讓學生在實驗中提升思維品質

摘 要： 培養學生的物理思維，提升學生的思維品質是高中物理教學的重中之重。本文分析了物理實驗的要素，探討了在高中物理實驗中提升學生的物理思維品質的方法。

關鍵詞： 高中 物理實驗 實驗教學 思維品質

高中物理實驗作為完成物理教學任務的重要方法和必要手段，是整個物理教學的基礎。物理教學的三維目標的實現，均離不開實驗教學。物理實驗具有融科學觀察、動手操作、物理思維于一體的特點，這就決定了物理實驗為培養、完善學生的物理思維品質提供了豐富的素材。教師應該深入分析、挖掘物理實驗教學在學生思維品質培養上的各種有利因素，增強實驗教學培養思維品質的有效性、針對性和可操作性。

一、把握實驗原理，提升思維的深刻性

實驗原理的把握包括對原理的深刻理解，以及原理在實驗各個環節的落實應用。該過程實質上是揭示物理實驗的內在本質的一種深刻性思維過程，可有效地培養學生物理思維的深刻性。為此，教師在實驗教學中，首先應針對實驗的目的，啟發學生根據已有的物理知識經驗，得出制約實驗的內在依據——實驗原理。在中學物理學生實驗范圍內，實驗原理主要表現為實驗依據的物理規律。諸如，測量性實驗中的待測物理量的量度公式，驗證性實驗中所要驗證的物理定律等。其次應在學生全面理解實驗原理的基礎上，結合現有的實驗條件，引導學生通過具體分析，明確實驗的研究對象，選取恰當的實驗器材，確定合理的實驗步驟，確定實驗的關鍵——如何控制實驗條件，知道實驗誤差的可能來源，以及減少誤差的具體辦法，等等。這樣，實驗原理即成為學生頭腦中的一條思維主線，貫穿于實驗過程的各個具體環節。學生在實際動手操作之前，已先在頭腦中進行了積極的思維操作，正是這種深刻的物理思維過程，保證著實驗有序順利地進行。

例如我指導學生嘗試利用小車探究驗證加速度與力、質量的關系實驗，首先讓學生全面把握實驗的原理：在質量一定時，加速度與合外力成正比；在合外力一定時，加速度與質量成反比。接著根據實驗原理，引導學生展開嚴密的物理思維得出：實驗的研究對象——運動的小車；實驗的方法——控制變量法；實驗的步驟——控制實驗條件（保持小車質量一定時，探究加速度跟力的關系），得到研究對象在不同拉力下的加速度值（保持小車所受拉力一定時，探究加速度與質量的關系），得到研究對象在不同質量下的加速度值；實驗的注意事項——要平衡小車的摩擦力、拉小車的鉤碼的質量應遠小于小車的質量等；實驗數據的處理——用直觀形象的a—F、a—m、a—1/m圖線；實驗誤差——主要來自小車的摩擦力沒有完全被平衡，拉小車的鉤碼的質量沒有遠小于小車的質量，等等。

通過上述積極的物理思維，學生對實驗中各個環節的因果關系有了全面、深刻的認識，深入了解了物理現象的內

在本質，從而有效地培養了學生物理思維的深刻性。

二、掌握實驗方法，培養思維的靈活性

實驗方法和實驗模型作為實驗的理想“框架”，具有很強的概括性和極大的遷移價值。教學中有意識地使學生掌握各種常用的實驗方法，并用以解決新的實驗問題，能有效地培養學生物理思維的靈活性。為此，在實際教學中我們要注意以下幾個方面：

首先，使學生深刻領會實驗的設計思想。作為實驗方法的精華，實驗設計思想是物理智慧的集中體現。在教學中教師應通過對一些經典實驗的全面剖析，引導學生概括出其中獨特的設計、巧妙的構思，以有效地啟迪物理智慧，為培養學生物理思維的靈活性奠定基礎。如，卡文迪許扭秤實驗中測定微小量的轉化放大的實驗思想，光的干涉實驗中將一束光分為兩束從而得到相干光源的巧妙設計，庫侖實驗中改變帶電體電量的巧妙構思，驗證碰撞過程動量守恒實驗中以平拋運動的水平位移代替碰撞前后的瞬時速度的等效替代思想，等等，均是實驗設計思想的豐富素材。

其次，提供新的實驗情景（諸如改變實驗目的要求，改變實驗的器材等），要求學生運用已掌握的實驗方法及實驗模型，構思新的實驗方案，解決新的實驗問題。例如，學生從測定光的折射率實驗中掌握了用插針法確定光線的方法后，可將其靈活遷移到驗證光的反射定律、測定玻璃的臨界角、測定透鏡的折射率等新的實驗情景中。再如，圖像法作為處理實驗數據、探索物理規律的重要方法，具有極大的遷移價值。學生最早從探究勻變速直線運動速度規律實驗中掌握了圖像法之后，可將它應用于多種不同的實驗情景中，諸如電源電動勢內阻的測定、研究胡克定律等。這種將具有概括性的實驗方法向新實驗的遷移，能有效地培養學生物理思維的靈活性。

再次，要求學生根據給定的實驗目的，提出盡可能多的實驗方案，或者運用同樣的實驗裝置，完成多個實驗，以有效地培養學生物理思維的發散性和靈活性。例如，在測量重力加速度實驗中，可啟發學生提出多種實驗方案，如用打點計時器的自由落體法、滴水法、斜面上運動的動力學法、單擺法、圓錐擺法等。再如，應用電池、變阻器、電流表、電壓表、開關等器材，要求學生完成多個實驗，如驗證部分電路和閉合電路的歐姆定律，測量電阻，測量電源的電動勢和內電阻，研究電源輸出功率的變化規律，等等。

三、反思評價實驗結果，提升思維的批判性

對實驗得出的結論，教師要引導學生用批判性的眼光加以全面審視，從中發現問題，分析其中的物理原因，提出新的見解，以有效地培養學生物理思維的批判性。

首先，在實驗教學中，引導學生對實驗的結果不盲目迷信，要善于質疑，辨明真偽。有一些實驗（如用小球在斜面上滾動驗證力和加速度成正比），盡管實驗顯示的結果與實驗原理預想的相吻合，但未必說明此實驗原理就一定沒有問題。另一些實驗，課本中的敘述并不嚴密準確（如驗證機械守恒定律實驗中要求用前面兩打點的間距為2mm的紙帶）。還有一些實驗，它所顯示的結果是一種假象，并不能真正說明物理規律，諸如，將音叉振動后旋轉能聽到忽強忽弱的聲音說明聲波干涉，用與感應圈接通的陰極射線管發出的陰極射線使其下方的小磁針偏轉來說明運動電荷的磁效應，用一對平行金屬板（與感應圈相連）在充、放電時其內部的小磁針發生偏轉說明變化的電場產生磁場，等等。對這些似是而非的實驗，學生往往會被實驗的假象所迷惑。教師要引導啟發學生運用已有的物理知識，對此進行周密、深刻的分析，找出其中的問題，揭示實驗現象的真實原因。如對陰極射線下方小磁針偏轉的現象，產生的真實原因并不是陰極射線激發的磁場（此磁場極弱，不足以使小磁針發生偏轉），而是感應圈工作時強大的磁場所致。利用這種排除假象、去偽存真的積極的物理思維，能有效地培養學生物理思維的批判性。

其次，要求學生尊重實驗事實。由于各種原因，實驗的結果與預期的實驗目的可能并不完全符合。諸如，在探究加速度與力、質量關系的實驗中測得的a—F圖線往往不是嚴格的直線；在描繪等勢線實驗中得到的等勢線在導電紙的邊緣處與理論上的存在著較大的差別，等等。這時，教師要引導學生本著實事求是的科學態度，對實驗事實作出客觀、公正的評價；通過對實驗過程的全面反思，仔細分析造成實驗誤差的原因，進而提出改進實驗的新設想。切忌為了迎合實驗要求而隨意篡改實驗事實，從而既培養學生的科學態度，又訓練學生物理思維的批判性。

四、加強探索性實驗，提升思維的獨創性

在物理實驗中，實驗方案的構思與設計是實驗獲得成功的重要環節，是培養學生思維創造力的關鍵。探索性實驗要求學生獨立構想實驗方案，能有效地培養學生物理思維的獨創性。

1.提出課題。在創設一種有利于學生探索與研究的情景的基礎上，可以直接向學生提問或由學生自己提出相應的實驗課題。比如：“如何設計實驗測量電源的電動勢、內阻？”“如何探索試管（內置重物）在水中處于穩定平衡的條件？”等。

2.自主設計。針對提出的課題，學生獨立地對已有的知識、方法加以新的組合分析，提出理論假設，構思實驗方案。如在“探索浮體（內置重物的試管）的穩定性”實驗中，首先，學生利用已有的相關知識，提出浮體在水中處于穩定平衡的假設——物體整體重心位于浮心下方；接著，根據假設，設計實驗方案，確定實驗步驟。

3.觀察操作。學生根據自主設計的實驗方案，運用儀器獨立地進行實際操作，控制實驗條件，觀察實驗現象，記錄實驗數據。如在“探索浮體穩定性”實驗中，學生主動控制實驗條件——改變試管中硬幣的個數，用懸掛法測得試管相應的重心位置，用穩定平衡法測得試管的浮心位置，并將測得的結果填入相應的表格中。

4.分析歸納。學生對實驗操作中觀察到的現象、測得的數據，進行思維操作，理性加工，從中概括總結出規律性的結論。如在“探索浮體穩定性”實驗中，學生對已測得的實驗數據進行分析處理，采用圖線方法，得到反映試管重心及浮心隨硬幣個數變化的圖線，再對圖線加以外推，總結得到試管穩定平衡（重心低于浮心）時硬幣個數應滿足的條件。

5.質疑釋疑，遷移再創造。作為實驗的最后環節，對實驗得到的結論及實驗的全過程，要求學生從新的角度進行批判性的考查。教師要啟發、鼓勵學生質疑，或教師向學生質疑。諸如，有沒有與本實驗的結論相關的理論模型？本實驗有無需要改進的地方？實驗的設計思想能否遷移到其它情景中？等等。如在“探索浮體的穩定性”實驗中，針對從實驗數據得出的兩根圖線（重心隨硬幣個數的變化及浮心隨硬幣個數的變化），啟發學生思考是否有與圖線變化規律相對應的物理模型？由該模型得到的數學關系與實驗結果是否吻合？在重心圖線上，重心最低位置與管中硬幣的高度恰好相等，這是偶然的巧合還是必然的結果？浮心圖線為何是條直線？本實驗結論可否遷移到木塊在水中的平衡？比重計的原理與本實驗有聯系嗎？等等一系列問題。這種質疑、釋疑，可有效地培養物理思維批判性、創造性。

俗話說：“只有在游泳中才能學會游泳。”同樣道理，個體只有在思維過程中才能學會思維，任何人都無法替代。所以教師應該更加主動地按照物理新課改的要求，給學生以更大的信任，在實驗中放手讓學生去探索、去領悟，更多地重視學生探求知識的過程而不是結果，進而提升思維品質。惟有如此，才能培養出充滿科學精神的創新者、思想者。

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