动手操作技能、探究思考能力、创造创新能力和学科素养，同时也可以为学生打下良好的学习物理知识的基础，可以优化学生的知识结构和能力结构，也使学生产生了关注周围世界，探索其中奥秘的欲望，进而使其在成长过程中形成了良好的科学态度、科学意识及科学的价值观。做为物理教师也应开展多种科学研究，改变影响实验教学的客观因素，激发研究精神，重视实验课的开展，落实实验课上课过程，确保高中生接受正规的实验课程学习，这也是贯彻国家新课程改革精神的有效措施。
参考文献：
1. 2017版教育部制定《普通高中物理课程标准》M；
2.《2018年普通高等学校招生全国统一考试大纲 物理》M
3. 李莺洁.《提高高中物理实验教学成效性几点思考》J.科技资讯，2013
4. 卓玉萍.《高中物理实验教学中实施科学方法教育研究》D.天津师范大学，2015.
5. 纪旭媛.《物理演示实验在自主导学教学模式中的应用研究》J.扬州大学，2014.
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