淺談教師如何指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行高中物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

［摘 要］傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教師按書本上講，學(xué)生按書本上做，處于被動(dòng)、模仿的地位。而新課程改革著重強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)中對(duì)學(xué)生各種能力的培養(yǎng)，并且物理學(xué)的形成是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，所以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性上起到很重要的作用，它會(huì)使學(xué)生在積極、活潑和興奮狀態(tài)中積極思考，它是培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的重要途徑。本文主要講述設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的意義，如何激發(fā)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的興趣，如何指導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三個(gè)問題。

［關(guān)鍵詞］設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 興趣 測量

［中圖分類號(hào)］G424 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1009－5489(2009)02－0040－02

著名核物理學(xué)家錢三強(qiáng)先生在《物理學(xué)史》的序中曾嚴(yán)厲指出：“今天我們科學(xué)界有一個(gè)弱點(diǎn)，這就是思想不很活潑，這也許跟大家過去受的教育有一定關(guān)系……”。

思想不活躍，是因?yàn)槲覀兘o了學(xué)生太多的“必須”的限制；思想僵化，是因?yàn)槲覀兞艚o學(xué)生太少的“可能”的余地。人的創(chuàng)新能力是在創(chuàng)造性地解決新問題的過程中培養(yǎng)和發(fā)展的。作為物理實(shí)驗(yàn)，最終交給學(xué)生的應(yīng)該是科學(xué)的思維方法，分析問題和解決問題的能力，而不是實(shí)驗(yàn)本身。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一切讓學(xué)生自己來設(shè)計(jì)、來操作，給了學(xué)生很大的想象空間。它可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思和設(shè)計(jì)能力以及提出問題、科學(xué)分析問題等方面的能力。為了更好地讓學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為教師應(yīng)該做到如下兩點(diǎn)：

一、注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)中科學(xué)家的設(shè)計(jì)思想的滲透，激發(fā)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的興趣

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，有許多實(shí)驗(yàn)其設(shè)計(jì)構(gòu)思十分巧妙，其中有一些實(shí)驗(yàn)在物理理論的建立和發(fā)展中具有重要的意義，其間凝聚著科學(xué)家的智慧和創(chuàng)造。

比如：在美國的一項(xiàng)調(diào)查中，一些受訪的物理學(xué)家推舉評(píng)出了科學(xué)史上最“美”的十大物理實(shí)驗(yàn)。

1.運(yùn)用托馬斯#8226;楊雙縫演示的電子干涉實(shí)驗(yàn)；

2.伽俐略的自由落體實(shí)驗(yàn)；

3.密歇根的油滴實(shí)驗(yàn)；

4.牛頓的棱鏡分解太陽光實(shí)驗(yàn)；

5.托馬斯#8226;楊的光干涉實(shí)驗(yàn)；

6.卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)；

7.埃拉托塞尼測量地球周長實(shí)驗(yàn)；

8.伽俐略的加速度實(shí)驗(yàn)；

9.盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核實(shí)驗(yàn)；

10.傅科單擺實(shí)驗(yàn)。

這些實(shí)驗(yàn)都堪稱物理學(xué)中實(shí)驗(yàn)的典范，但令人驚奇的是這十大實(shí)驗(yàn)中的絕大多數(shù)是科學(xué)家獨(dú)立完成，最多有一兩個(gè)助手。所有實(shí)驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)桌上進(jìn)行的，沒有用到什么大型計(jì)算工具比如電腦一類，最多不過是把直尺或是計(jì)算器。所有這些實(shí)驗(yàn)共同之處是他們都僅僅“抓”住了物理學(xué)家眼中“最美麗”的科學(xué)靈魂，這種美麗是一種經(jīng)典：最簡單的儀器和設(shè)備，發(fā)現(xiàn)最根本、最單純的科學(xué)概念，就像是一座座歷史豐碑一樣，人們長久的困惑和含糊頃刻間一掃而空，對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加清晰。

其中的1、2、4、5、6、9實(shí)驗(yàn)在高中必修或選修中都會(huì)有所涉及，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，恰當(dāng)?shù)叵驅(qū)W生介紹和運(yùn)用這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)方法和技巧，對(duì)于學(xué)生深刻地領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)，啟迪學(xué)生的創(chuàng)造性思維是大有裨益的。

二、指導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)具有較大的靈活性，需要學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法，且該活動(dòng)富有創(chuàng)造力，是訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新思維的有效載體。

1.課題的確定

教師可以提供給學(xué)生一個(gè)研究課題，并提供多種實(shí)驗(yàn)思路，提供一般的實(shí)驗(yàn)條件和初步方案，當(dāng)然課題也可以由學(xué)生提出，例如如何測重力加速度等。

2.實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

學(xué)生可以不依照提供的方案，獨(dú)立創(chuàng)立新的實(shí)驗(yàn)方案。但老師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生擬定實(shí)驗(yàn)步驟，選定實(shí)驗(yàn)器材，自己摸索操作方法，探求實(shí)驗(yàn)結(jié)論，自己撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等。總之，應(yīng)充分體現(xiàn)學(xué)生的自主獨(dú)創(chuàng)性。

(1)設(shè)計(jì)原則

①正確性：實(shí)驗(yàn)原理所依據(jù)的原理應(yīng)當(dāng)符合物理學(xué)的基本原理。

②安全性：實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和器材造成損壞，不會(huì)對(duì)人身造成危害。

③方便性：實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)便于操作，便于讀數(shù)，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

④精確性：在實(shí)驗(yàn)方案、儀器、儀器量程的選擇上，應(yīng)使實(shí)驗(yàn)誤差盡可能地小。

⑤可重復(fù)性：實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行多次測量、可重復(fù)操作。

(2)設(shè)計(jì)思路(流程圖)

解決設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)問題的關(guān)鍵是確定實(shí)驗(yàn)原理，它是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本依據(jù)和起點(diǎn)，它決定應(yīng)當(dāng)測量那些物理量、如何安排實(shí)驗(yàn)步驟、如何處理數(shù)據(jù)等。

比如：測重力加速度的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的原理

設(shè)計(jì)一 用彈簧秤和已知質(zhì)量的鉤碼測量

將已知質(zhì)量為m的鉤碼掛在彈簧秤下，平衡后，讀數(shù)為G，利用公式G=mg得g=Gm。

設(shè)計(jì)二 用滴水法測重力加速度

如圖1，調(diào)節(jié)水龍頭閥門，使水滴按相等時(shí)間滴下，用秒表測出n個(gè)(n取50—100)水滴所用時(shí)間t，則每兩水滴相隔時(shí)間為t′=tn，用米尺測出水滴下落距離h，由公式h=12gt′2可得。

設(shè)計(jì)三 研究自由落體運(yùn)動(dòng)的頻閃照片

如圖2是自由落體(小球)的頻閃照相的照片，閃光頻率為20Hz，照片表明了自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

1.照片上小球最初幾個(gè)位置較密集時(shí)，可選擇某一個(gè)間距較大的位置的作為位置1開始讀數(shù)。小球的位置都取小球球心，讀出相鄰兩位置間的距離s1、s2、s3…，再算出相鄰的相等時(shí)間內(nèi)的距離之差：Δs1=s2－s1，Δs2=s3－s2，Δs3=s4－s3…。通過定量計(jì)算：發(fā)現(xiàn)Δs基本相等。因此可證明自由落體運(yùn)動(dòng)是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

2.根據(jù)Δs=aT2得a=ΔsT2就可以計(jì)算出自由落體運(yùn)動(dòng)的加速度(即重力加速度g)的數(shù)值。

設(shè)計(jì)四 用圓錐擺測量

使單擺的擺錘在水平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，用直尺測量出h(見圖3)，用秒表測出擺球n圈所用的時(shí)間t，則擺球角速度ω＝2πnt。

擺球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力F=mgtanθ，而θ=rh所以mgtanθ=mω2r，由以上幾式得：g=4π2n2ht2，將所測的n、t、h代入即可求得g值。

3.教師對(duì)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)：不管研究方案如何，教師應(yīng)關(guān)注過程和提供指導(dǎo)，使學(xué)生注意研究過程的科學(xué)性。對(duì)于一些創(chuàng)造性的思路與方法，應(yīng)及時(shí)予以肯定。但應(yīng)注意，這種“關(guān)注”和“肯定”絕不是包辦代替。

結(jié)束語：本人根據(jù)上述的方法做了幾次嘗試，收益匪淺，學(xué)生們都說他們能按自己的思維方式比較自由地去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，能通過自己的親身體會(huì)發(fā)現(xiàn)并掌握物理規(guī)律，不僅激發(fā)了學(xué)習(xí)物理的興趣，還使他們在一種比較愉快的情境下去理解物理規(guī)律，同時(shí)感到自己的動(dòng)手能力也有所提高，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的了解和使用方法更清楚。最重要的是通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)會(huì)使他們更加懂得物理實(shí)驗(yàn)的探索過程中當(dāng)遇到自己意想不到的問題時(shí)他們會(huì)自己積極想辦法去解決，從而提高他們分析和解決問題的能力。

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