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物理教學論文：試論物理實驗教學中的“過程設計”蔡千斌
試論物理實驗教學中的“過程設計”
蔡千斌
（浙江大學理學院物理系，浙江杭州310027）
一、什么是物理實驗教學中的“過程設計”
首先，“過程設計”就是一種教學設計．其次，它更為強調的是重視過程的教學，詳細地說，物理實驗教學中的“過程設計”就是指在實驗教學中教師設計實驗的情境或系列的問題，使學生經歷問題的探索過程，重蹈科學家關鍵的設計步驟，體悟實驗的設計思想，掌握儀器的使用事項，提升實驗結果的分析能力的一種教學設計．
二、物理實驗教學中為什么要進行“過程設計”
這要從一則教學事例談起．在“探究感應電流產生的條件”的實驗中，實驗裝置如圖1所示．教師教學時對這一“成型實驗”的設計未作鋪墊，學生并不清楚科學家設計該實驗的心路歷程．以至于教學中有些學生竟然認為：“這么簡單的實驗，很容易得出結論呀！法拉第怎么用了十年的時間？他真是太笨了！”可見，教師在已經“成型實驗”的教學中有必要還原科學家的心路歷程．法拉第在當年先是怎么設計的，后是怎樣改進的，以后是怎樣突破的，最終又是怎樣設計的．別人為什么沒有做成功，唯獨法拉第做成功了．在充分揭示科學家思維的形成過程中，讓學生適時地經歷從實驗的初始設計到逐步完善的思維過程，這樣，學生才能領略到實驗設計的精妙所在，也才能感受到法拉第的偉大之處．因此，教師在實驗教學中應當注重“過程設計”，
三、物理實驗教學中如何進行“過程設計”
1．儀器使用的過程設計
儀器使用的傳統教學模式是：結構簡介——教師示范——學生模仿．教師先簡單介紹儀器的結構、功能，再分步介紹操作步驟，第一步怎樣操作，第二步怎樣操作，……，要注意不能有什么樣的操作，同時做好示范，然后學生照樣練習，直至純熟，這種教學模式喪失了學生的自主性，削弱了學生的探究能力．這樣的設計并不可取．儀器使用的“過程設計”能較好地解決這一問題．其設計模式如圖2所示．設計的線索是：(1)教學內容；(2)過程設計，其中，過程設計又分為：①學生活動；②過程小結，
案例：實驗：使用多用電表測電阻．采用“儀器使用的過程設計”進行教學時，教師不需強行灌輸多用電表的使用方法，學生在活動中即能發現問題、解決問題、總結規律．其過程設計見后頁．
實踐表明，這種設計能使教師教得輕松，學生學得愉快，經過動手動腦后獲得的知識，對學生來說，其印象也更為深刻．
2．成型實驗的過程設計
本文所講的成型實驗指的是已遠離了實驗的原型，經歷了多次的修改后呈現出來的一個最終完善的電路、一套完整韻儀器、一種完美的實驗方案．它經過了多次的打磨，雖則完美，卻磨掉了思維演變的痕跡，如果直接呈現出來，學生將無法感受到探索過程的艱難和探索過程的樂趣，理解起來也更為困難．
案例：用以下器材測量待測電阻見的阻值．待測電阻R阻值約為lOOR電源E，電動勢約為6.OV，內阻可忽略不計；電流表Ai，量程為0~50mA，內電阻ri=20Q,;電流表A2，量程為0—300mA，內電阻r2約為4Q;定值電阻風，阻值Ra-20Q;滑動變阻器R，最大阻值為10Q;單刀單擲開關5，導線若干．
(1)測量中要求兩塊電流表的讀數都不小于其量程的1/3，且要求盡量多測量幾組數據，試畫出測量電阻R，的實驗電路原理圖（原理圖中的元件用題干中相應的英文字母標注）．
(2)若某次測量中電流表Ai的示數為，電流表A2的示數為，2．則由已知量和測量量計R，的表達式為Rx=________.
這是本校一道高三復習的測試題．它難倒了一大批學生．試題講評時，教師直接呈現正確的實驗電路，然后做一扼要的解釋，結果，很多數學生直呼：“太神奇了！”他們覺得自己是很難想出這種設計方案來的．究其原因，該設計脫離了學生的思維實際，難以引起學生的共鳴．明顯有曲高和寡的感覺．如何解決這一問題？“成型實驗的過程設計”不失為一種好的方式，其操作模式如圖3所示．據此，過程設計如下．
第一步，構畫原型，根據問題情境，要測電阻Rx的阻值，明確實驗的原型是伏安法測電阻的電路，題中“要求盡可能多測幾組數據”，可知滑動變阻器的連接方式為“分壓式”接法，由此，構畫出實驗的原型電路，如圖4(a)、(b)所示
第二步，構畫實驗設計1．題中提供的是2個電流表而無電壓表．故需造一個電壓表．已知內阻的電流表Ai串聯一個定值電阻Ro可當電壓表用．如圖5所示，其中圖5中虛線框內Ro、Ai的組合相當于一個電壓表．
驗如圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ，根據實驗，在表1、表2中填人實驗現象．此時，A2未達1/3滿偏．故此電路尚不符合題意.
第三步，構畫實驗設計2．設計依據：已知通過電流值的定值電阻也可當電壓表用．設計實驗如圖6所示．其中，圖6中虛線框內的風就相當于一個電壓表。
由此確定圖6為所求的實驗電路圖，
按照“成型實驗的過程設計”分三步進行教學，學生覺得根據這一方法自己也應該會設計所要求解的電路，也并不覺得這樣的實驗設計有什么高深之處．在這里，憑借一個實驗原型，根據問題的情境，適當地加以修正，所求實驗電路就能水到渠成，通過這樣的設計過程，學生在實驗設計上就有思路可循，能輕松地掌握實驗設計的方法．
3．實驗現象分析的過程設計
許多時候，實驗現象非常精彩，可惜由于過程分析不得法，學生無法深入思考，教師只能匆匆地給出結論．表面上課堂教學變得順暢了，實際上學生的思維卻未能很好地得到訓練，教學中留下了很多的遺憾．要盡量減少這類遺憾的發生，教師應做好實驗現象分析的過程設計．
比如，楞次定律的教學．研究感應電流方向的實驗如圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)所示Ⅲ，根據實驗，在表1、表2中填人實驗現象．
分析：由表1知，(a)(b)中線圈內磁通量增加時，感應電流的磁場方向與原磁場的方向相反，由表2知，(c)(d)中線圈內磁通量減少時，感應電流的磁場方向與原磁場的方向相同．結論：感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化．以上教學，雖然思路流暢，但是要判斷感應電流的方向怎么會想到要引入“感應電流的磁場”作為“中介”來表述，因而在表格中列入“感應電流的磁場方向”呢？這一點教師未作什么交代，學生是很難想得通的，實驗現象分析的過程設計要以實驗為基礎，以問題為主線，按一定的邏輯順序展開，逐步推出結論，才能令人信服．
案例：實驗：探究感應電流方向的規律．如圖8(a)所示．實驗的現象：條形磁鐵N極靠近金屬鋁環，鋁環向右擺，條形磁鐵N極遠離金屬鋁環，鋁環向左擺，
分析過程：沿著以下兩條線索（如圖9）層層展開問題的設計，最終得出判斷感應電流方向的規律——楞次定律．
磁鐵靠近鋁環時，鋁環向右擺，說明磁鐵對鋁環有斥力，這個斥力應是磁場力，它與鋁環產生的感應電流有關，圖8(a)中相互作用的情況等效于圖8(b)中相互作用的情況，
問題1：結合(a)、(b)圖，判斷鋁環中感應電流的磁場方向及鋁環中產生的感應電流方向．
問題2：在圖(a)中標出條形磁鐵的磁場方向、感應電流的磁場方向、感應電流的方向．(標出后的結果如圖(c)所示）
問題3：標出條形磁鐵離開鋁環，鋁環被吸引向左擺時，條形磁鐵的磁場方向、感應電流的磁場方向、感應電流的方向．(標出后的結果如圖(d)所示）
問題4：條形磁鐵靠近鋁環時，鋁環中感應電流的磁場方向與條形磁鐵的磁場方向相反；而遠離時，卻相同，這會引起鋁環中的磁通量發生怎樣的變化？
問題5：如把條形磁鐵在鋁環中產生的磁通量稱為原磁通量，則條形磁鐵靠近鋁環時，原磁通量增加，感應電流的磁場是使原磁通量增加還是減少？條形磁鐵遠離鋁環時，原磁通量減少，感應電流的磁場是使原磁通量增加還是減少？這說明，感應電流的磁場對原磁通量是起促進作用還是起阻礙作用？
經歷以上現象的分析后，再引導學生分析圖7中的(a)、(b)、(c)、(d)四種情況，學生將不再對引入“感應電流的磁場”感到突然了，而會認為這是理所當然的事．
四、結語
開展物理實驗教學的“過程設計”，目的是讓學生充分經歷實驗的設計過程、現象的分析過程、儀器的使用過程，從而在質疑問難中、在對比分析中、在動手動腦中訓練學生的設計思維，提高學生的探究能力，激發學生的探究熱情，使學生在過程中獲得豐富的情感體驗，最終全面提高學生的科學素養．
參考文獻：
[1]人民教育出版社、課程教材研究所、物理課程教材研究開發中心．高中物理選修3-2(第3版)[M].北京：人民教育出版社，2010：10.
[2]束炳如，何潤偉．高中物理選修3--2教師用書（第1版）[M]，上海：上海科技教育出版社，2005:45—46．
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