基于研究性教学模式的医学物理实验教学设计案例

【摘要】 通过对学习内容、学习者、学习任务的分析以及的教学媒体应用，选择相应的教学策略，在物理实验课堂教学中实施探究性的教学方式，使学生体验科学探究过程，掌握科学探究要素，培养学生实事求是的科学态度。其中的形成性评价和教学反思，促使教学活动在不断改进的过程中趋于完善。

【关键词】 物理实验; 科学探究; 教学设计

教学设计亦称教学系统设计，是教师为达成一定的教学目标和预期的优化教学效果而制定的教学实施方案的系统的计划过程。它是学习理论和教学实践之间联系的科学，旨在减少教学活动中的盲目性和随意性，为教学活动的有效实施提供科学合理的行动纲领。

探究式教学方式是以探究为主的教学，指在教师的引导下，学生独立自主学习、合作讨论，对探究内容自由表达、质疑、探究、讨论问题，通过个人、小组、集体等多种解难释疑的活动，将自己所学知识应用于解决实际问题的一种教学形式。它包括提出问题、猜想假设、设计方案、实施验证、分析论证、交流评估等多个要素。探究性实验教学是探究教学的一种重要形式。

本教学设计以医学物理实验《用硅压阻力敏传感器测液体的表面张力系数》为例，从6个方面进行系统分析：①学生的兴趣需要、学习风格、认知和发展特征、学习起点和学习动机;②学习内容的层次结构、展示程序和方式;③教学目标的整体性和层次性，教学目标的条件和标准、实现教学目标的重点和难点;④教学策略的制定和教学方法的选择;⑤教学媒体的选择和应用;⑥形成性评价。本教学设计拟将在教学中实施交互式探究性的教学方式，使学生体验科学探究过程，掌握科学探究要素，培养学生实事求是的科学态度。

1 学习内容分析

医学物理实验是医学本科教育中一门必修的基础课程。本节学习内容选自第二军医大学出版社的2008年出版的《物理实验》教材，本教材由基本实验、提高型实验(综合性、设计性、应用性)、研究创新型实验等多种形式实验组成，注重发挥物理实验在培养学生科学的实验方法、创新思维能力和实践能力的作用。

本次实验课讨论提高型实验《用硅压阻力敏传感器测液体的表面张力系数》。本实验具有两个特点：首先，用硅压阻力敏传感器测量表面张力，该传感器灵敏度高，线性和稳定性好;其次，该实验采用的新的吊环不易变形，其尺寸经专门设计和试验，直接测量结果准确可靠。本实验分成两部分，第一部分：对力敏传感器进行定标，确定公式f=U/B+b中的系数B的大小，为精确测量表面张力系数奠定基础;第二部分：观察拉脱法测表面张力的物理现象，并用物理学基本概念和定律进行分析研究，测定水的表面张力系数。本节课重点讨论实验的第二部分。

实验的第二部分要求学生测量出液体的表面张力系数，并且对测量方法和原理都有较高的要求，实验内容从现象到本质，按照科学探究的思路展开，其中的原理部分更是蕴涵了科学探究的多个要素和环节，适宜对学生实施科学思维和科学方法的训练。基于以上考虑，笔者选择交互探究性的教学方式，可由学生课前自主查阅资料，在课堂交流讨论，合作完成探究性的实验，这会带给学生以很大的发挥空间。

2 学习者分析

我校是省属医学本科院校。长期以来致力于学生综合能力的培养，要求学生除掌握医学基本理论知识以外，还应掌握医学科研必需的辩证思维和分析判断解决问题的方法，并具有一定的科学素养和实践创新的能力。我校教学条件完善，学生可通过多种渠道获取信息，能满足学生个性化、多样化的学习方式。

实验室仪器设备和教学设施齐全，教学模式趋向多元化。实验课中，学生的主体地位不断被强化，学生已适应宽松、民主的课堂气氛和平等融洽的师生关系，他们独立思考、勇于质疑、乐于合作。

在生活中，学生已经对表面张力现象有了感性认识;通过理论课的学习，学生已经明确表面张力性质和定量的计算方法，理论准备知识充分;在课内外的多种渠道获取资料的过程中，学生也了解到表面张力的理论和实践的研究现状，以及在医学上的重要应用，学生对表面张力现象的本质与规律有进一步的求知欲望。

以上各项为教师选择探究式的教学模式提供了前提条件。

3 学习任务分析

理解拉脱法测液体表面张力的原理，测量出纯水和其它液体的表面张力系数;在猜想假设、设计实验、采集数据、分析论证、形成结论、交流评估的过程中，引导学生体验科学探究过程，掌握科学探究的方法;通过科学探究的过程，培养学生实事求是、勇于质疑、坚持真理的科学态度和科学精神，形成学生积极的科学情感和朴实、正确的科学价值观。

本节教学的重点：掌握液体表面张力的相关知识，理解拉脱法测液体表面张力的原理。在此过程中，使学生掌握科学探究的方法;增强学生对科学的情感体验，帮助学生形成正确的价值观，提升学生的科学素养。

本节教学的难点：理解测量表面张力系数的原理。

4 教学媒体运用

计算机(多媒体PowerPoint课件、Gif动画、视频)、投影仪。

5 教学过程与教学策略

教学过程教学策略教师活动学生活动讨论交流、

导入新课。 视频展示：因液体表面张力而表现出的纷繁的自然现象。(资料由课前师生共同搜集)。

设问：表面张力具有什么样的性质和效果? 学生讨论交流，思考问题。 设置情境、

激发想象。 实验演示：拉脱过程。

投影片显示：吊环从水中拉脱出来的某瞬间的示意图和其剖面受力示意图(图1和图2)。 学生体会拉脱过程水膜的形成过程，对吊环受到的水的表面张力的表达式f表=πα(D1+ D2)进行分析推导。提出中心问题、

确立教学主题。 提出问题：如何测量水的表面张力系数α? 学生认识到要测量表面张力系数α，需要测出表面张力f表。学生思考：如何测量f表?鼓励猜想假设、

发展直觉思维。 给学生充分的时间，营造自由、轻松的课堂气氛，引导学生提出各种合理的猜想。学生畅所欲言，各抒己见，讨论辩论，依据经验和实验条件提出各种猜想和假设。设计实验方案、

验证猜想假设。 引导学生验证假设1：拉脱过程中表面张力f表的大小等于力敏传感器承受的力f的大小。 学生根据实验器材设计实验，连接好电路，通过升降平台实现拉脱过程。采集实验数据、

绘制实验曲线。教师参与到部分实验组去，与学生共同讨论交流，并规范实验操作，提醒实验注意事项。依据实验数据，绘得图3。分析实验数据、

推翻原有假设。 教师启发：如果假设1成立，数字电压表输出的电信号可能是变量吗? 学生思考感悟：若假设1成立，电信号应该为恒量，而事实上电信号是变化的，说明假设1与事实不符。重新提出假设、

完善实验方案。 继续与学生讨论假设2：拉脱过程中力敏传感器承受的力的大小f等于表面张力f表和吊环重力G环之和，即f=f表+G环 学生讨论。部分学生对假设2提出批判：吊环重力为恒量，也不会引起电信号变化。

学生通过对仪器调零，取消这一项。绘得图4。分析梳理思路、

再次论证假设。 问：在拉脱过程中，究竟是哪个物理量的变化导致了电信号的变化?(留给学生充分思考的时间) 学生讨论交流，初步判断应该是水膜重力的变化导致电信号变化，并修正表达式为：f=f表+G环+G水 。反复实现拉脱过程、

感悟数据变化规律。 教师引导，鼓励学生深刻思考。 学生细致观察拉脱过程中的数据变化，感悟水膜重力对数据的影响。分步解释实验现象、

直至理论实践相符。 教师启发学生分步讨论。 学生思考并分组发言。分成4步来解释实验现象：①拉脱的最初阶段;②水膜增高阶段;③水膜回流阶段;④水膜断裂瞬间。归纳总结、

形成结论。 师生讨论并总结：①表达式f=f表+G环+G水能够从理论上、实践上很好地解释实验现象;②实验中读取并代入公式运算的输出电压应该为G水最小时(即水膜断裂前一瞬间)对应的电信号U2。

学生依据总结实施测量。思维拓展、

课堂延伸。 设计性实验：能否利用毛细现象测量水的表面张力系数?器材：等面积的玻璃板两块(20cm×10cm);长条状铜片(1cm×10cm，厚0.2～0.3mm);螺旋测微器;刻度尺(利用课后实验室开放时间完成)。个性作业、

多元评价。 布置作业：任选一题或自定主题，体裁不限。

(1)继续搜集表面张力的有关资料并整理(中、外文皆可)

(2)用相关软件处理本节实验课的实验数据，验证我们的猜想

(3)用思维导图表达本节实验课科学探究的过程

(4)我对液体表面张力的新猜测

(5)我希望知道的关于表面张力的其他问题

(6)由本节内容想到的涉及表面张力的医学应用

以上作业可2～4人合作完成。

实验室设置作业展览区，观摩欣赏、自评互评;部分作业将在研究性学习中安排2课时交流讨论、集体评议。

图1 水膜形成示意图 图2 吊环剖面受力示意图

6 形成性评价

在课前准备以及课堂学习过程中，学生对表面张力有了较为全面的了解，知识面得以拓宽;在动手设计实验以及数据处理的过程中，也训练了学生的实践操作技能。

学生在课堂上体验了科学探究的过程，认识科学探究的每个环节对解决问题的重要性，领悟了科学研究的要素和方法，这在第(3)项作业的思维导图中有所体现。

学生对表面张力表现出浓厚的兴趣和强烈的求知欲望，他们以实事求是的科学态度进行科学探究，养成合作与共享的个性品质，增强了学习科学的自信心和责任感，有助于形成正确的科学价值观。个性多元化的作业发挥了学生的潜能，培养了积极的科学情感。

7 教学反思

教学内容选题典型，能很好的体现科学探究的精神;交互式探究性的教学方式不仅帮助学生学习物理知识与技能，更能培养科学探究的能力，使学生逐步形成科学态度与科学精神;选用开放性的教学模式，学生积极性高，课堂气氛活跃，有助于学生形成良好的科学情感;多元化的作业可以尊重学生的个体差异，促进学生自主地、富有个性地学习，同时也有助于实现过程性评价的激励功能和诊断功能，促进学生的发展。教师在课前准备中获取了同事的宝贵意见，课后得到了专家与同行的鼓励和肯定，这些必然促进教师自身的提高以及教学实践的改进。

本次节课教学环节的安排若能再紧凑些，效果可能更好。若能与研究性学习结合，以获取稍长的课堂时间，或许能更加从容。