用數(shù)據(jù)采集器實施實驗探究教學(xué)的理論與實踐

1、    用數(shù)據(jù)采集器實施“實驗探究”教學(xué)的理論與實踐    摘要：論述了開展“實驗探究”教學(xué)的理論意義，開展“實驗探究”教學(xué)對于學(xué)生實驗、創(chuàng)新、設(shè)計能力的提高都有積極的作用。論述了“實驗探究”的基本程序，并對實施對象、做法和效果做了詳細(xì)說明。關(guān)鍵詞：實驗探究，實驗設(shè)計，pasco儀器0 引言傳統(tǒng)的“三中心”式的物理教學(xué)方法過分側(cè)重于知識和技能的傳授，缺乏對學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、情感及探究能力的培養(yǎng)，致使學(xué)生只學(xué)到一些僵化、脫離生活實際的知識：呆板劃一的題海戰(zhàn)術(shù)使得學(xué)生沒有自主性，喪失學(xué)習(xí)物理的信心和熱情。物理新課程改革的基本理念之一就是改變這種過分強(qiáng)調(diào)知識傳承的

2、傾向，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實踐能力以及創(chuàng)新精神。物理學(xué)科的特點決定了實驗在開展探究教學(xué)中具有十分重要的作用，“實驗探究”教學(xué)成為物理課堂開展探究教學(xué)的理想模式。1 開展物理“實驗探究”教學(xué)的意義1.1 物理“實驗探究”教學(xué)涵義物理“實驗探究”教學(xué)是指在教師引導(dǎo)下，學(xué)生運用已有的物理知識和技能，通過自己設(shè)計方案，進(jìn)行實驗操作，解決物理問題和探索結(jié)論的一種教學(xué)模式1。它是研究性教學(xué)2的一個典型方式，也是非常有效的方式。開展“實驗探究”教學(xué)有利于提高學(xué)生的實驗、創(chuàng)新和設(shè)計能力。1.2 開展物理“實驗探究”教學(xué)的意義1）有利于發(fā)揮學(xué)生的主體作用1。物理“實驗探

3、究”教學(xué)從培養(yǎng)學(xué)生的主體性出發(fā)，逐漸改變學(xué)生不主動動手參與物理教學(xué)的傾向，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性、主動性和創(chuàng)造性。在“實驗探究”的課堂中，學(xué)生有更多的參與機(jī)會，從發(fā)現(xiàn)問題到猜想假設(shè)，從設(shè)計方案到實際操作，整個過程都由學(xué)生來完成，并最終獲得結(jié)論。在這樣的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生能真正感受到自己的主人翁地位，真正地體現(xiàn)出“我要學(xué)”主體精神，不斷體驗獲得新知、解決問題的艱辛與喜悅。學(xué)生成為課堂教學(xué)活動的主體。2）有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是物理教學(xué)的主要目標(biāo)之一，也是難以達(dá)成的目標(biāo)。學(xué)生創(chuàng)新能力發(fā)展的關(guān)鍵在于教師教的方式和學(xué)生學(xué)的方式，教學(xué)方法則成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。物理“實驗探究”教學(xué)為

4、學(xué)生提供了一個寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境和氛圍，能夠激發(fā)了學(xué)生積極學(xué)習(xí)的欲望，促進(jìn)學(xué)生思維的多向、多維度發(fā)展，從而使學(xué)生的創(chuàng)新潛能得以施展。3）有利于提高學(xué)生的實驗設(shè)計能力。實驗設(shè)計能力是指學(xué)生根據(jù)實驗?zāi)康暮鸵?，運用有關(guān)的物理學(xué)知識和實驗操作技能，對實驗的方案、儀器、步驟、數(shù)據(jù)及處理等內(nèi)容的實施及規(guī)劃的能力。實驗設(shè)計需要學(xué)生親自去動手、動腦參與才能完成。物理“實驗探究”教學(xué)為學(xué)生的實驗設(shè)計能力提供了施展的舞臺。在這種教學(xué)模式中，學(xué)生始終是教學(xué)開展的“主角”，是完成教學(xué)任務(wù)的“主人”，通過學(xué)生對實驗各個環(huán)節(jié)的設(shè)計和實施，學(xué)生的實驗設(shè)計能力將會得到極大的提高。4）有利于師范生畢業(yè)從教后開展科學(xué)探究。在新課程

5、背景下，物理教育的目標(biāo)越來越傾向于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。實施科學(xué)探究最主要的方式就是開展實驗探究。在教育部頒布實施的義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)和普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中均對科學(xué)探究能力提出了明確的要求。這說明，科學(xué)探究不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的方式與方法，還是學(xué)生必須掌握的課程內(nèi)容，科學(xué)探究受到了普遍的關(guān)注。開展“實驗探究”教學(xué)有利于提高師范生從教后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗探究的能力，符合新課程改革的理念，有利于完善師范生的技能訓(xùn)練。2 利用數(shù)據(jù)采集器開展“實驗探究”教學(xué)的基本模式2.1 數(shù)據(jù)采集器介紹筆者使用的數(shù)據(jù)采集器是pasco“科學(xué)工作室”3，是由美國pasc

6、o公司生產(chǎn)的，“科學(xué)工作室”主要由三個部分組成：計算機(jī)接口、傳感器和軟件。傳感器可以將采集的數(shù)據(jù)通過計算機(jī)接口輸入計算機(jī)，并通過數(shù)據(jù)處理軟件來讀取、分析和處理數(shù)據(jù)。其特點是傳感器種類齊全，采樣頻率高（最高為每秒二十五萬次），采集數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確。通過圖表和統(tǒng)計，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，加快了信息技術(shù)與傳統(tǒng)物理實驗技術(shù)的整合，令物理實驗更準(zhǔn)確、更有效率。利用pasco儀器開展“實驗探究”教學(xué)可以大大降低儀器設(shè)備的限制，為學(xué)生提供實驗設(shè)計、實驗探究的平臺。2.2 物理“實驗探究”教學(xué)的基本程序1）提出問題。問題是實驗探究教學(xué)的開始，引領(lǐng)著“實驗探究”的整體設(shè)計。實驗探究教學(xué)的問題是有針對性的，主要由

7、教師與學(xué)生針對某一主題共同探討完成。例如單擺問題4，通過師生討論發(fā)現(xiàn)單擺主要涉及幾個變量：周期、擺長、擺錘重、擺角等，學(xué)生可能會進(jìn)一步提出單擺的周期與什么因素有關(guān)，具體又有什么定量或定性關(guān)系，用什么方法來確定它們的關(guān)系等。之后學(xué)生就會根據(jù)問題和pasco傳感器特點進(jìn)行相應(yīng)的實驗設(shè)計、操作等，完成探究任務(wù)。2）實驗設(shè)計。實驗設(shè)計是“實驗探究”教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，只有合理的實驗設(shè)計才能提供合理的方案，為實驗操作提供有效的指導(dǎo)。教學(xué)中要給學(xué)生一定的時間和機(jī)會，讓他們充分討論，發(fā)揮他們的想象力，引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計出實驗的思路，教師幫助學(xué)生修改、選擇、綜合，獲得最佳的實驗方案。例如上述單擺實驗，經(jīng)過學(xué)生和教師

8、的共同討論后設(shè)計出這樣的方案：通過控制變量解決周期與其它變量間的定性和定量關(guān)系。3）實驗探究。明確了實驗的設(shè)計方案和實驗步驟之后，實驗探究的準(zhǔn)備工作已經(jīng)就緒，學(xué)生就可以進(jìn)行實驗操作了。由于數(shù)據(jù)采集需要電腦和傳感器，因此學(xué)生最好是2至3人一組，成員之間相互合作來完成實驗操作。在實驗操作的過程中，教師要注意巡視、指導(dǎo)，及時發(fā)現(xiàn)并指出實驗操作過程中的問題，保證獲得正確的數(shù)據(jù)以待分析。4）獲得結(jié)論。經(jīng)過實驗探究，學(xué)生獲取了基本的原始數(shù)據(jù)，這時教師要引導(dǎo)他們對材料和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，讓他們互相交流、互相補(bǔ)充、互相質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生對實驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論、分析、綜合，最后得出結(jié)論。3 實踐效果3.1 實施

9、對象開展“實驗探究”教學(xué)主要針對三部分學(xué)生。一是吉林師范大學(xué)物理學(xué)院物理學(xué)專業(yè)和吉林師范大學(xué)博達(dá)學(xué)院的科學(xué)教育專業(yè)本科生筆者開設(shè)了物理探究實驗課程和中學(xué)物理實驗設(shè)計課程，授課的本科生共計700多人，共計500多學(xué)時。擁有10套pasco儀器，教學(xué)過程中分10組同時進(jìn)行，根據(jù)不同的實驗內(nèi)容和難易程度分成2學(xué)時或3學(xué)時開展教學(xué)。課程的前段（大約三分之一課時）主要是基礎(chǔ)操作性實驗，后段（大約三分之二課時）是綜合性和設(shè)計性實驗。同時也開展物理學(xué)專業(yè)的畢業(yè)論文設(shè)計，利用pasco數(shù)據(jù)采集器開展“實驗探究”教學(xué)研究，共計50多人，150多學(xué)時。二是吉林省優(yōu)秀教師。在2007年曾對吉林省優(yōu)秀教師做了詳細(xì)的指

10、導(dǎo)工作，包括pasco儀器的操作、實驗探究的理論與實踐等，為他們指導(dǎo)實驗探究教學(xué)做了詳細(xì)的培訓(xùn)和指導(dǎo)。三是碩士研究生。開設(shè)了碩士研究生的“物理實驗探究”課程。其中教育碩士大多來自中學(xué)教學(xué)一線，開展物理實驗探究為他們理解探究教學(xué)理論和實施實驗探究提供了理論指導(dǎo)和實驗操作機(jī)會，學(xué)生的理論和實踐能力得到增強(qiáng)。3.2 實施效果吉林師范大學(xué)從2004年開始物理“實驗探究”教學(xué)研究，已經(jīng)有五六年的時間。在此期間筆者不斷提出新的方案，不斷改進(jìn)和完善教學(xué)程序，取得了一系列的研究成果，現(xiàn)介紹如下。1）改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式僵化，基本上都是由教師講解，學(xué)生按照教師的要求完成任務(wù)即可。在這樣的

11、教學(xué)模式下學(xué)生很難發(fā)揮其創(chuàng)新能力和動手能力，實驗操作和數(shù)據(jù)處理都達(dá)不到應(yīng)有的高度。物理“實驗探究”教學(xué)為學(xué)生的創(chuàng)新提供了舞臺，提倡學(xué)生的主體性，重視學(xué)生的實驗設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。在開展研究過程中積極地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考和實驗操作，給學(xué)生足夠的時間和空間來完成實驗任務(wù)，徹底打破了傳統(tǒng)教師講、學(xué)生聽，教師演示、學(xué)生操作的實驗教學(xué)模式。在“實驗探究”教學(xué)模式下，學(xué)生是主體，教師是指導(dǎo)者，真正體現(xiàn)了探究教學(xué)的理念和特點。2）增強(qiáng)了學(xué)生實驗的興趣。在實施“實驗探究”教學(xué)過程中，學(xué)生普遍具有很高的興趣。由于實驗探究運用了傳感器、數(shù)據(jù)采集接口、電腦、數(shù)據(jù)處理軟件，使得實驗數(shù)據(jù)直接從軟件中讀出，方便快捷；同時實

12、驗探究主要是由學(xué)生來完成的，從問題提出、方案設(shè)計到實驗操作、獲得結(jié)論主要都由學(xué)生設(shè)計完成，學(xué)生不再像傳統(tǒng)教學(xué)那樣被教師牽著鼻子走，學(xué)生學(xué)習(xí)的責(zé)任感和動力增強(qiáng)，這樣就逐漸培養(yǎng)了學(xué)生開展實驗探究的興趣。3）提高了學(xué)生實驗技能。由于“實驗探究”教學(xué)從問題到解決基本都是學(xué)生完成的，學(xué)生的實際動手能力得到了很大的提高。學(xué)生經(jīng)過一段時間的學(xué)習(xí)后基本都能達(dá)到獨立設(shè)計、獨立實驗的水平。經(jīng)過一學(xué)期的課程學(xué)習(xí)之后，筆者要對學(xué)生進(jìn)行實驗考核?？己说姆椒ㄖ饕浅檫x題目，讓學(xué)生設(shè)計方案并動手操作、獲得結(jié)論。在考核的過程中，學(xué)生都能順利完成任務(wù)，達(dá)到教學(xué)要求。例如博達(dá)學(xué)院2006級科學(xué)教育專業(yè)學(xué)生23人，優(yōu)秀人數(shù)為17，

13、良好為6人，優(yōu)秀率達(dá)70%多。4）取得一系列教學(xué)科研成果。在開展“實驗探究”教學(xué)的研究過程中也取得了非常顯著的教學(xué)科研成果。有很多學(xué)生在學(xué)習(xí)物理實驗探究課程過程中參與了課題研究工作，為課題研究做出了貢獻(xiàn)，也提高了他們的教學(xué)科研能力。目前筆者已正式發(fā)表相關(guān)實驗探究論文3篇，出版著作1部，完成吉林省教育廳課題1項，參與全國教育科學(xué)“十五”規(guī)劃課題1項、遼寧省教育廳項目1項。4 研究展望“實驗探究”教學(xué)是研究性教學(xué)的一個典型方式，也是新課程提倡的教學(xué)方式，“實驗探究”教學(xué)具有很高的理論和實踐意義。由于探究教學(xué)在我國研究起步較晚，還有很多亟待解決的問題：研究也只是處于起始階段，還有很多細(xì)節(jié)性的問題需要進(jìn)一步深入的研究。下一步筆者會改變研究范圍和條件，計劃在物理教學(xué)論實驗、普通物理實驗（力、熱、光、電實驗）中開展實驗探究教學(xué)，并做定量和定性分析，深入完善“實驗探究”教學(xué)模式，使之更具有普遍性，以期為中學(xué)物理教師開展實驗探究提供直接的指導(dǎo)，使之更具有普遍意義。參考文獻(xiàn)：1劉茂軍大學(xué)大學(xué)物理課堂“實驗探究”教學(xué)模式初探j(luò)物理通報，2004，（7）：25-272劉力研究性學(xué)習(xí)通論m北京：高等教育出版社，20