基于物理规律探索下大学物理实验教学方法的研究

摘 要：大学物理实验教学由于缺乏科学的教学方法，教学效果不够理想，不符合新时代创新型技术人才的培养目标。文章首先对大学物理实验教学的理论基础进行分析，并介绍几种物理规律探索方法。在此基础上，探讨基于物理规律探索的大学物理实验教学模式构建策略，以期通过教学方法创新，提高大学物理实验教学成效。

关键词：物理规律探索；大学物理实验；教学方法创新

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

在知识经济时代下，高新型技术人才培养是国家经济乃至综合国力发展的源动力。物理学科作为一门重要的自然学科，高水平的专业人才在各个行业中均发挥着重要作用。在学科发展过程中，物理学科形成了一些重要的思想规律和探索方法，这些规律、方法在大学物理实验教学中的融入是提升学生认知能力、培养学生创造力的重要基础。近年来，基于物理规律探索的大学物理实验教学方法受到了学界的广泛重视。应在理清其理论基础和实践方法的基础上，创新教学模式，为国家培养更多实用型创新人才。

一、大学物理实验教学的理论基础

（一）元认知理论

元認知（meta-cognition）是指主体对认知活动的认知，包括当前认知过程、自身认知能力，以及两者相互作用的结果。元认知理论的主要研究内容包括元认知知识、元认知监控和元认知体验。其中，元认知知识是指与认知活动有关的规律和知识，具体包括陈述性知识、程序性知识和条件性知识。元认知监控是指元认知知识的运用过程，即实际认知活动。元认知体验则是在元认知监控中产生的各种情绪，自我效能感较高者会获得较多的积极体验。现代教学中的自主学习能力培养实际就是元认知能力培养，开展教育教学活动要同时关注于学生的认知能力和认知情感发展，帮助学生掌握更多正确的思维方法，提高其自我效能感[1]。

（二）交往学习理论

交往（communication）学习理论又称为人际学习理论或沟通学习理论，是指学习者在与人沟通、交流、互动的过程中，完成知识获取和能力提升的过程。交往学习需要建立在平等、自由的沟通过程基础之上，双方互相尊重，遵从彼此共同的开展沟通，并在沟通过程中获得启发和借鉴。所谓“听君一席话，胜读十年书”，良好的沟通交流往往可以获得意想不到的学习效果，帮助学习者走出思想误区，获得智力和心理的快速发展。在大学学科教学中，交往学习的双方可以使教师与学生或学生与学生，交往学习方式以小组讨论形式为主。一般小组规模为4～8人，围绕某个主题展开讨论。人数过多或过少，都会阻碍沟通交流的充分进行。此外，在沟通过程中的不合理限制、或个别学生的长时间发言，都会影响交往学习效果。良好的交往学习过程应是讨论者提前做好准备，在讨论过程中有理有据的进行辩护，并且在小组内做好责任分工，使讨论过程能够充分进行[2]。

（三）创新思维培养

创新思维（Innovative thinking）的内涵是创新与突破，即打破现有理论、常规的框架，从不同思维角度出发，采用不同的方法，探索未知领域或刷新已有认知。物理学上的每一位伟大科学家都具备优秀的创新思维能力，而且具有勇于质疑、勇于批判的精神。大学是培养学生创新思维的关键时期，一个人在大学时期的身心发展已经较为成熟，具备抽象思维和批判思维能力，思维创造力、思维辩证性不断提高，为物理实验教学奠定了基础。从另一个角度来看，物理实验也是学生创新思维能力发展的最佳途径。因此，创新思维培养与物理实验教学是两个不可分割的部分，应将创新思维培养作为课程教学的核心目的，充分发挥两者的相互促进作用。

二、物理规律探索方法

（一）观察实验法

物理学中的方法论是在物理学发展的漫长过程中形成的科学探索方法，主要包括观察实验法、逻辑思维法、数学方法等。其中，观察实验法是物理学研究的基础，大多数物理规律的发现都源于生活观察和实验验证。比如牛顿发现万有引力，法拉第发现电磁感应现象等。但多数生活中的物理现象只是表面现象，可能得出错误的结论，需要进行科学实验加以验证。比如亚里士多德认为“物体下落速度和重量成比例”，而后伽利略通过比萨斜塔上的两铁球同时落地实验推翻了这一学说。因此，物理学研究是一个观察、实验验证、总结、再观察的循环过程[3]。

（二）逻辑思维法

逻辑思维法是以事实材料为依据，通过归纳演绎、分析综合、推论验证和假说实验发现物理规律的过程。其中，归纳演绎法是基于大量事实依据进行归纳总结，排除次要因素和干扰因素，得到正确的结论。分析综合法是将研究对象进行分解，分别对每个部分进行研究，最后再将各部分研究成果综合起来，完成一个复杂问题的研究。比如物理力学中的分解、合成方法、物理学微元思想等。推论验证法是先根据已知事实提出一个合理的假设，再通过实验等方法对其进行验证，通常需要以大量实验为基础，比如麦克斯韦对法拉第电磁感应定律的进一步研究。假说实验法是针对同一问题提出不同假说，分别采用不同方法对其进行论证，排除错误观点，最终得出相对正确的结论[4]。

（三）数学方法

数学方法一直是物理规律探索的重要方法，数学方法对于物理学研究而言不仅仅是一类计算工具，许多数学思维对物理学研究起到了重要影响。比如物理学中瞬时速度的提出，应用到数学的极值思想，电场强度和磁感应强度的概念设立，应用的是数学中的比值定义法[5]。

各种物理规律探索方法的应用不仅推动了物理学的发展，也为大学物理实验教学提供了基础，基于这些科学的探索方法实验教学流程，可以激发学生的探知兴趣，使学生更容易的理解、接受物理学知识，并掌握自主探索能力。

三、基于物理规律探索的大学物理实验教学策略

（一）教学流程设计

1. 基于上述物理规律探索的大学物理实验教学流程主要包括以下几个环节：实验前准备，物理实验是验证物理推论、假说的重要方法，由前述物理观察实验方法的分析可知，物理研究是一个从观察到实验验证，再到总结的过程。在进行实验前，首先要让学生充分了解物理实验研究的原因和基础，在生活中观察类似现象，或通过查阅资料，了解相关研究过程。因此，在大学物理实验教学前，应预留出足够的时间让学生了解实验研究背景、搜集相关资料，这是培养学生物理实验学习兴趣的关键。应提前两周时间布置实验任务，并以预习报告的形式，检验学生的预习成果，让学生自主设计实验方案。在此过程中，学生可以充分了解实验目的、实验内容以及实验所必需的知识技能，并通过充分的实验前准备，为实验探究效率提供保障。

2. 讨论前准备，基于交往学习理论，为确保学生在物理实验上的讨论效果，在进行小组讨论前，应做好充分准备，让学生明确开展讨论的原因和必要性。学生在准备过程中应充分了解实验涉及的物理规律，根据课前搜集的资料和生活观察，提出合理推论，对实验涉及到的物理量之间的关系进行科学分析，确定实验方法和操作流程。在小组讨论前，教师与学生应做好沟通交流，在与学生的交流过程中，对其小组探究方向加以引导，共同分析完成实验探究的关键要素。在此基础上，确定实验方案，并对实验中的难点问题进行预估，围绕这些难点问题展开充分讨论。

3. 实验与探究过程，在物理实验课堂教学过程中，主要以小组实验和讨论的形式开展，在小组讨论的基础上，还可以进行组间交流和全班讨论。W.Wilen指出：“讨论是一种教师与学生、学生与学生之间开展的教育性、群体性、反思性结构交流。”在讨论过程中，应做到全员参与，激发学生的思维主动性，用于提出自身观点，并通过有理有据的分析辩论，解决矛盾问题，获得统一的认知。因此，实验与探究过程应该是一个问题驱动过程，教师在学生的实验探究中应发挥引导作用，问题引导学生发现知识、探索知识、解决问题。

4. 归纳总结，得出物理规律，经过上述准备和实验过程，学生充分对各种观点进行分析和验证，最后进行归纳总结，得到一般数学规律，并对其进行进一步提炼和总结，得出物理规律。由于学生物理基础的差异性，以及物理探究能力的局限性，教师应充分参与到分析总结过程，引导学生反思实验过程，排除干扰因素，最终得出正确结论，完成实验教学目标。基于物理规律探索的实验教学总体流程如图1所示。

（二）教学方法选择比对

基于目前大学物理实验教学现状，可以将物理实验教学方法分为三大类：1. 传统教学方法，传统教学方法泛指以教师说明、演示实验、学生模仿实验、教师总结为主的传统物理实验教学模式。在该教学模式下，问题的提出、解决方法选择以及最后的物理规律总结都以教师为主，学生的实验过程主要是模仿教师的演示实验，问题讨论和实验方法限制性较强，不利于学生的创新思维发展。针对传统教学模式的多种弊端，目前教育专家和一线教师都在寻求教学方法的创新，以期改变以往教学模式。2. 探究式教学方法，该方法是在新课改要求下逐渐流行起来的生本教学方法，经过多年的研究与实践，教学方法体系已较为成熟。该方法以培养学生的自主学习能力和实践探索能力为主要目的，通过布置探究性学习任务，以小组探究方式开展探究活动，有利于发挥学生的主体作用。但就物理实验教学而言，探究学习方法的内容过于宽泛，缺少对物理思想的关注，由于学生的物理基础参差不齐，多数小组的实际探究效果不够理想。3. 基于物理规律探索的教学方法，目前该方法在大学物理实验教学中应用较少，但从上述教学理论基础分析以及方法流程分析可以看出，该方法是一种适用于大学物理实验教学的科学教学方法，相比于前两种方法教学针对性更强，更有利于培养学生的物理思维和自主探究能力。三种教学方法的比较如表1所示。

（三）教学案例分析

以牛顿第二定律探究实验为例，基于牛顿发现物理规律的过程进行实验方案设计，主要实验仪器为气垫导轨，在实验准备阶段，由学生自主上网或通过图书馆查阅相关资料，了解牛顿生平贡献及发现牛顿第二定律的过程。

具体实验过程如下：

1. 问题提出，探索加速度a、合外力F以及质量m之间的关系，通过实验设计研究总结物理规律。2. 预习情况检查，以随机抽样方式，对学生进行提问，了解学生实验前准备情况。3. 小组探究问题的确定，主要问题包括：（1）如何使用给定仪器设计实验，完成实验任务？（2）气垫导轨和计数器的使用方法；（3）如何应用控制变量法？（4）合外力如何产生？（5）加速度如何测量？采用直接测量法还是间接测量法？（6）实验过程中摩擦力的处理；（7）实验数据处理方法。4. 问题解决过程，通过课前准备，排除明显的错误认知和不可能实现的实验方案，合理设计实验过程。通过查阅教材和相关说明，了解仪器使用方法。采用控制变量法将多因素探究问题转化为多个单因素探究问题的研究，每次只改变一个变量，最后通过综合分析方法，得出实验结论。在牛顿第二定律研究过程，可以在合外力F一定时，探究加速度a与质量m的关系，在质量m一定时，对合外力F与加速度a的关系进行研究。其中的关键是合外力F的控制，通过斜面问题启发学生思维，利用现有给定仪器创造合外力的控制条件。具体方法为将气垫导轨调水平后，在一端垫一块高度为h的垫块，使导轨形成与水平面成α的夹角，以此控制合外力F大小。在此基础上，使用测量仪器测量加速度a，采用自拟表格进行数据记录，绘制图像，从图像中总结物理规律，并对误差进行分析和改进。最终得出两点结论：1. 质量m一定时，加速度a与合外力F成正比；2. 合外力F一定时，加速度a与质量m成反比。

四、结束语

综上所述，基于物理规律探索的物理实验教学方法更适用于大学物理实验教学，有利于培养学生的物理思维，提高学生自主学习能力。通过学习方法的理论基础和主要物理规律探索方法進行研究，可以为大学物理实验教学提供新的思路，改变以往教学模式的不足，采用科学教学方法激发学生的学习兴趣和创新意识。在此基础上，通过合理设计实验过程和理论学习过程，可以充分发挥学生的主观能动性，主动探究物理规律的形成过程和理论依据，从而对物理知识产生更加深刻的理解和认识。

参考文献：

[1]韩璐.支架式教学法在大学物理实验教学中的应用[J].吉林省教育学院学报，2016，32（11）：68-70.

[2]余玉阳.基于Flash的大学物理电学仿真实验的设计与实现[D].华中师范大学，2015.

[3]刘启龙.大学物理实验教学改革探索[J].群文天地，2013（02）：177.

[4]刘启龙.大学生物理实验课程教学改革的研究[J].齐齐哈尔师范高等专科学校学报，2013（01）：122-123.

[5]梁业广.大学物理教学模式的研究和实践[J].中国校外教育，2012（30）：112.

[6]沈阳，张云竹.基于微课模式的大学物理实验教学改革分析[J].高教学刊，2017（15）：112-114.

[7]刘甲.关于高校物理实验教学改革的思考[J].高教学刊，2016（24）：128-129.

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