自高中物理新课程实施以来,实验教学已得到极大的加强,但是由于教材、师资水平,以及实验室和仪器装备建设、课程资源等多方面的原因,物理新课程实验教学中还存在着不少问题和困难,亟待加以研究和解决。

一、高中物理新课程实验教学的特点

1.实验地位显着提高

高中物理新课程把科学探究列为重要的课程内容之一,体现了物理新课程理念的重大转变。学习物理必须经历探究的过程,而物理实验是物理探究的重要载体。在高中物理新课程教材中出现了“说一说”、“思考和讨论”、“做一做”、“探究实验”、“问题与练习”、“大家做”、“广角镜”等众多栏目,这些无不涉及实验探究活动。可见,在高中物理新课程中,物理实验教学的地位得到显着提高与加强。

2.对学生实验能力的要求更加明确

高中物理课程标准对学生的探究能力做出了详细而明确的要求:“能够发现与物理学有关的问题,对解决问题的方式和问题的答案提出假设,能够根据实验目的和已有条件,制定计划与设计实验方案,进行物理学实验的操作和用多种方式收集数据,会对实验数据进行分析处理,尝试分析假设与实验结果间的差异,能写出实验探究报告。”同时,明确提出了物理实验能力的具体要求,其中确定研究问题、设计选择实验方案、数据测量、定量分析、探究创新等方面的要求比初中阶段都有显着提高。

3.实验的数量和类型大幅度增加

高中物理新课程实施后,物理课程中的实验教学内容大量增加。以现行的人教版高中物理教材为例:必修1、必修2的演示实验20个,学生探究实验7个;选修2系列(包括2-1、2-2、2-3)和选修3系列(包括3-1到3-5)的演示实验共计73个,学生探究实验25个;必修1、2和选修3系列共设课堂实验17个、“做一做”51个;同时,还在附录中设置了“物理实验专题”模块,有14个实验示例供学生选择,原则上实验数量不少于8个,给学生留有充分的选择余地。

可以看出,高中物理新课程实验的数量在急剧增加,实验方式更加灵活。各项实验活动共同的特点就是注重“实践”、“观察”、“思考”、“讨论”、“拓展”,有的还明确要求学生“表达与交流”,为学生搭建了探究的阶梯,突出了学生的主体地位与个性发展。实验活动类型的拓展和变化反映了物理新课程在转变学生学习方式、培养学生探究能力等方面的要求,使学生的思维与创造力始终处于被激发的积极状态。

4.实验内容与现代科技紧密结合

在物理新课程中,数字化的教学装备被大量引进物理实验室,如基于各种传感器和计算机的数据测量和数据处理、微电脑数字计时器的广泛应用、用数码相机研究自由落体运动、对汽车变速器的了解等。在选修教材中,涉及了绿色能源的开发、用激光笔进行光的干涉和衍射实验、观察变电站和高压输电线路、利用温度传感器和光敏传感器等制作一些简单的自动控制电路等。注重加强课程内容与学生生活以及现代社会和科技的紧密联系,重视学生的学习兴趣和学习动机的培养和强化。

二、物理实验教学中存在的问题

1.部分教材实验的设计不够科学

有些高中物理新课程教材在安排实验的时机、实验的设计上存在明显不足。有些实验设计得不够严谨,如实验现象不明显、可操作性不强等。如选修模块中的“用油膜法估测分子大小”实验就存在以下问题:酒精油酸溶液的配置浓度标准难以掌握。配置的溶液浓度过大,形成的油膜层张力就会过大,油膜层会冲破漂浮在水面上滑石粉形成的区隔界限,测得油膜层面积数据会远小于实际数据;而配置的溶液浓度过小,形成的油膜层张力过小,油膜层与漂浮在水面上滑石粉的自然界限区别不清,实验现象不明显,因而很难观测油膜层面积数据。

同时,在实验时机的安排上,应根据学生的实际水平和实验仪器装置组成的难易程度分散安排,不宜在时间上过于集中,使学生产生畏难情绪。如瞬时速度的测量,高一学生是首次进入实验室,使用仪器中有电磁打点计时器、电火花计时器,“做一做”栏目中有用运动传感器和计算机一起测速度,“科学漫步”中有用气垫导轨和数字计时器测速度,而仪器设备的结构组成、使用方法也属于实验探究内容的组成部分。这三部分内容编排紧凑,六种较复杂的仪器连续呈现,使学生感到眼花缭乱、目不暇接,容易导致学生产生畏难情绪。

2.实验室及其仪器装备难以满足教学的需要

(1)实验室的间数和面积不完全达标。据调查,由于教育资源的快速优化和整合,西部省份高中每个年级的规模大多在15个平行班左右;有的年级甚至达到20个班,而具有四间左右实验室的学校在60%左右,有40%的学校只有两间实验室。①实验室无法满足学生实验的需要。加上现在大多数学校班额较大,给开展实验和学生活动带来诸多不便,同时,还存在一定的实验安全隐患,遇到突发情况学生无法在短时间内快速疏散。

(2)仪器装备严重不足。教师反映学校急需新课程开设所需的实验仪器和装备,主要是必修课程所需的一些传感器和数字化设备,如运动传感器、力传感器、电压传感器等各种传感器,以及与之相配套的计算机和绘图软件等。但是,由于这些新器材价格极其昂贵,一些学校囿于财力在短时间内难以配备齐全。

(3)实验仪器装备经费不足。目前绝大部分学校购置器材设备的经费都是由自己筹措负担,教育部门投入较少。物理仪器设备极其昂贵,学校受自身财力的制约,只有三分之二左右的学校能够做到随时补充。离开仪器装备的有力支持,一些物理实验难以开展。

3.教师的实验技能难以满足课程的需要

部分物理教师的实验技能不足。面对许多新增的实验,如借助传感器用计算机测速度,用数码相机记录平抛运动的轨迹、用传感器和计算机研究平抛运动的装置等,教师由于缺乏使用这些新仪器设备的技能和培训,根本不熟悉这些仪器设备的使用方法,开展相关实验缺乏经验。

同时,不少学校的实验教师数量不足也直接影响到实验教学质量。据调查,目前2/3的学校有专职物理实验员,1/3的学校有兼职实验员,但根据学校的现有班级数,即使有专职的实验员,实验员的数量也不能随学校班级的增加按一定的比例增加。面对新课程众多的现代化实验内容,没有一定数量受过现代实验技术培训的实验教师队伍是很难胜任的。

三、改进高中物理实验教学的策略

1.完善教材中的实验设计

(1)增加物理实验仪器装备组成结构名称、功能作用的内容。高中物理课程标准指出:仪器装置是一种重要的课程资源。其内涵不仅包括物理仪器装置所蕴含的物理原理、物理思想,同时也包括仪器装置各部分的结构名称、功能作用及传递的文化内涵等。在教材中增加一些与物理实验仪器装备组成结构名称、功能作用相关的内容,不仅可以提高教师对仪器装备结构组件名称和作用表述的规范性,也有利于提高学生对课程资源的综合利用能力和实验文化素养。

(2)基于实验过程设计实验问题。物理新课程强调培养学生的实践操作能力。在实验问题的设计上要尽可能地结合实验过程,以具体的实验方法、实验过程和实验情景为素材,加深对原始实验的拓展和开发,这样有利于培养学生的实验操作、实验分析和综合能力。

(3)基于大多数学校的器材配备实际设计实验。由于实施物理新课程实验所需仪器装备经费巨大,一般学校都是根据实验的需要逐年分期分批配备,教材上的有些实验与学校实际配置的仪器装备条件差距较大,因此,在教材的编写中应适当设计一些以大多数学校实际配置的仪器为原型的问题。如必修1《研究平抛运动》中可增加一些与J2154型平抛运动实验器有关的问题,选修3-5《探究碰撞中的不变量》中可增加一些与J2135型碰撞实验器有关的实验问题等。

(4)根据仪器装备的常见故障设计探究实验问题。如笔者所带的学生在做必修2《验证机械能守恒定律》中的实验时,有几个组的电磁打点计时器在纸带上打出的“迹点”是双点,实验结束后教师组织学生一起探究解决这个问题。在研究和解决这个问题的过程中,学生的探究兴趣浓厚,信心大增,有效地培养了学生的实验探究意识。再如有的学生在接触电路过程中会发现电压表、电流表的指针倒转。当把多用电表的开关拨到电阻挡,红黑两个表笔短接后,电表的指针却不指向电阻的“0”刻度线处,而是与“0”刻度线有一定的夹角。这些故障学生在实验中都极易碰到,基于这些问题设计实验,既能够激发学生的兴趣,也能够促进学生研究意识和能力的发展。

2.加强物理实验室的资源配置

(1)提高物理实验室建设和仪器装备的标准。新课程实施以后,教育部颁布了《高中理科教学仪器配备标准》,它和《中小学实验室装备规范》一起构成了新课程高中阶段实验室建设和仪器配备的新标准。尽管这两个文件都是针对新课程物理实验的变化而制订的,但是相关的规定仍然无法满足急剧增加的物理新课程实验要求。

如演示仪器仍要求按1~2套配备,也未说明使用的条件范围,但是究竟多少个平行班按1~2套配备?若同年级的平行班级有20个,这1~2套演示仪器如何使用?因此,配备标准应予以相应的调整和提高。一般同年级的平行班数量在15~20个左右的学校,演示仪器应提高到4~6套配备,学生实验仪器应按28~30套配备,使演示仪器配备的数量与学校的班级数相协调。

(2)在政策制度上保证仪器装备经费的落实。物理学科一些大型的、贵重的、精密的仪器设备等,仅靠学校自行采购,其经济能力是难以支撑的。建议省级仪器装备部门统一采购招标、供货、检验、派发,政府、教育主管部门按一定的比例支付实验经费,减少学校自行购置的随意性;同时实施教育部门投入、社会捐赠与学校自筹“多条腿”走路的办法。

省级仪器装备部门在制订计划时,应基于学校实际使用的必修和选修教材中的实验内容,采用长期计划与短期使用相结合的方法,采购、配置仪器,以避免仪器配置的盲目性和被动性。

(3)确立整体解决的思路。完成高中物理实验,不但需要仪器与仪器的配合,而且需要仪器与装备、仪器设备与维修技术等的紧密配合。因此,装备部门、教育部门、学校在投标采购时最好采用整体解决的思路,从实验室的规划设计、装备的组装和调试、有关附属设备配套,再到技术支持、培训维修等相关内容,整体招标,特别是要与教学仪器企业建立长期稳定的协作关系,建立仪器设备质量问题的追究制度。

3.强化物理教师和实验员的培训

物理教师和物理实验员是中学物理实验教学工作的具体实施者和准备者,其工作责任心和业务水平的高低,直接影响学校物理实验教学的质量。物理新课程实施后,急剧增加的物理实验对物理教师和实验员的实验技能提出了挑战。尽管针

对学科教师开展了一系列培训,但由于种种原因,物理教师的实验能力并没有得到大幅度提高。而囿于传统观念,还有相当数量的学校认为,课程改革只是任课教师和学生的事,与实验员无关。实验员既无培训学习的机会,也无参观交流的机会。这些都直接影响了实验教学的正常开展。只有对物理教师和实验员进行有效的、多角度、全方位的实验培训,才能更有效地开展实验教学活动。

注释:

①此数据通过对西部省区部分学校的走访了解、取样统计测算后得到。下同