物理實驗教學中的過程設計

物理教學中往往有這樣的說法:“過程比結論重要，方法比知識重要.”新課程的具體教學目標中，把“過程與方法”也單獨列為一條.在物理實驗教學中要突出過程，就需要有一個教與學的過程設計.過程設計既要從學生的基礎出發，又要體現實驗教學內容本身的特點.

一、演示實驗教學中的過程設計

演示實驗是物理教學的一個重要環節，中學許多物理概念和規律都是通過演示實驗總結歸納出來的.演示實驗教學中的過程設計的合理與否，將直接關系到課堂教學的質量.一個好的演示實驗教學的過程設計，既要體現出演示實驗教學的功能，又要體現出教學的步步深入，環環相扣的思路，更要結合學生實際，體現出教學過程中讓學生發現問題、分析問題和解決問題的思路與方法，從而通過自己的思維參與過程設計.

下面以“互感和自感” [1 ]一節課中演示實驗中的過程設計為例，加以說明.

這節課的過程設計中，需要注意以下幾個問題.一是怎樣從互感自然地過渡到自感，二是怎樣從現成的課本中的兩個通電與斷電的自感演示實驗，提升到讓學生共同來參與設計，從而達到一個更高層次上的學習. 過程設計如下.

問題一:如圖1所示，當原線圈L1接在220V的交變電壓上，小燈泡會亮嗎?

分析討論1:分析原線圈中某段時間內電流增大時，穿過副線圈的磁通量的變化情況. 根據電磁感應的產生條件和楞次定律，層層推理(具體從略)，從而得出:當一個線圈中的電流變化時，它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢，這種現象叫做互感.

問題二:在圖1中，線圈L1中的電流也在變化，穿過線圈L1中的磁通量也在發生變化，那么，線圈L1中也會產生感應電動勢嗎?如果會又該怎樣觀察?

探究一:

①問題:設計怎樣的實驗，來檢驗感應電動勢的存在，觀察到對電流增大時的影響(設計時，為了操作安全，把220V交流電改用干電池)?

②電路等效:先將電路畫成如圖2所示.

③分析與討論:在圖2中，當開關閉合時，沒有檢驗設備是檢測不到感應電動勢的存在的.能不能在電路中串聯一個小燈泡來檢驗?如圖3所示.

顯然還是不行，因為閉合開關，小燈泡亮，是檢測不到感應電動勢的存在與否的.必須進一步設計實驗.試想，如果L電路中能產生感應電動勢，其他電路中不能產生感應電動勢，是否對兩個支路用比較實驗的方法來鑒別呢?因此，可以用另一電路并聯的方法來解決.電路如圖4所示.這就是課本中典型的電路閉合時觀察自感現象的電路.

探究二:

問題:設計怎樣的實驗，來檢驗感應電動勢的存在，觀察到對電流減小時的影響?

可以根據探究一的過程設計，層層推演，設計出電流減小時，自感電動勢對電流減小時的影響如圖5所示(具體過程設計文字不再贅述).這就是課本中典型的電路斷開時觀察自感現象的電路.

從問題1、問題2可以看出，通過互感到自感的過程設計，把兩者緊密地、有機地聯系在一起，從常見的互感現象通過過程設計很自然地引入到自感現象.從探究一、探究二可以看出，本來按課本單純地做開關閉合和斷開時觀察自感現象的實驗，現在通過層層推演、步步分析的過程設計，不但觀察到了開關閉合和斷開時的自感現象，而且知道這個開關閉合和斷開時的自感現象是怎樣設計出來的，從中領略到過程設計中的思路和方法.

二、探究性實驗中的過程設計

物理教學就是讓學生在學習的過程中，除了掌握知識內容外，還要掌握知識的形成和外延，更要培養學生掌握、運用科學研究的手段和方式，為學生的終生學習打下扎實的基礎.探究性實驗能夠很好地體現這一意圖.但是，不同的探究性實驗教學中的過程設計，側重點有所不同，特別是探究性實驗教學中前一個環節與后一個環節之間跨度大難于銜接.所以，探究性實驗的過程設計要突出各環節之間的有機結合，必要時給予學生一個思維的“橋梁”，讓探究順利進行，讓知識自然發生.

下面以“探究電磁感應的產生條件” [1 ]的探究性實驗中的過程設計為例，加以說明.

探究電磁感應的產生條件是通過圖6、圖7、圖8所示的三個實驗，觀察能否產生感應電流的實驗結果，經過分析論證歸納出電磁感應的產生條件.

通過圖6的實驗探究，可以得出如下的結論:

只有左右平動時，導體棒切割磁感線，有電流產生，前后平動、上下平動，導體棒都不切割磁感線，沒有電流產生.

通過圖7的實驗探究，可以得出如下結論:

只有磁鐵相對線圈運動時，有電流產生.磁鐵相對線圈靜止時，沒有電流產生.

通過圖8的實驗探究，可以得出如下結論:

只有當線圈A中電流變化時，線圈B中才有電流產生.

在這一節的教材中，探究的重點和難點均在于通過實驗現象分析論證電磁感應的產生條件上，下面談談通過實驗現象分析論證電磁感應的產生條件的教學設計.

① 首先從圖7的實驗結論入手.當磁鐵相對線圈運動時，線圈所在位置的磁場將發生變化.而當磁鐵插入線圈時，線圈所在位置的磁場變強;而當磁鐵從線圈中抽出時，線圈所在位置的磁場變弱.因此，我們可以猜想:線圈中產生感應電流可能是由于磁場的變化引起的.

② 其次從圖8的實驗結論入手.當開關閉合與斷開的瞬間或開關閉合迅速移動變阻器滑片時，A線圈中的電流發生變化，A線圈產生的磁場的強弱發生變化，導致B線圈所在位置的磁場隨之發生變化.所以，前面得出的猜想可能是正確的.

③ 最后分析表1.只有左右平動時，導體棒切割磁感線，有電流產生.由于圖6的實驗中磁場沒有發生變化，所以通過表2和表3的分析提出的猜想是不正確的，至少是不全面的.

到這里，似乎探究電磁感應的產生條件陷入了死胡同.但是，我們可以堅信，上述的實驗都是通過磁場產生電流的，它們之間必定有相同的產生條件.只是這個條件好像不在身邊，而是在“河的對岸”，作為教學設計，我們必須架設思維的“橋梁”.

④ 將圖6的實驗裝置等效成如圖9所示.

在圖9的等效實驗裝置圖中，導體棒AB切割磁感線，相當于矩形線框從磁場區域中拉出.在這個實驗裝置中，雖然磁場的強弱不變，但是穿過磁場的面積在發生變化.而同時描述磁場強弱和穿過線圈面積的物理量是磁通量.由此又可以提出一個新的猜想:線圈中產生感應電流可能是由于穿過閉合回路的磁通量變化引起的.

⑤ 再次分析，用磁通量的變化來分析論證圖7、圖8中產生感應電流的條件，都與猜想相符.

⑥ 列舉不同的實驗裝置產生感應電流的不同實驗現象，發現都能夠用磁通量的變化來解釋.

在這里的分析論證中，我們把三種不同的產生電磁感應的現象，通過圖9的等效實驗裝置(最好能設計一個類似的演示實驗)，把條件統一起來了.所以，在探究性實驗的過程設計中，要鋪墊一定的思維“臺階”，要營造一定的思維“橋梁”.通過這樣的教學設計，從實驗現象出發，由簡單到復雜，由已知到未知，再通過“臺階”的引導，“橋梁”的過渡，步步深入，分析論證，就能自然地達到探究的目的.

三、設計性實驗中的過程設計

設計性實驗歷來是教與學的一個難點，究其原因，學生缺少實驗設計的過程與方法，教師缺少在教學設計過程中暴露學生的思維過程及缺陷，這與在平時的設計性實驗教學中只注重結論，不重視過程與方法有關.所以，在平時的設計性實驗教學中的過程設計，既要突出實驗設計的科學、安全、精確、方便、單一變量等原則，更凸顯設計過程的方法與思路.

下面以“測定電池的電動勢與內電阻”的設計性實驗教學為例，展示該實驗中的過程設計思路.

現要求用下列所提供的器材測量一節干電池的電動勢E.器材如下:

干電池(電動勢約為1.5V，內阻未知);

電流表(量程10mA，內阻為30Ω~40Ω);

阻值為100Ω和150Ω的定值電阻各一個

開關S1 、S2;

導線若干.

要求:根據所給器材，要求測量盡可能精確，請設計一個測量一節干電池電動勢的電路.寫出在該實驗中需要測出那些物理量?并寫出用已知量和測得量表示的待測干電池的電動勢表達式.

過程設計如下.

① 回顧課本中測定電池的電動勢與內電阻實驗的過程與方法:

我們知道，測量電源電動勢一般有三種基本的測量方法，即伏安法、電流表電阻箱法和電壓表電阻箱法。

② 分析與討論得出實驗設計的思路:

由于只有一個電流表和兩個定值電阻，所以可以考慮用電流表、電阻箱(兩個定值電阻相當于電阻箱的兩次讀數)測電源的電動勢.

③ 設計電路:

根據分析的思路以及電阻的連接方式，我們可以設計出如圖10所示的兩個電路:

④ 分析討論判別電路的合理性:

進一步分析討論，設計出的甲、乙這兩個電路原理圖中，兩個電路是否都合理?

我們先根據已知的物理量進行估算。

如果采用乙電路，當兩個電阻R1和R2并聯時，通過電流表的電流約為15mA，顯然，已經超出電流表的量程，所以只有甲電路合理.

⑤ 分析討論在甲電路中，R1應選擇哪一個電阻?

這同樣需要對電路中的電流進行估算.如果R1選擇阻值為100Ω的電阻，那么，當開關S2閉合時，通過電流表的電流約為11mA，顯然，已經超出電流表的量程，所以R1選擇阻值為150Ω的電阻.

⑥ 寫出用已知量和測得量表示的待測干電池的電動勢表達式:

測出閉合開關S1、S2時，電流表的讀數I1和 閉合開關S1、斷開S2時，電流表的讀數I2 ，根據閉合電路歐姆定律，聯立可得電源的電動勢:

E=R2 .

以上實驗教學過程設計的案例，都是通過層層分析，步步推進，在分析討論中尋找正確的設計途徑，充分暴露設計過程中的思維過程，讓學生通過自己的思維參與設計過程，并讓學生在錯誤中汲取經驗教訓，在成功中分享喜悅與快樂，在設計中學習，在學習中設計.從而使學生領略到為達到教學目的而一步一步地進行設計的過程與方法.這樣的學習，不僅使學生學到了知識，更重要的是學到了過程設計中蘊涵的思想與方法，這樣的學習才是更高層次的學習.

參考文獻:

[1] 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心. 高中物理課程標準實驗教科書物理[M]. 北京:人民教育出版社，2010.