實(shí)驗(yàn)故障在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的積極作用

郝大鵬 陳華 尋之朋

摘要：實(shí)驗(yàn)故障在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中除具有負(fù)面影響外，還常常具有積極的作用。本文在對(duì)實(shí)驗(yàn)故障進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，對(duì)各種實(shí)驗(yàn)故障的正面及負(fù)面作用進(jìn)行了較詳細(xì)地分析，并給出了如何有效利用實(shí)驗(yàn)故障提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和分析解決問(wèn)題能力的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)故障；物理實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）52-0278-02

一、引言

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)不但可以加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，同時(shí)可以鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和分析解決問(wèn)題的能力。因而，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)本科生的基礎(chǔ)物理教學(xué)及后續(xù)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)都起到重要的作用。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，各種實(shí)驗(yàn)故障經(jīng)常發(fā)生。實(shí)驗(yàn)故障的發(fā)生直接影響了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)度，從而影響了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師總是采取各種必要的措施來(lái)盡量減少實(shí)驗(yàn)故障的發(fā)生幾率，而在對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)中也更傾向于正面評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)任何故障的學(xué)生。雖然從實(shí)際測(cè)量的角度來(lái)講，實(shí)驗(yàn)故障應(yīng)該盡量避免，但是從教學(xué)的角度來(lái)講，實(shí)驗(yàn)故障起到的作用并非全是負(fù)面的。從一定程度上來(lái)講，實(shí)驗(yàn)故障反而能使學(xué)生更好地深入理解該實(shí)驗(yàn)，更能培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力。因而，從教育、教學(xué)的角度來(lái)講，積極地有效利用實(shí)驗(yàn)故障是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的一個(gè)重要途徑。本文結(jié)合作者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)和積極利用實(shí)驗(yàn)故障促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的嘗試就物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)故障在教學(xué)中的積極作用進(jìn)行闡述，重點(diǎn)闡述對(duì)實(shí)驗(yàn)故障的分類方法和如何有效利用實(shí)驗(yàn)故障的教學(xué)方法。

二、實(shí)驗(yàn)故障的分類和特點(diǎn)

為更好地說(shuō)明實(shí)驗(yàn)故障對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用有必要對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的常見(jiàn)故障進(jìn)行分類。根據(jù)不同的特點(diǎn)，可以采用不同的分類方法。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類，實(shí)驗(yàn)故障的產(chǎn)生原因可以分為儀器故障、操作失誤、環(huán)境影響和虛假故障等。顧名思義儀器故障是由于儀器本身出現(xiàn)故障造成實(shí)驗(yàn)中斷或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)異常。在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)儀器故障最多的是電磁學(xué)部分的實(shí)驗(yàn)，在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常見(jiàn)的儀器故障則是所用導(dǎo)線的斷裂或接觸不良，如高阻直流電勢(shì)差計(jì)實(shí)驗(yàn)或霍爾效應(yīng)測(cè)量螺線管磁場(chǎng)等。當(dāng)然還有些是由于實(shí)驗(yàn)儀器本身出現(xiàn)了這樣那樣的問(wèn)題造成的，在任課教師準(zhǔn)備充分的情況下，儀器狀態(tài)通常較好，出現(xiàn)這種問(wèn)題的可能性較小。因操作失誤造成的實(shí)驗(yàn)故障出現(xiàn)的概率也是很大的，這主要是由于學(xué)生接觸實(shí)驗(yàn)儀器較少，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作不夠熟練。而最主要的原因在于部分學(xué)生課前預(yù)習(xí)不充分，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟都不熟悉，加之“野蠻操作”就容易做出錯(cuò)誤操作。操作失誤是應(yīng)該通過(guò)課前預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中教師的講解盡量避免的，而且由操作失誤引起的實(shí)驗(yàn)故障通過(guò)仔細(xì)檢查操作或重新開(kāi)始全部操作能夠比較快地得到排除。周圍環(huán)境也會(huì)對(duì)某些光學(xué)或聲學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生顯著的影響。例如在全息照相實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵性作用，如果在實(shí)驗(yàn)中有同學(xué)碰到了實(shí)驗(yàn)臺(tái)使得實(shí)驗(yàn)臺(tái)發(fā)生輕微的震動(dòng)，此時(shí)對(duì)全息圖像的觀察和拍攝就會(huì)受到影響。或者在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中周圍的噪聲可能對(duì)實(shí)驗(yàn)造成不可預(yù)知的影響。以上分類中的虛假故障并不是真正的實(shí)驗(yàn)故障，而是因?yàn)閷W(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不熟悉，得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果而不能辨識(shí)，或者對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的精細(xì)程度沒(méi)有客觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)儀器的調(diào)節(jié)缺乏足夠的耐心。這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)光路的調(diào)節(jié)有較高的要求，需要學(xué)生有較好的實(shí)驗(yàn)操作技能基礎(chǔ)和足夠的耐心。例如在邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)中，如果學(xué)生沒(méi)有對(duì)固定反射鏡的方位進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，無(wú)論怎么調(diào)節(jié)螺旋手輪均觀測(cè)不到合適的干涉圖像。而在分光計(jì)測(cè)量三棱鏡折射率實(shí)驗(yàn)中，由于分光計(jì)的調(diào)節(jié)步驟比較多，如果學(xué)生在前邊的步驟中調(diào)節(jié)不到位，則后邊就觀察不到正確的現(xiàn)象，整個(gè)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)只能中斷并重新開(kāi)始。根據(jù)實(shí)驗(yàn)故障的現(xiàn)象特點(diǎn)同樣可以對(duì)實(shí)驗(yàn)故障進(jìn)行分類。我們可以將實(shí)驗(yàn)故障分為定量故障和定性故障。定量故障主要是指在出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)故障時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象不明顯，如果不仔細(xì)觀察或不熟悉正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可能會(huì)被忽略。學(xué)生完成了全部的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容而得到的結(jié)果卻出現(xiàn)問(wèn)題，大部分都是此類故障所引起的。這類實(shí)驗(yàn)故障的產(chǎn)生原因有學(xué)生操作不規(guī)范引起的，也有實(shí)驗(yàn)儀器本身的問(wèn)題引起的。對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器的問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備階段實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)重點(diǎn)排查，將實(shí)驗(yàn)儀器維護(hù)到最佳狀態(tài)。另外一種則是現(xiàn)象非常明顯的故障，我們稱之為定性故障。這主要表現(xiàn)為該有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象沒(méi)有出現(xiàn)或者出現(xiàn)的現(xiàn)象明顯不同于預(yù)期。這類故障主要表現(xiàn)為在實(shí)驗(yàn)中儀器現(xiàn)象異常或者在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中觀察不到任何現(xiàn)象等。這類故障比較容易發(fā)現(xiàn)，也是發(fā)現(xiàn)后需要立即解決的實(shí)驗(yàn)故障。

三、不同類型實(shí)驗(yàn)故障在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以上各分類的實(shí)驗(yàn)故障所起到的作用也是不同的，可以說(shuō)是千差萬(wàn)別的。實(shí)驗(yàn)故障對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)除具有影響教學(xué)進(jìn)度等負(fù)面的影響外還具有積極的正面作用。這主要表現(xiàn)在，出現(xiàn)因儀器故障造成的實(shí)驗(yàn)故障后，學(xué)生在積極解決實(shí)驗(yàn)故障過(guò)程中必須能夠深入理解實(shí)驗(yàn)原理，并進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)儀器。從微觀上來(lái)講通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)故障的排除能夠加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的熟悉；而從宏觀上來(lái)講，則為學(xué)生提供了一個(gè)難得的鍛煉機(jī)會(huì)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力極其重要。不管是微觀上的作用還是宏觀上的作用都是一帆風(fēng)順的正常實(shí)驗(yàn)步驟所無(wú)法提供的。對(duì)于操作失誤做成的實(shí)驗(yàn)故障則應(yīng)該在教學(xué)中盡量避免，雖然這類實(shí)驗(yàn)故障也能起到一定的積極的作用，但是操作失誤往往容易損害實(shí)驗(yàn)儀器或?qū)W(xué)生的安全造成傷害，所以必須設(shè)法避免。對(duì)于環(huán)境因素產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)故障有些不容易排除，但是通過(guò)對(duì)現(xiàn)象和產(chǎn)生原因的分析卻能很好的鍛煉學(xué)生的分析能力，因而也具有一定的積極意義。在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的虛假故障則是由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)節(jié)認(rèn)識(shí)不足或馬虎造成的，這類故障的出現(xiàn)具有更多的負(fù)面影響，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的角度很難找到其積極的意義，因而應(yīng)盡量避免。在學(xué)生報(bào)告這類故障后，任課老師應(yīng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行必要的指導(dǎo)，建議他們多思考并更加仔細(xì)地對(duì)待實(shí)驗(yàn)，對(duì)于這類問(wèn)題的解決應(yīng)主要依賴于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ苊饫蠋熢劫薮摇膶?shí)驗(yàn)故障的現(xiàn)象分類上來(lái)說(shuō)，定性實(shí)驗(yàn)故障相比定量實(shí)驗(yàn)故障對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生培養(yǎng)更具有積極的意義。這主要是因?yàn)槎ㄐ詫?shí)驗(yàn)故障從現(xiàn)象上非常明顯，在出現(xiàn)故障后學(xué)生能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并設(shè)法排除這些故障，在排除故障過(guò)程中能夠從中學(xué)到更多的知識(shí)。而對(duì)于定量故障則難于發(fā)揮出積極的作用，定量故障對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響幾乎是負(fù)面的。這是因?yàn)椋谝唬抗收系默F(xiàn)象不明顯，僅和正常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有細(xì)微的差異或和正確的結(jié)果有較小的偏差。出現(xiàn)定量故障時(shí)學(xué)生通常難于及時(shí)發(fā)現(xiàn)，不能引起學(xué)生的注意。第二，這種實(shí)驗(yàn)故障對(duì)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都具有一定的負(fù)面影響。因而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中定量故障是應(yīng)該努力避免的。

四、如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中恰當(dāng)處理實(shí)驗(yàn)故障

為在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中取得良好的教學(xué)效果，任課教師應(yīng)盡量避免在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)定量實(shí)驗(yàn)故障，尤其是具有較小差異的實(shí)驗(yàn)故障。這類故障需要根據(jù)產(chǎn)生的原因分別進(jìn)行排除。首先定量故障主要是由于儀器本身沒(méi)有調(diào)零或者儀器元器件老化、損壞等因素造成的，在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)對(duì)每一組儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)全程的操作進(jìn)行重復(fù)或采用較簡(jiǎn)單的方法對(duì)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行核對(duì)，在實(shí)驗(yàn)前消除實(shí)驗(yàn)儀器出現(xiàn)定量故障的隱患。學(xué)生的操作失誤也是產(chǎn)生定量故障的重要原因，這主要是由于個(gè)別學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作不夠仔細(xì)或存在誤操作所引起的。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)按照正確的操作步驟進(jìn)行操作，并提醒學(xué)生仔細(xì)認(rèn)真。而對(duì)于環(huán)境因素引起的故障也多屬于定量故障，由于環(huán)境很多時(shí)候難于改變，應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前盡量消除。而我們所說(shuō)的虛假故障則大多屬于定性故障，定性故障相比定量故障具有更明顯的正面作用。由于定性故障對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有明顯的正面影響，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)注意利用這些定性故障來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的分析和解決問(wèn)題的能力。要有效利用定性實(shí)驗(yàn)故障需要根據(jù)定性故障產(chǎn)生的原因注意以下幾點(diǎn)。一是強(qiáng)調(diào)課前預(yù)習(xí)，正常實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求學(xué)生做好課前預(yù)習(xí)，而要做到能夠排除實(shí)驗(yàn)故障對(duì)課前預(yù)習(xí)的要求更高，要求學(xué)生通過(guò)課前預(yù)習(xí)理解實(shí)驗(yàn)原理并對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的操作有所了解。遇到問(wèn)題能否順利解決也就成為檢驗(yàn)課前預(yù)習(xí)效果的重要指標(biāo)。二是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求學(xué)生認(rèn)真操作并仔細(xì)觀察每一步的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)故障。當(dāng)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)故障報(bào)告給任課老師時(shí)，應(yīng)首先判斷實(shí)驗(yàn)故障的類型和產(chǎn)生原因。如果僅僅是虛假故障，這時(shí)候應(yīng)該明確告訴學(xué)生實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)節(jié)是需要耐心和一定實(shí)驗(yàn)技能的，要根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟仔細(xì)認(rèn)真地進(jìn)行每一步調(diào)節(jié)，不能有急躁的心理。此時(shí)學(xué)生可能會(huì)希望老師幫其排除實(shí)驗(yàn)故障，作為老師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生依靠自己的能力進(jìn)行解決。可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)性指導(dǎo)，從以下幾點(diǎn)對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)：你是如何確定出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)故障的；你能確定你的操作過(guò)程沒(méi)有問(wèn)題嗎；環(huán)境因素有沒(méi)有可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響；如果是儀器故障你覺(jué)得根據(jù)故障現(xiàn)象判斷可能出問(wèn)題的是哪些部分；你對(duì)以上實(shí)驗(yàn)故障產(chǎn)生原因的判斷依據(jù)是什么；對(duì)故障每一種可能的產(chǎn)生原因，你覺(jué)得可以采取什么樣的方法進(jìn)行排除。學(xué)生通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的思考和回答將極大的加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的熟悉。在學(xué)生拿出可行的解決方案后，鼓勵(lì)學(xué)生按照既定方案嘗試排除實(shí)驗(yàn)故障。對(duì)學(xué)習(xí)確有困難的學(xué)生，教師可以幫助他們調(diào)節(jié)儀器或排查故障，但在做每一步操作的同時(shí)應(yīng)該給該學(xué)生講解操作的原理。將教師排查實(shí)驗(yàn)故障的思路告訴該學(xué)生，能有利于培養(yǎng)學(xué)生自主完成后續(xù)實(shí)驗(yàn)的能力。在實(shí)驗(yàn)故障排除并順利完成實(shí)驗(yàn)后，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的故障和排除過(guò)程進(jìn)行較詳細(xì)的總結(jié)。為保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中能如實(shí)地總結(jié)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題和解決過(guò)程，老師首先應(yīng)該強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)故障的發(fā)現(xiàn)和排除對(duì)提高實(shí)驗(yàn)技能的重要作用，另外還可以通過(guò)一定的分?jǐn)?shù)杠桿來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的總結(jié)可以使學(xué)生將自己解決實(shí)驗(yàn)故障的思考過(guò)程和處理方法系統(tǒng)化，有利于后續(xù)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。

五、討論和結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)故障并非總是起到負(fù)面的作用。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)故障的分類說(shuō)明了有些實(shí)驗(yàn)故障是可以起到積極作用的。實(shí)驗(yàn)故障在很大程度上可以說(shuō)是實(shí)驗(yàn)中不可避免的問(wèn)題，傳統(tǒng)觀念上教師在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)中總是盡量避免實(shí)驗(yàn)故障的發(fā)生，而學(xué)生也將實(shí)驗(yàn)故障看作是實(shí)驗(yàn)失敗，在出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)故障后比較緊張，或強(qiáng)烈依賴于任課教師來(lái)解決。我們對(duì)實(shí)驗(yàn)故障進(jìn)行較詳細(xì)的分類后發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)故障并不都是壞事，有些實(shí)驗(yàn)故障的出現(xiàn)和排除對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以說(shuō)起到了非常正面的作用，或者說(shuō)其對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的獨(dú)特作用是正常實(shí)驗(yàn)過(guò)程所沒(méi)有的。要想在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中盡可能地利用實(shí)驗(yàn)故障培養(yǎng)學(xué)生良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和分析解決問(wèn)題的能力，首要的任務(wù)就是對(duì)實(shí)驗(yàn)故障進(jìn)行詳細(xì)的分類，根據(jù)不同類型的實(shí)驗(yàn)故障的特點(diǎn)分析其對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用。在此基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)故障采取差別化處理，對(duì)定量故障而言，在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備前盡量消除；而對(duì)定性故障，在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)后可不急于幫助學(xué)生排除，而是鼓勵(lì)學(xué)生自主分析問(wèn)題，提出故障解決方案。要做到這一點(diǎn)，首先要嚴(yán)格要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)，另外在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要求學(xué)生手腦并用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不正常現(xiàn)象。

總之在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)于實(shí)驗(yàn)故障要做到合理分類、區(qū)別處理、適當(dāng)引導(dǎo)。在這些措施的保障下，實(shí)驗(yàn)故障的正面影響才能夠更好地發(fā)揮出來(lái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]于建勇，物理實(shí)驗(yàn)教程[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2013.

[2]朱鶴年，基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教程：物理測(cè)量的數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]熊俊，近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.