改進物理實驗教學 培養學生創新能力

陳景太 孟憲松

(江蘇省泗陽中學,江蘇泗陽 223700)

物理學是一門以實驗為基礎的科學.物理實驗作為物理教學的基本手段,有其特殊的教學功能.幾年來,我們在實驗教學中通過“破、讀、看、找、創”5個環節,有意識地引導學生認真閱讀教材,仔細觀察實驗,積極思維聯想,大膽創新實踐,有力促進了物理實驗的教學改革,激發了學生的興趣,培養了學生的創新能力.

1 實驗教學的5個環節

1.1 破:破除學生思維上的定勢

消除認為做實驗必須按書本規定的方法,一成不變的思維框框.向學生指出同一實驗,可以用不同的方法,不同的器材和裝置進行.課本中的實驗,有的實驗原理不夠完善,有的操作麻煩,有的效果不理想,需要從實驗原理、裝置和操作方法上加以改進.在教學中,同時向學生展示經過精心改進的實驗,在對比中讓學生認識到探索改進實驗的方法,是一件很有意義的工作,從而激起學生思維的積極性和強烈的求知欲.

1.2 讀:精讀書上敘述的實驗內容

筆者在演示改進的實驗時,讓學生明確,一個新的實驗方法的產生,是建立在對舊方法深入認識的基礎上,針對其存在的缺陷進行改進而實現的.要求學生對每個實驗的內容都認真閱讀,弄清實驗的目的、原理、儀器裝置,了解操作程序,在頭腦中形成一個完整的實驗過程.要能根據實驗原理去分析推斷實驗現象,使自己心中有數.這樣才能在觀察教師的實驗演示中發現問題,找出實驗方法上的不足.

1.3 看:觀看教師的實驗演示過程

要求學生不僅仔細觀察實驗中的各種現象,而且要注意教師的操作過程.引導學生按實驗原理完善,裝置簡便合理,操作省時易行,實驗效果好的標準,在觀察中積極思維,作出分析判斷.教師應有意識地突出實驗中的不足之處,達到啟發學生觀察的敏銳性,培養學生綜合概括和分析判斷能力的目的.

1.4 找:發動學生找出實驗存在的問題

這是學生思維活躍、興趣高的一個環節,也是最富于啟發性的過程.教師在實驗后,放手讓學生去充分討論,鼓勵發表不同意見.要求學生大膽列舉自己看出的“問題”,相互交流,切磋對錯.然后師生共同總結歸納出實驗上的問題,為改進創新實驗方法打下基礎.

1.5 創:探索創新實驗方法

教師應幫助學生樹立成功的自信心,培養他們刻苦鉆研精神和堅韌不拔的毅力.充分發揮學生的想象力和創造精神,引導他們運用掌握的知識在實踐中去探尋實驗方法.

新方法的設計主要在課后進行.通過學生的集思廣益,取長補短,從中尋求最佳實驗方法.最后按新設計的實驗方法進行實驗,檢驗改進后的效果.

實踐證明,通過這五個環節的實驗教學,不僅充分調動了學生學習物理的積極性和主動性,而且培養鍛煉了學生的各種能力,學會了科學研究問題的方法,有利于學生的創新能力發展,同時開闊了學生的知識視野.

2 改進實驗方法的實例

2.1 改進驗證向心力公式實驗

演示此實驗前,先向學生講明實驗原理存在問題(操作難度大、效果不佳),交給學生設法改進實驗方法的任務.然后按“閱讀課文一觀看演示一提出問題一創新方法”的步驟進行實驗教學,在實驗后的廣泛議論中,綜合大家的意見,歸納出實驗存在的主要問題是:(1)原理不完善,不能保證小球在水平面內做勻速圓周運動,從而彈簧秤的讀數不能代表小球所受的向心力;(2)在托起小球時,手的位置忽上忽下,讀數不確定、而且可見度太小;(3)彈簧秤隨時在伸縮,以致很難確定圓周的半徑;(4)改變角速度在觀察時不明顯.針對上述幾個問題,學生們展開了積極的探討和研究.通過反復實驗得知,用光滑圓板約束小球,這樣能保證小球在水平面內做圓周運動,同時易于確定小球的軌道半徑,用圓形測力計代替彈簧秤,增大了讀數的可見度,利用秒表記時能較準確測出小球運動的角速度.

圖1

改進后的實驗裝置如圖1.鐵架臺上端用十字夾夾一鉆有圓孔的光滑圓板,圓孔中套一光滑空心帽釘,圓板上畫有一直徑作為標志線.圓形測力計通過十字夾固定在鐵架臺上,按圖1裝置好器材,給系線小球一初速度,小球做勻速圓周運動所需向心力可由圓形測力計顯示,角速度可通過秒表測出小球經過標志線的次數與所經歷時間求出,改變小球運動的軌道半徑可通過調節十字夾改變圓板高度實現.測出靜止時小球球心到圓板中心的距離s,然后由小球運動過程中圓形測力計的讀數,易得對應的伸長量Δx,從而小球運動的軌跡半徑 r通過s+Δx求出,能定量驗證向心力公式.

改進后的實驗,原理較完善,操作方便、直觀,可見度大,穩定性好,效果較好.

2.2 改進測電流表內電阻實驗

將電流表改裝成電壓表,關鍵是如何精測電流表的內電阻,在進行此學生實驗之前,筆者就將實驗的難點分散到課堂演示實驗之中.先指導學生閱讀教材,然后叫兩名學生上講臺演示,大家仔細觀察.實驗后,學生們立即發現,這個實驗操作不便、調節滑線變阻器時難于使電流表剛好滿偏.稍不小心,表針超滿偏,易損壞電表,實驗的測量值為94 Ω(300 μA電流表),課前筆者用電橋精測的值為103 Ω,相對誤差為8.7%.在此基礎上筆者引導學生進行了實驗的定量誤差分析,指出這是由于實驗原理不完善和測試方法粗略所帶來的系統誤差,這樣改裝后的電壓表也將出現較大誤差.如何使實驗操作方便,減小實驗的的系統誤差,在廣泛的討論中,學生們提出了在干路中串聯一個微調電位器、選用高內阻和電壓較高的電源的切實可行的措施.實踐證明,效果很好.為了開闊學生的知識視野,充分發揮他們的創造精神,筆者提出了如何設計實驗原理更完善、操作簡便,精度較高的實驗電路,并提示他們回顧一下測電阻的方法,啟發他們帶著問題積極思考探索,在對比中去聯想、創新.課后學生們很快設計出了近十種實驗電路.現舉例如下.

例1.實驗電路如圖2所示,G1為待測內阻的電流表,G2為靈敏電流表,R1為滑線變阻器,R2為電阻箱.

實驗步驟和原理簡述如下:

(1)按圖2連接好電路,將 R1觸頭置左端,R2調為零.

(2)關閉S1,緩慢調節 R1,在 G1、G2均不超滿偏的情況下,使G2有較大整數刻度數值,并記下此時 G2指針所在位置.

(3)關閉S2,調節 R2,使 G2指針恢復原來位置,記下電阻箱的阻值 R2,依次斷開 S2、S1,則得電流表 G1的內阻Rg=R2(若將 G2與 G1互換,同理可測出 G2的內阻).

圖2

圖3

例2.實驗電路如圖3所示,G為待測內電阻的電流表,V為標準電壓表,R1為滑線變阻器,R2為電阻箱,R0為已知精密定值電阻(數kΩ).

實驗步驟和原理簡述如下:

(1)按圖3連接好電路,將 R1觸頭置左端,R2調為零.

(2)關閉S1,緩慢調節 R1,在 G不超滿偏情況下,使V有較大整數刻度數值,并記下此時V指針所指位置.

(3)關閉S2,增大R2阻值,使V表指針恢復到原來位置,記下電阻箱的阻值 R2,依次斷開S2、S1,則電流表的內阻Rg=R2-R0.

上述兩電路不但能精測電流表內阻,而且可直接用于改裝后電壓表的校核電路(例1電路中的G2用標準電壓表V取代即可).

實踐證明,改進后的電路原理完善、簡單易懂、省時省材、操作方便、精度較高(消除了半偏法測電流表內阻由于表頭直線性不良引起的系統誤差),不失為較好的實驗改進電路.