高中物理课程标准解读(9)

在现有的物理实验教学中，实验课的最主要功能是帮助学生理解物理概念和物理规律，而没有对实验课的教育功能提出更多的要求。因此，现行物理课老师演示的实验比较多，学生往往只是观众。在演示实验中，学生很难体验和理解实验的方法，教师和学生关注的只是实验的结果，对实验过程没有足够重视。在高中学生实验中，大部分也是按照教师的指令按部就班进行操作。这类实验同样只注重结果，不重视实验过程。由于选择了不注重实验过程的教学模式，实验教学在物理课程改革中发挥的作用不能充分显现。在实验的众多环节中，许多本应让学生亲自参与、体验的机会都丢失了，教师成了实验课的主角，学生反而成了配角。为了使学生成为实验课的主角，教师需精心设计实验模式，根据学生现有的水平，积极发挥学生在实验课中的作用。
    要大力加强演示实验和学生实验。学校和教师应根据课程标准的要求安排足够数量的演示和学生实验，应竭尽全力利用实验室现有的器材，特别是平时闲置的器材，重新组合，设计开发新的实验。例如可以用长水槽中水波的叠加取代“弹性绳波”实验；又如用视听同步的方法演示声波的干涉现象，学生不仅能听到干涉区域中声音强弱变化，而且同时看到屏幕上声波波形的振幅变化。学校应将部分实验室向学生全天候开放，让学生去熟悉、接触和选择各种仪器和设备，进行科学探究，尽快结束目前实验室的封闭管理模式。例如：采用音叉、镊子、养鱼缸用空气泵等气动式振源或电子式振源，创造关于波的干涉的新实验。
    2. 倡导利用日常器具做实验
    实验室的课程资源并不限于实验室的现有仪器和设备，学生身边的物品和器具也是重要的实验资源。例如，利用一次性塑料杯可以做十几个实验，如光的折射、大气压强、制造凸透镜等。又如，以废弃的光盘为光栅、以激光笔为光源，可以研究光栅的衍射现象。用日常器具做实验，除了具有简易、直观、经济等优点外，更有利于学生课外自己操作，以发展学生独立实验能力。在这些实验中，学生能充分观察物理现象发生、发展的全过程，从而反复品味其中的物理原理。学生开动脑筋，利用自己制作的仪器设计实验，完成自己提出的课题，这样更有利于培养学生的创新精神和实践能力。因此，倡导利用日常器具做实验，将成为开发实验室课程资源的基本途径之一。
    3. 信息技术进入物理实验室
    计算机多媒体技术的发展和推广，为中学物理实验教学的现代化提供了前所未有的机遇。要重视信息技术在高中物理实验中的应用，加快物理实验软件的开发。
互联网的发展为信息的传递提供了更为广泛的空间。网上资源十分丰富，教师只要对办公软件、网页动画制作软件、多媒体制作软件有一定知识，就可以利用网上的媒体资源，做成优质的物理课件。还可以利用计算机实时测量来绘制电磁感应的电压变化曲线，利用软件的交互性培养学生的实验能力。
    四、社会课程资源的利用和开发
    社会课程资源是重要的校外课程资源。为此，课程标准提出，除了学校教育的主渠道之外，充分开发社会教育资源；在利用和开发社会课程资源时，应根据课程标准的要求，采取国家、地区、学校、企业和个人多维度的课程资源开发模式，不断对众多的社会课程资源进行筛选和指导。社会课程资源的利用和开发一般遵循以下原则：
    1. 优先性原则
    对有效地参与社会生活所需要的知识、技能和素质进行综合的了解，能为加强以上几方面教育提供机会的社会资源，要优先用于课程。
2. 适应性原则
了解学生兴趣、爱好和年龄特点以及认知特点，以学生现有的知识、技能和素质为背景，促进社会课程资源的充分合理的利用与开发。
3. 教育性原则
发挥社会课程资源的教育功能，着重选取对学生情感、态度和价值观培养有用的素材和条件。
4. 转化性原则
重视建立校内外课程资源的转化机制。一方面学校要善于合理发掘和运用社区及兄弟学校的课程资源，另一方面校内课程资源也应该向社区和其他学校辐射。教育行政部门有责任加强管理，建立和完善校内外课程资源的转换机制，强化各种公共资源间的相互流动与共享。网络技术的发展为校内外课程资源相互转化提供了操作平台，因此要充分重视网络技术的应用和发展。
5. 安全性原则
社会资源的利用与开发中，要贯彻“安全第一”的原则，如生产危险品、放射性和污染严重的工厂就不适合学生去参观和实践。

第十二章  附录解读

高中物理《课程标准》在附录中给出了两个旨在进一步发展某方面能力的模块：物理实验专题和物理专题研修。在这两个模块中，《课程标准》提出了要求，并给出了示例，但具体的教学内容由有条件的学校根据自己的情况做出选择。

第一节  物理实验专题解读
首先应该明确的是，开设“物理实验专题” 模块的目的是什么？《标准》中指出：“开设‘物理实验专题’模块，目的是使学生较为深入地学习物理实验的有关理论、方法和技能；进一步提高学生的实验素养，激发学生实验探究的兴趣；增强学生的创新意识；培养学生实事求是、严谨认真的科学态度；养成交流与合作的良好习惯；发展学生的实践能力。”
《标准》的以上陈述，阐明了开设‘物理实验专题’模块的目的。对于那些喜欢动手、乐于探究、对物理实验特别感兴趣的学生来说，其它模块中的实验及其开设实验极为有限的时间和空间是远远不能满足学生需要的，有必要为他们的发展提供一个平台。所以，开设‘物理实验专题’模块十分必要。
《标准》指出：“在本模块中，学生应完成不同难度的实验，原则上实验数量不少于8个。” 这一要求是从该模块的操作层面提出来的。从实验的难度上看，应体现难易不同的区别，以适应不同程度的学生，有利于学生循序渐进地学习。从实验的数量上看，原则上实验数量不少于8个。按照一个模块36个课时的教学时间计算，每个实验的平均课时数约为4至5个课时，这就对每个实验的容量提出了较高的要求，也体现了该模块中的实验与其它模块中的实验在操作层面上的区别。
《标准》强调：本模块的设计尤其注重从以下几个方面培养学生
● 经历实验探究过程
● 强化实验方案的自我设计
● 深入对实验过程和实验误差分析
● 重视对实验方案和实验结果评估
《标准》的以上陈述，阐明了 “物理实验专题”的特色及其着重点。在实验教学中，有关实验方案的设计、对实验过程和实验误差的分析、以及对实验方案和实验结果的评估等，往往是学生的薄弱环节，只有在这些方面有所突破，才能真正做到进一步提高学生的实验素养，发展学生的实践能力。
一、内容标准解读
（1）通过典型实例，认识实验在物理学发展中的重要地位和作用。了解可重复性和可控制性是对物理实验的基本要求。
    该标准的第一点是要求学生通过典型实例，认识实验在物理学发展中的重要地位和作用。物理学是一门以实验为基础的科学，在物理学发展中，每个概念的建立、每个定律的发现，都有其坚实的实验基础。实验在物理学的发展中有着巨大的意义和推动作用。从物理学发展的历史看，物理实验是物理学理论的基础，也是物理学发展的基本动力。物理实验在物理学发展中的作用表现在发现新事物和探索新规律、验证理论、测定常数、推广应用等方面。标准中的给出的样例“赫兹通过实验发现电磁波，验证了麦克斯韦的电磁场理论”就是一个著名的例子。
该标准的第二点是要学生了解可重复性和可控制性是对物理实验的基本要求。可重复性和可控制性既是对物理实验的基本要求，也是对物理实验的本质的揭示。了解这一基本要求，对于学生区分科学实验与江湖骗术、鉴别科学的真伪、破除封建迷信、提高科学素养，有着极其重要的意义。
标准中的给出的样例中提到的“科学界对冷聚变的争议”就是科学是史上一个著名的例子。1989年3月23日，美国犹他大学的彭斯和英国南安普敦大学的弗莱什曼举行新闻发布会，宣称在实验室的小型装置上，用钯作阴极电解重水，释放出巨大的能量，实现了常温常压下的“冷核聚变”。当时，整个科学界似乎都乱了套。美国学者托默在《科学幻象》一书中写道，冷核聚变被描述为在厨房里就可实现的清洁能源技术。来自犹他州的众议员欧文思更是把冷核聚变说成是“人类自发明火以来最伟大的发明”。犹他大学校长彼得森特意赶到华盛顿，为成立一个冷核聚变研究中心申请2500万美元经费。世界各地至少有1000个实验室先后行动起来。但是，始终没有人成功地重复出彭斯和弗莱什曼的实验结果，他们俩的故事也就成了科学界几乎人人皆知的反面教材。
可以从以下网站查询有关资料，了解科学界对冷聚变的争议。
http://database.cpst.net.cn（中国公众科技网）
http://www.gmw.com.cn（光明网）
http://iccf9.global.tsinghua.edu.cn（清华大学物理系SRT网站）
http://dailynews.tyfo.com/news/edu（天虎新闻网）
http://www.oursci.org（三思科学网站）
（2）通过实验认识测量的意义；理解系统误差与偶然误差、绝对误差与相对误差，以及有效数字的概念；会用有效数字表达测量结果；知道精度和准确度的区别；能对实验误差进行初步分析。
该标准中涉及的测量的意义、系统误差与偶然误差、绝对误差与相对误差、以及有效数字、精度和准确度等概念，都属于物理实验的基础理论。使学生较为深入地学习物理实验的有关理论、方法和技能，是开设本模块的目的之一。只有具备了这些理论基础，才能进一步提高学生的实验素养。
实验误差的分析是实验中的一个难点，对学生要求不宜太高。所以，该标准中只要求“能对实验误差进行初步分析”。标准中给出的例3就是体现该标准的一个实例。
例3  判断测量的优劣。用螺旋测微器测量厚度分别为20 mm和2 mm的钢板，绝对误差都是0.01 mm，但前者的相对误差较小，测量质量较高。
（3）初步具有发现问题、提出实验研究课题的能力；能根据实验目的，设计并讨论实验方案，确定科学、合理的实验步骤。
该标准的第一点是要求学生初步具有发现问题、提出实验研究课题的能力。例如，在观察竖直弹簧振子的振动时，可以发现物体完成一个往返的时间总是相同的，即弹簧振子的振动具有周期性。弹簧振子的振动周期与哪些因素有关呢？可以猜想弹簧振子的周期与小球的质量有关。尝试在弹簧下面挂上不同质量的小球，可以发现它们的振动快慢是不一样的，即弹簧振子的周期的确与小球的质量有关。在上述发现的基础上，学生应该具备提出实验研究课题的能力。例如，可以提出“研究弹簧振子的周期与小球质量的关系”的课题。还可以在进一步发现弹簧振子的周期与弹簧本身的性质有关的基础上，提出“研究弹簧振子的周期与弹簧的弹性系数的关系”的课题。
该标准的第二点是要求学生能根据实验目的，设计并讨论实验方案，确定科学、合理的实验步骤。在设计实验方案时，不要求一步到位，事实上也很难做到一步到位。正因为如此，讨论实验方案是一个重要的环节。仍以前面提到的“研究弹簧振子的周期与小球质量的关系”的课题为例，在设计并讨论实验方案的过程中，既要考虑使用同一根弹簧，改变小球的质量进行探究，又要考虑到振幅的大小可能给弹簧振子的周期带来影响，所以每次实验中要保证振幅相同。或者首先通过实验排除振幅对弹簧振子的周期的影响。只有在互相讨论的基础上，才能使实验步骤更为科学、合理。
（4）能根据实验要求合理选择并安装实验器材，正确进行实验操作。对较复杂或没使用过的仪器，能读懂仪器说明书，并按说明书正确使用该仪器。具备用已有的知识和设备能否完成实验的判断能力。能排除实验中出现的一般故障。
该标准的第一点是要求学生能根据实验要求合理选择并安装实验器材，正确进行实验操作。其中的“根据实验要求合理选择实验器材”在以往的学生实验中要求得比较少，要注意在实验中加以培养。在日常教学中，要让学生对各类实验器材有一个整体的、宏观的认识，同时，对每件仪器的主要性能、规格及其使用方法有所了解。开放实验室、建立实验走廊等做法有助于学生对实验器材的了解，值得提倡。
该标准的第二点是要求学生对较复杂或没使用过的仪器，能读懂仪器说明书，并按说明书正确使用该仪器。这一要求是物理教学面向生活、面向社会、面向现代化的体现，也是学生科学素养高低的体现。随着科学技术的高速发展，越来越多的高科技产品将走进我们的日常生活，走向社会。“能读懂仪器说明书，并按说明书正确使用该仪器”是现代人应具备的基本素质，否则将会变成新时代的“文盲”。标准中给出了“按照说明书使用示波器”的样例。我们还可以把仪器的范畴扩大一些，例如，让学生通过看说明书，学会使用DVD、全自动洗衣机、微波炉或其他未曾接触过的家用电器。
该标准的第三点是要求学生具备用已有的知识和设备能否完成实验的判断能力。这是实验的综合能力的体现。它要求学生既要熟悉物理原理和规律、熟悉仪器设备的用途，又能创造性地使用仪器设备，灵活巧妙的设计实验。
例如，用两个伏特表，能否测出一个内阻较大的电源的电动势？如果能，对伏特表有何要求？如何测？学生应该能够根据电路知识对第一问作出肯定的回答。后两问的答案则较为开放，不要求学生千篇一律，为学生的创造性设计提供一个空间。
该标准的第四点是要求学生能排除实验中出现的一般故障。对于实验中出现的故障，要学会先判断、后排查的程序以及先易后难的原则，不能毫无目标的东敲西打。
例如，在电学实验中，发现电路接通后安培表指针不动，应先判断可能是电路中某处导线未接好导致电路断路，也可能是安培表自身的问题，或电源、其他用电器的问题，然后先从可能性最大、也是最容易排查的导线接触不良入手。
（5）能正确观察和如实记录实验现象和数据，养成实事求是的科学精神。会用正确的方法处理实验数据，得出实验结论。
该标准的第一点是要求学生能正确观察和如实记录实验现象和数据，养成实事求是的科学精神。这里要特别强调的是“如实记录实验现象和数据”，绝对不允许为得出实验结论而去编造实验现象、修改实验数据的做法，从小养成实事求是的科学精神。
该标准的第二点是要求学生会用正确的方法处理实验数据，得出实验结论。处理实验数据的方法很多，应根据实验的要求灵活选用。该标准的例5中提到的“利用表格、图像方法分析、处理实验数据”是较为常规的方法，所有学生都应该很好地掌握。而例6中提到的“用传感器和计算机实时采集和处理实验数据”则是一种较为现代化的数据采集和处理方法，这类方法对于学生开拓视野极为有利，学校应努力创造条件，让学生多加实践。
（6）在实验过程中能与他人合作交流。能够对实验方案和实验结果进行评估和反思，具有对结果进行质疑、改进方案的意识。能够用科学语言，正确地写出实验报告。
该标准的第一点是要求学生在实验过程中能与他人合作交流。在交流过程中要能准确地表达自己的观点和做法，既坚持原则，又充分听取他人意见，接受合理意见。学生要有合作的意识和愿望，有团队精神，能够有效地发挥集体智慧和优势。科学技术发展到今天，任何一项成果的获得已经不是靠单打独斗能够完成了，合作精神在当今显得尤为重要。
该标准的第二点是要求学生能够对实验方案和实验结果进行评估和反思，具有对结果进行质疑、改进方案的意识。这一点是学生的批判性思维的重要体现。我们做任何事情，如果觉得已经尽善尽美了，就很难在原有的基础上有进一步的发展和提高。所以，我们应该要求学生在实验结果产生后，能够对实验结果进行评估和质疑、对实验方案进行反思、改进，不断优化试验方案，得出更为准确的实验结果。
该标准的第三点是要求学生能够用科学语言，正确地写出实验报告。这里强调的是“科学语言”。实验报告的表述应准确、严谨、精练、科学，要充分运用公式、图像、表格等形式的科学语言表达自己的观点，实验报告应体现较强的专业性和逻辑性。
二、实验示例
《标准》中给出了14个实验示例，这些实验示例主要起两个作用。
第一是选择作用。《标准》中明确指出：“本模块的实验示例是供选择的内容。”我们建议根据本模块编写的教科书或开设本模块的学校应从《标准》给出的实验示例中选择四个以上的实验。
第二是示范作用。《标准》中建议：“为了适应不同地区、不同学校的情况，学校可以自行开发实验项目。” 学校应开发怎样的实验项目？从样例给出的实验中可以看出以下特点：
1． 强调实验方案的自我设计。如：
例2 用冲击摆测弹丸的速度。
例8 测定自来水的电阻率。
例12 用电解法测定元电荷。
2． 实验内容有一定的深度，需要不断思考、反复实践，突出实验的探究性。如：
例1 研究弹簧振子的周期与小球质量的关系。
例11 探究静电屏蔽和电磁屏蔽现象。
3． 实验的容量较大，操作较为复杂，需要一定的时间才能完成。如：
例3 用滑块、气垫导轨、数字毫秒计等研究动量守恒定律。
例6 把电流表改装成多量程电流表、电压表或多用电表。
4． 实验的设计和结论具有较大的开放性。如：
例5 用变阻器设计几种不同的控制电路。
例7 探究大容量电容器对电路的影响。
例9 用电桥和热敏电阻测温度。
5． 实验内容可以是在必修和选修模块中涉及到的物理知识，也可以是在必修和选修模块中未曾涉及到的物理知识。如：
例13 研究霍尔效应。
例14 将CD光盘作为反射光栅，测定其光栅常量。
6． 既要重视常规仪器的使用，也要熟悉一些较为新颖、先进的设备的操作。如：
例4 用摄像机、数码相机或频闪照相研究物体的运动。
例10 选用传感器制作控制电路。
7．既要有难度较大的实验，也要有难度一般的实验。既要有力学和电学部分的实验，也要有热学、光学等部分的实验。做到突出重点，合理兼顾。
所以，学校自行开发实验项目时，应充分考虑上述特点，充分理解开设“物理实验专题”模块的目的，把提高学生的实验素养真正落到实处。


第二节  物理专题研修
一、本模块特点
1. 功能
本模块是一个以发展学生自主学习能力为主要目的的模块。
2. 内容
在本模块中，可由学生自主确定学习的专题，其专题内容可以包括以下几方面：
•学生没有学过的某个物理知识专题；
•物理知识与技术联系的专题；
•物理学与经济、社会发展互动的专题；
•其他与物理学相关的，研修者感兴趣的专题。
3. 学习方式
学生独立阅读教科书和研修其他学习资料，在教师指导下主动收集相关信息，独立进行实验，并结合原有的认知对信息进行选择、加工和处理。学生还应撰写该专题的研修报告，并进行交流和答辩。
4. 评价
本模块对学生学习水平的评价，应该在重视研修成果的同时，更加关注自主学习的过程。研修的原始资料、实验记录、调查记录以及由此形成的专题研修报告，都是评价学习水平的根据。研修者撰写的专题研修报告，不仅要陈述所研修内容的结论，还应该反映研修的过程、方法以及收获和反思。在完成专题研修报告后，还应进行交流和答辩，展现研修的成果、发现不足、促进学生的发展。
二、内容标准
本模块共有内容标准7条，列出了以阅读文献为主和以实验为主的两种主要研修方式的学习要求。现以方框图形式表示如下。

三、专题示例
动量和动量守恒
徐晓完成了必修模块学习任务后，决定选学《物理专题研修》模块。研修专题为“动量和动量守恒”。选择“动量和动量守恒”专题的人还有李明和罗强。
徐晓选择了某一本教科书中的“动量”一章作为主要学习资料。这一章共有5节课文，徐晓边阅读边摘录笔记，并尽可能地做实验。课本上有4个实验，徐晓限于条件只做了两个：一个是鸡蛋落到海绵上不破，另一个是橡皮绳对落下小球的缓冲作用。另外两个实验没有条件做：一个是压缩的弹簧把静止的两个小车弹开时两个小车动量守恒的实验，另一个是验证小球碰撞时动量守恒的实验。
徐晓能理解动量定理的知识，还应用动量定理解释了生活中的一些现象，并把这些实例收集在笔记本中。
徐晓对动量守恒的知识缺乏感性认识，尽管如此，他还是摘录了课本上的一些陈述，连同一些习题的解答，完成了超过3 000字的专题研修报告。
星期一上午，徐晓和另外几个同学（包括研修其他专题的同学）将要进行答辩，徐晓的答辩评价小组成员有五个人：赵老师、何老师、刘老师、李明，还有罗强的妈妈。组长是赵老师。选择专题研修模块的其他同学也可以听取答辩，参加交流。
徐晓用了15分钟完成了专题研修报告的陈述，为了表达得比较清楚，徐晓还用多媒体投影仪做了演示。答辩评价小组一共提出了6个问题，有5个问题徐晓很快就做了回答，而且回答得很正确。有一个问题，涉及动量守恒定律的适用条件和应用动量守恒定律的参考系问题，这些内容，徐晓抄了书上一些结论写在研修报告上，但理解得并不深。对这个个问题，徐晓的回答不能令人满意。
答辩会休会半小时，评价小组对徐晓的答辩情况做了研究，对其答辩是否通过做出了决定。
复会后，赵老师拿着两个球走进会场，一个是篮球，另一个是直径大约两三厘米的透明塑料球。赵老师拿着这两个球向徐晓提出了一个问题：把这两个球靠在一起，篮球在下，塑料球在上，放在一人高左右的位置上同时放手，篮球落地后，小塑料球可能会弹多高？
徐晓心里没底。为回答这个问题，他把两个球分别放在一个人的高度，让它们落下，看他们各能弹起多高。他发现两个球的弹性都很好，几乎都能弹到接近释放点的高度。徐晓根据他平时的经验对赵老师提出的问题进行判断：小球单独碰地，大约能弹起到1.4 m的高度，如果下面还有一个篮球垫着，和篮球的碰撞也许还要损失一点能量，于是徐晓判断小球能弹起的高度大概是1.3m到1.4m左右。
赵老师要徐晓当场实验来检验这个判断，实验结果令徐晓大吃一惊，小球竟然打到天花板上，如果不是天花板的阻挡，小球还可以弹得更高一些。
赵老师当众宣布了刚才评价小组的评议结果，称赞徐晓在陈述专题研修报告中实事求是的态度，表扬了他利用身边的器材富有创造性地完成了动量定理的两个实验，对他能认真观察、记录生活中应用动量定理的实例的做法表示赞赏。赵老师同时指出了徐晓的知识缺陷，要求他进一步观察刚才两球碰撞的实验，并进行理论分析，把对上述小球碰撞的研究写出观察研究报告，作为动量守恒的案例充实在专题研修报告中。徐晓听了赵老师的宣布，知道自己在专题研修中的优点和不足，明确了下一步该怎么做，觉得很踏实，心里很高兴，立即开始琢磨起大、小球碰撞时动量的关系了。
●本案例所体现的内容标准为（1）、（2）、（4）、（5）、（6）、（7）。
●本案例所提倡的观念和方法见下表。

案例所提倡的 案例不提倡的
1 学生主动获取各种学习资源中的信息 学生被动接受由教师单一提供的信息
2 教师是学生学习的指引者 教师是知识的传授者
3 学生建构自己的知识体系 教师传授现成的知识
4 学生选择自己的学习方式 教师按统一的模式教学
5 学生逐步地完成知识建构 教师在课堂上呈现知识的全部
6 学生体验到成功的愉悦 学生承受考试的压力
7 评价主体多元化，评价方式多样化 只由书面测验、教师判分的方法评价学生
8 评价是为了促进学生发展 评价主要是为了甄别