理論聯(lián)系實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)思維能力

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有這樣的一道試題：

某實(shí)驗(yàn)小組采用圖1所示的裝置探究“恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”，在平衡摩擦力后，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還應(yīng)滿足鉤碼的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M，這樣做的主要原因是

A.方便減小小車的速度

B.防止小車運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度過(guò)大

C.防止拉小車的細(xì)線在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中拉斷

D.確保小車受到的合外力與鉤碼的重力近似相等

受測(cè)試的大部分同學(xué)均能選出正確的D選項(xiàng)。此題考查的知識(shí)點(diǎn)屬于魯科版《必修2》教材的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)“恒力做功與動(dòng)能改變的關(guān)系”有關(guān)實(shí)驗(yàn)原理的兩個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)之一。

過(guò)后，一位同學(xué)提出質(zhì)疑，認(rèn)為B選項(xiàng)也符合題意要求，理由是：

本實(shí)驗(yàn)平衡摩擦后，細(xì)線對(duì)小車的拉力就成為小車受到的合外力，不借助其它儀器直接測(cè)出此拉力難度大，于是考慮用鉤碼的重力代替。對(duì)鉤碼受力分析后得到F=mg-ma，由式中可知只有當(dāng)加速度a很小時(shí)，才有F≈mg，即小車受到的合外力與鉤碼的重力近似相等。如果m不能遠(yuǎn)小于M，會(huì)導(dǎo)致加速度a過(guò)大，造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差。因此，B選項(xiàng)也符合題意的要求，故符合題意的答案應(yīng)為B、D。

粗看學(xué)生的整個(gè)分析、推理過(guò)程，未發(fā)現(xiàn)有明顯不妥之處。B選項(xiàng)所述是否屬于“主要原因”之一呢？我讓該同學(xué)把當(dāng)時(shí)在實(shí)驗(yàn)室得到的紙帶拿出，提醒他算一算實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小，并留意實(shí)驗(yàn)時(shí)所測(cè)小車的質(zhì)量及所掛鉤碼質(zhì)量。

學(xué)生很快完成了我布置的任務(wù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)他用到的小車質(zhì)量205.9g，當(dāng)分別掛上10g、20g的鉤碼時(shí)，由紙帶得到小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小分別為0.55m/s2、0.94m/s2。從兩次實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，掛10g鉤碼時(shí)，M≈20m；掛20g鉤碼時(shí)，M≈10m。顯然，所掛鉤碼質(zhì)量增大，小車的加速度也會(huì)增大。但本實(shí)驗(yàn)由于受m遠(yuǎn)小于M的制約，所掛鉤碼質(zhì)量不能無(wú)限地增大。實(shí)驗(yàn)中掛20g的鉤碼時(shí)就已經(jīng)不滿足m遠(yuǎn)小于M的前提要求，此時(shí)0.94m/s2的加速度仍是個(gè)較小的值。

而后，我讓該同學(xué)自己再分析，本題中的B選項(xiàng)是否符合題意？他恍然大悟：在滿足m遠(yuǎn)小于M前提下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，小車的加速度是比較小的，不可能達(dá)到較大的加速度。可見(jiàn)小車的加速度不會(huì)成為影響本實(shí)驗(yàn)F≈mg的主要因素。

回顧自己為該同學(xué)解惑的過(guò)程，感觸不少，也對(duì)當(dāng)前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有了一些新的思考。

一、教師要努力提高自身的物理實(shí)驗(yàn)思維能力

對(duì)物理實(shí)驗(yàn)，教師首先要吃透實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵和操作要點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)器材和裝置的選擇、尋找替代方面，自己首先動(dòng)手去做實(shí)驗(yàn)，并將過(guò)程和效果與理論進(jìn)行比較。教師要想向?qū)W生講清、講透實(shí)驗(yàn)原理，就必須自己對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有更深層次的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)原理不僅僅指實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹兴f(shuō)明的物理道理，它是實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)裝置和器材、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等所依據(jù)的物理道理。原理分析中所涉及的許多情況、因素和信息，往往要靠自己去尋找、收集、探究、試驗(yàn)。

此次面對(duì)學(xué)生提出的質(zhì)疑，我會(huì)讓學(xué)生把實(shí)驗(yàn)室得到的數(shù)據(jù)再做處理和分析，是建立在自己也親自做過(guò)本實(shí)驗(yàn)的前提下的，在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了小車加速度比較小的事實(shí)，于是才可以自如地引導(dǎo)他去分析、思考并最終解決困惑。當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題是不少教師對(duì)演示實(shí)驗(yàn)?zāi)苤v則不演示、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)?zāi)苤v則不做或讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室放任自流，走過(guò)場(chǎng)。教師未親自做過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題甚至突發(fā)情況沒(méi)有預(yù)見(jiàn)性，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的效果也就大打折扣。長(zhǎng)此以往，勢(shì)必大大淡化實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用，減弱學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣。更別談可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生操作技能，發(fā)展學(xué)生非智力因素。

二、教師要注重對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力的培養(yǎng)

教育部頒布的《考試大綱》對(duì)物理學(xué)科的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰γ鞔_要求：“能明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模芾斫鈱?shí)驗(yàn)原理和方法，能控制實(shí)驗(yàn)條件，會(huì)使用儀器，會(huì)觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并得出結(jié)論，對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)；能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，并制定解決方案；能運(yùn)用已學(xué)過(guò)的物理理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器去處理問(wèn)題，包括簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”。因此，中學(xué)物理教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力的培養(yǎng)就應(yīng)當(dāng)從上述方面入手。

1.重視對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的教學(xué)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：物理實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)中的重要內(nèi)容。在高中物理教學(xué)中，應(yīng)該重視學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的理解。在進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該讓學(xué)生在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒗斫鈱?shí)驗(yàn)原理的前提下獨(dú)立操作實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)實(shí)施的過(guò)程中，有的教師對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的講解往往只是“蜻蜓點(diǎn)水”，簡(jiǎn)單帶過(guò)。而把重點(diǎn)都放在教會(huì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作、如何記錄數(shù)據(jù)、如何得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果上。他們認(rèn)為，學(xué)物理只要記住實(shí)驗(yàn)原理、現(xiàn)象和結(jié)論就行了，重要的是能夠運(yùn)用公式解題。所以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程更多是照著老師所述重復(fù)一遍，無(wú)需做更多的思考。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)原理往往決定實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)器材的選取，大致關(guān)聯(lián)出實(shí)驗(yàn)步驟如何進(jìn)行。這一連串的因果關(guān)系就能形成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體認(rèn)識(shí)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)思維能力的培養(yǎng)是有益的。

只有學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理深入理解，才能認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵點(diǎn)，才能對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)前面所舉試題的質(zhì)疑，可以看出該同學(xué)能利用牛頓第二定律進(jìn)行分析，從而得到他的觀點(diǎn)，就是建立在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解基礎(chǔ)上的運(yùn)用。

2.注重對(duì)學(xué)生分析能力的培養(yǎng)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)學(xué)生分析能力的培養(yǎng)主要體現(xiàn)在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方面。

在對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解過(guò)程中，要引導(dǎo)學(xué)生充分利用已有知識(shí)，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、選擇實(shí)驗(yàn)器材，尋找獲得理想效果的實(shí)驗(yàn)條件。無(wú)論對(duì)定量實(shí)驗(yàn)還是定性實(shí)驗(yàn)，在分析原理時(shí)，應(yīng)有“量”的意識(shí)，能做定量或半定量分析的不要輕易放棄。定性分析固然簡(jiǎn)明、快捷，但在許多情況下，僅僅停留在定性分析的基礎(chǔ)上是不夠的。該同學(xué)認(rèn)為B選項(xiàng)符合題意要求，他的分析更多是利用理論知識(shí)在定性方面進(jìn)行分析，而后教師引導(dǎo)其聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行的定量分析，可以發(fā)現(xiàn)加速度在本實(shí)驗(yàn)中并不是主要原因。通過(guò)此次經(jīng)歷，該同學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解勢(shì)必又更進(jìn)一步，從加速度角度對(duì)本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析也能更深入理解本實(shí)驗(yàn)之所以容易出現(xiàn)較大誤差的原因是與加速度較小有關(guān)。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出：重視學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高，使學(xué)生能正確使用高中物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的儀器和工具，獲得較準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)信息。學(xué)生把實(shí)驗(yàn)獲得的信息演繹、歸納成結(jié)論，只動(dòng)腦不動(dòng)手和只動(dòng)手不動(dòng)腦都是不正確的。

不少教師多年形成的“師為主、生為輔”的灌輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，使得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程只是為了完成老師交待要做的事情，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差或是不合理的結(jié)果不會(huì)進(jìn)行思考、尋找原因，甚至拼湊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)付了事。于是，表面上學(xué)生經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，但能力卻絲毫沒(méi)有提高。“有經(jīng)驗(yàn)”的教師更是把每個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分不斷對(duì)學(xué)生進(jìn)行“記憶式”強(qiáng)化，讓學(xué)生臨場(chǎng)應(yīng)試時(shí)照搬照套。該同學(xué)所提出的問(wèn)題，體現(xiàn)出理論與實(shí)際的矛盾，如何引導(dǎo)學(xué)生對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，是教師在教學(xué)中要多探索的問(wèn)題。

近幾年高考命題堅(jiān)持新題不難、難題不怪，試題求新求變的步伐從沒(méi)有停止，重視和加強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)是課程改革的方向。教師應(yīng)重視平時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)原理的理解以及實(shí)驗(yàn)分析能力的培養(yǎng)和滲透，使學(xué)生在不同階段得到各種能力的培養(yǎng)和提高。只要持之以恒，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間積累，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Ρ啬艿玫捷^大的提高。

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