物理實驗能力及其培養要素

林秋華

摘 要：中學物理實驗能力，主要由觀察能力、操作能力、獨立設計實驗方案能力、分析和處理實驗數據能力等要素構成。培養學生的物理實驗能力，是中學物理教學的根本任務，本文從中學物理實驗的特點來闡述其相應的能力要求，提出了實驗能力的四大要素及其培養方法。

關鍵詞：物理實驗；實驗能力；要素及培養

物理學是一門以實驗為基礎的自然學科，離開實驗，物理學就得不到發展。學習物理學研究的實驗方法，培養嚴謹的科學態度，掌握一定的實驗技能，提高物理實驗能力，是中學物理教學的重要任務。 依據《普通高中物理課程標準（實驗）》和《普通高等學校招生全國統一考試大綱》的要求，中學物理實驗能力可以歸納為 6“能”3“會”，即：能獨立完成《大綱》所列的實驗，能明確實驗目的，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現象，會記錄、處理實驗數據，并得出結論，對結論進行分析和評價；能發現問題、提出問題，并制定解決方案；能運用已學過的物理理論、試驗方法和實驗儀器去處理問題，包括簡單的設計性實驗[1，2]。下面結合平時物理實驗教學談談本人對重視和培養學生實驗能力的幾點看法。

1 觀察實驗現象的能力是實驗能力中的基礎因素

觀察實驗現象的能力，指在實驗中正確選擇觀察對象，從觀察對象中發現科學現象及現象間本質聯系的能力。

實驗離不開觀察，觀察實驗現象的能力是實驗能力中的重要因素。培養學生的觀察能力，是培養實驗能力的基礎，要從平時做起、從細微入手，如教師在進行薄膜干涉演示實驗時，要引導學生（1）有目的的觀察： 讓學生知道從哪個側面觀察，要觀察什么？（2）精細的觀察：觀察彩色條紋中有哪些顏色，每條彩色條紋中各種顏色是怎樣排列？上部和下部的彩色條紋寬度是否相同，彩色條紋寬度是否隨時間變化等，（3）日常生活的觀察：配合教材資源鼓勵學生在日常生活中進行廣泛地觀察，如，生活中見過彩色花紋，那些是屬于薄膜干涉現象？通過觀察和思考，加深對物理現象和原理的理解，養成善于觀察的習慣。

2 操作儀器設備的能力是實驗能力中的核心因素

操作儀器設備的能力，指利用實驗裝置實現實驗方案的能力，簡稱為操作能力。

實驗離不開操作，掌握實驗儀器是進行實驗操作的前提，新的高中物理教學大綱中要求正確使用的儀器主要有：刻度尺、游標卡尺、電火花計時器（或電磁打點計時器）、彈簧測力計、秒表、天平、螺旋測微器、電流表、電壓表、多用電表、滑動變阻器、電阻箱、溫度計等13種，為了培養學生的操作能力，正確使用基本儀器，實驗前要使學生了解儀器的構造原理，然后進行操作。例如，彈簧測力計使用前要觀察它的量度范圍和讀數的有效值等；有時一個實驗涉及幾種儀器，必須先指導他們對儀器的合理組裝。合理組裝儀器的基本要求是：正確選擇儀器，正確連接儀器，合理布局，便于操作和觀察。如，對電學實驗的要求是：（1）熟悉實驗原理圖，正確選擇儀器，做到“可行、精確、簡便” 。在選擇電流（電壓）表量程時，應首先估算電流值能否達到半偏以上，若實驗要求電流（電壓）從零開始連續調節，則調節到的電流（電壓）最大值應超過半偏。歐姆表應選用使指針偏轉在中心值附近的檔位，以減小讀數相對誤差。滑動變阻器的選擇要先考慮實驗電路是限流接法還是分壓接法，再估算其阻值大小；（2）對照電路圖按照先干路、后支路、再電源的順序正確連接電路。并注意電流表、電壓表與電路的串、并聯連接，滑動變阻器的正確連接。（3）布局要合理緊湊，導線連接牢靠，便于電鍵和滑動變阻器等儀器的調節和對電表進行觀察、讀數。

培養學生操作的能力，還要指導他們運用物理知識進行分析、檢查和排除實驗中出現的故障，例如，電學實驗出現的故障較多，情況也較復雜，大致有導線內部斷線、電表或元件內部損壞，導線或電鍵接觸不良等，要教給學生檢查故障的方法。

實驗操作能力的培養并非一朝一夕，要依靠一定的理論知識為基礎，有計劃有步驟進行，除了大綱規定的學生分組實驗外，還要適當將一些演示實驗轉化為學生動手實驗，并關注其操作的細節，發現錯誤及時加以糾正，逐步養成規范的實驗習慣。

3 實驗設計能力是實驗能力的關鍵因素

實驗設計的能力，指根據一定的目的和任務，擬訂實驗方案、選擇儀器設備、進行實驗探索的能力。

設計實驗方案的基本原則是：可行性、精確性、簡便性。

可行性，就是要求所設計的實驗要能達到預期目的。例如，電阻的測量，可利用多用電表、伏安法、伏伏法、安安法、替代法、比較法、電橋法等。又如，測定當地的重力加速度、可用打點計時器測量、滴水法測量、單擺測量等，采用何種方法要視具體情況而定。學生設計實驗方案的能力必須建立在熟練掌握物理知識基礎之上，為此，要加強對學生的物理基礎知識教學，使學生掌握堅實的物理知識。

精確性，就是要求實驗的誤差要盡可能小、結果要盡可能準確。為此，應讓學生了解誤差的初步知識。從誤差的來源看，誤差可分為系統誤差和偶然誤差兩種。如，上述的電阻測量，多用電表只能粗略測量，誤差較大，實驗原理較完善的是替代法、比較法和電橋原理。為了提高實驗的精確度，儀器的選擇十分重要。就測量的工具而言，測量工具越精密，誤差越小，例如，用螺旋測微器測長度就比用毫米刻度尺精確。

簡便性，就是要求所用的儀器盡可能簡單，便于實驗操作、調節。例如，做雙縫干涉實驗中，需要頻率相同的單色光作相干光源。簡便的方法就是讓光源發出的光經濾光變成為單色光，單色光通過單縫后射向雙縫，這時兩條縫處的光振動頻率相同，成了兩個相干光源。更換不同的濾色片，就可得到不同的單色光。為了提高實驗效果，此實驗可采用亮度適當高的小燈泡或LED手電筒作為光源。

4 分析和處理實驗數據的能力是實驗能力中的綜合因素

數據是進行科學分析的根據，是得出科學結論的基礎。分析和處理數據的能力是指會對數據進行記錄、分析、比較、處理、概括，從而得出正確結論的能力。高中物理數據處理主要有列表法、圖像法、圖解法、逐差法等。實驗處理的方法多樣、步驟繁瑣、處理靈活，因此數據處理能力成為實驗能力提高的重點也是難點。如最常用的圖象法，它具有形象直觀、動態過程清楚的特點。采用圖象法分析和處理實驗數據的步驟看似簡單，但也容易失誤，在高考試題中得分率一直偏低。譬如如何合理建立直角坐標系、描出實驗數據點，如何繪出圖象、總結規律， 哪個坐標軸表示自變量（因），哪個坐標軸表示應變量（果）？坐標的比例如何選取才能使圖象在圖紙上大小合適、因果關系清晰等問題，學生在具體實踐時總是做不好。常見的伏安法測金屬絲的電阻實驗，若以加在金屬絲上的電壓U為橫坐標，以通過金屬絲的電流強度I為縱坐標，作出I-U圖線是一條通過原點的曲線，由歐姆定律知，該圖線的斜率是電阻的倒數。但多年來就是這根不起眼的線絆倒了多少不細心的考生！

規范作圖，通過比較一些圖線，可以得出“物理圖象法中，圖線斜率和截距往往代表一個物理量的數值”。

利用數學知識分析和處理實驗數據還受到物理實驗條件的制約。如測金屬電阻率實驗，加在金屬絲上的電壓值不能太大。歐姆公式R=U/I，也不能簡單地認為“電阻與電壓成正比”。這跟純數學理論有本質的區別。因此，分析和處理實驗數據能力的培養離不開扎實的物理知識。

綜上所述，觀察能力、操作能力、獨立設計實驗方案能力、分析和處理實驗數據能力等是實驗能力的重要因素，而動手操作能力是這四種實驗能力中的核心，所以要多渠道、多形式地為學生創造實際動手操作的機會，培養其探究能力和創造能力。在平時的物理教學中，教師必須不厭其煩地研究實驗教學方法，優化實驗效果，堅持以實驗為基礎，使學生的思維能力和綜合實驗能力真正得以培養和提高。

參考文獻：

[1] 2014年普通高等學校招生全國統一考試福建省理科綜合考試說明 [M].福州：福建教育出版社，2014.

[2] 2014年普通高等學校招生全國統一考試大綱（理科，課程標準實驗版）[M].北京：高等教育出版社，2014.