對優化和創新職高物理實驗器材的思考

蘭建中

摘 要：物理是一門以實驗和觀察為基礎的學科，物理實驗方法是人們研究物理學的重要手段。本文通過分析提出，作為新課程實驗教學的教師應該對物理實驗進行研究，合理優化實驗教學，根據實際情況進行實驗儀器的改進、創新和開發研究，力求達到實驗教學的最佳效果。

關鍵詞：實驗教學 優化器材 創新

實驗是物理的根本，實驗效果是教學效果的保證，所以在物理教學中必須重視實驗教學。通過優化和創新實驗器材，利用現代技術，實現實驗效果的最大化。教材對實驗設置、安排體現知識的系統性、科學性，通過對實驗教學的研究和思考，改變實驗方法，充分利用身邊的資源，提高學生興趣，提升教學效果。

一、看課本對實驗教學的選材與著力點

1.伽利略理想實驗的“缺陷美”

伽利略是近代實驗科學的先驅者，被喻為物理學中的“福爾摩斯”。在他對物體運動與力的關系研究的歷史當初，人們研究的經驗是：要使一個物體運動，必須推它或者拉它。根據這類經驗，亞里士多德得出結論：必須有力作用在物體上，物體才能運動；沒有力的作用，物體就要靜止在一個地方。

而伽利略認為，將人們引入歧途的是摩擦力，若沒有摩擦力，物體將永遠運動下去，但是在日常物體的運動中，摩擦力是難以避免的。于是他設想（圖1），讓小球沿一個斜面從靜止狀態開始滾下，小球將滾上另一個斜面，如果沒有摩擦，小球將上升到原來的高度。若將后一斜面放平，球將永遠滾下去直到回到原來的高度。這就說明，力不是維持物體運動的原因，而是改變速度的原因。作為物理實驗教學的教師，如果僅僅停留在他思想的闡述和知識傳授上，那是很遺憾的。

圖1

首先，我們也不妨提出他的“缺陷”：第一，他選取的是兩個隨意性斜面，即使是光滑斜面，也不能回到原來高度，因為，當小球從一斜面滾下再滾上另一斜面時，底端沒有圓滑曲面過度，所以不能避免碰撞的發生而導致少許能量的損失。第二，不可能把水平木板做得無限長，即“理想實驗”。所以，在此實驗的課堂教學過程中，必須要對其進行加工與優化；提出選用的是兩個通過曲徑比較大的圓滑過度曲面銜接的光滑斜面（如圖2），再結合伽利略的思想進行合理外推。

圖2

其次是他的“缺陷美”：一是他為我們提供的是鋼性小球，而不是滑塊，當球在底端圓滑過度時，既可以避免碰撞的發生，又使質點小球所受的彈力（向心力）不做功，結合他的思想進行合理推理，真是天衣無縫。二是小球在無限長水平面上不受合外力永不停息的運動，戳穿了亞里士多德的謬論。三是小球的無摩擦滾動體現了物體固有的屬性——慣性：小球質點不受合外力，保持原狀：看成加速度為零的質點平動；若考慮小球各個質點滾動（沒有轉動力矩，即M=Jβ=0，角加速度β為零），保持原狀：角加速度為零的勻速滾動。即慣性原理的本質：

①F合=ma=0，物體力的平衡：靜止或勻速運動

②M=jβ=0，物體力矩平衡：靜止或勻速轉動

所以，理想實驗的“缺陷美”告訴我們：實驗教學的真諦就是要通過合理選取實驗器材與研究對象，優化構造，在實驗的過程中掌握和運用基本的物理知識與技能；體驗科學探究過程，學習科學研究方法；力爭創新，最終突出主要因素，忽略或弱化次要因素，接近理想，著力于物理原理的本質回歸。

2.同一實驗“變”與“不變”的商榷

實驗教學的優化還可以從儀器上下工夫。我們可以通過改變其中某個或某幾個環節，使實驗優化，取得新的教學效果，做到同一實驗中“變”與“不變”的完美結合。下面我們結合高中物理必修1與必修2的部分內容分析同一實驗“變”與“不變”的合理商榷。

（1）探究兩種實驗裝置同一探究結果達成的差異。2006年12月第2版的人教版采用了如圖3所示的實驗裝置，從兩個分力與合力對物體的作用效果——形變等效入手，最后試探性地用虛線把合力的力的圖示矢量末端與兩個分力的力圖示矢量末端連接，發現了力的合成滿足“平行四邊形定則”，體現了探究這一主題，符合實驗的開放性特點。而2004年5月第1版的人教版采用了如圖4所示的裝置，同樣是從分力與合力對物體的作用效果——形變等效入手的，實驗原理不變。但是力的測量是以鉤碼重力倍數計數的，所以分力不能隨意調控或連續變化。要使“探究”成功，必須做到3、4、5等的鉤碼數（勾股數），即平行四邊形的特例，否則不能做到讓兩個分力作用時，繩子在水平方向形變，即不能等效，導致此方法不是真正意義上的探究。因為它已經間接地要求學生初步懂得力的合成方法，之后再去驗證。所以它不是探究，缺乏科學性，實驗最終的著力點沒有突破。可見同一實驗，儀器選擇“變”還是“不變” 的把握是非常重要的。

圖3 圖4

（2）平拋運動同一裝置兩種探究途徑的權衡。對于平拋運動水平方向運動規律的研究，人教版新教材2004年5月第1版與2006年12月第2版教材采用的都是同一實驗裝置（圖5），但是在問題探究方法上“各有千秋”。

2004年5月第1版的探究方法如下。

①通過實驗，運用投影法與描點法描繪出小球做平拋運動的軌跡。

②在平拋運動的軌跡上找到每隔相等的時間間隔物體所對應的位置。

③測量兩組相鄰位置間水平位移，分析這些位移的特點。

而在怎樣找到軌跡上每隔相等時間平拋物體所到達的位置時，教材給出了這樣的建議：因為平拋運動在豎直方向上的分運動為自由落體運動，相對起點下落的高度h與運動的時間t的二次方成正比，即：，因此如圖6，在豎直坐標軸上，從原點開始向下任取一個坐標為h的點，再找到坐標為4h，9h，16h……的點，過這些點做水平線與軌跡相交，交點就是每隔相等時間物體所到達的位置。

而2006年12月第2版給出的探究方法如下。

①通過實驗，運用投影法描出小球做平拋運動過程中經過的位置5個以上（間隔不能太密），M1，M2，M3，M4，M5，……（圖7）。

②用光滑曲線擬合小球做平拋運動的軌跡

③在建立的坐標系中分別測出點，M1，M2，M3，M4，M5，……的坐標（x，y）。

④利用公式求解各段時間內的水平速度進行對比分析。

前者方法對學生的預備知識要求要高些，必須知道初速為零的勻加速直線運動相鄰的相同的時間間隔位移之比依次為1∶3∶5∶7：……。而后者對學生的預備知識要求較低，只要知道速度的定義與計算式就可以進行分析，對基礎知識的落實具有優勢。但是在知識的拓展與思維培養方面不及前者。面對學生，教師要以學生為中心，從學生的實際情況出發權衡探究途徑，讓探究的方法更加遵循學生學習與發展的心理規律。

二、優化和創新實驗器材促進教學

從課本對同一實驗的前后變化中發現編著者也在不斷優化實驗設計與方法、器材，使實驗方法、原理更符合學生的認知規律，符合實際的探究規律。因此，我們在實驗教學過程中更要根據學生的實際，不斷優化各個環節，提高實驗的效果。以下就優化和創新高中物理實驗器材談一談個人的思考。

1.利用生活中物品優化和創新實驗器材

如演示靜電感應的實驗，教材中用導體兩端的金屬箔是否張開來檢驗導體是否帶電，直接把金屬箔貼在下面，由于靜電力很小現象不明顯。通過反復實驗，發現把“U”鉤粘在導體兩端，把金屬箔掛在“U”鉤上，金屬箔能夠自由活動，效果明顯很多。但在市優質課評比中，發現一位教師用尼龍線掛在導體兩端，這樣效果更明顯。原因是尼龍線即輕又軟，有靜電時張開明顯，在沒有靜電時能夠恢復豎直。

再如利用激光的單色性和相干性，用激光筆做光源，墻做屏幕，直接照射雙縫，可以得到雙縫干涉條紋。課后學生也可利用激光筆做光的直線傳播、光在水中的折射、光在玻璃磚中的側移、光的全反射等。利用醫用廢舊的輸液瓶做勻速水流原理的演示器，可以演示平拋運動、斜拋運動。在干凈的塑料油壺底上放置幾粒小泡沫塑料，放于收音機的喇叭口上，當喇叭發聲時，小泡沫塑料隨之上下跳動，說明空氣能傳播聲音，聲波是一種縱波。由此實現了“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的境界。這樣利用日常生活中的物體演示物理教學抽象的內容，使學生容易理解，還有利于學生創造性思維的活躍。

2.利用現代技術優化和創新實驗器材

隨著科學技術的不斷進步，物理學家把一些新技術應用到物理實驗當中，促進了物理實驗和物理學的發展，作為一名普通的物理教師也可把一些現代技術用于高中實驗，優化和創新更多的實驗器材。

如利用工業中所用的大直流電，短路時電流等于40A，來演示同向電流、異向電流的相互作用；演示直線電流、環形電流周圍的磁場，可利用三極管對霍爾電流的放大，使電流表發生偏轉，讓學生有更多真實的感受。

如對布朗運動的觀察，對于實驗現象，教師和學生是通過書本中的圖片來認識的，對于真實的實驗現象很少看到。可以通過數碼攝像頭來觀察，讓數碼攝像頭和電腦相連，并投影到屏幕上，讓所有學生在第一時間看到布朗運動。此處我們使用了顯微鏡數碼目鏡、數碼攝像頭，這些都是當代新科技的產物。

再如，教材中“充電電流和放電電流使電流指針發生偏轉”的現象不能夠很好地引起學生的注意。如果在電容器充電的電路上安裝幾個功耗較低的發光二極管，在充電時，有電流流過電路，發光二極管就發光，發光亮度隨電流強弱變化，可以清楚地顯示充電時間的長短和電流方向；放電時，有放電電流流過另一側的二極管，也能發光，直到放電完畢。這一裝置還可以對大小不同的電容器充放電做對比，電容大，充電時間長，二極管發光時間就長，相應就短。此處我們用發光二極管，讓現象更明顯，更好地引起了學生的注意。

3.利用傳感器優化和創新實驗

有了傳感器和電腦，可使更多實驗得到優化和創新。如演示“力的作用是相互的”，通過力傳感器把兩作用力的關系清晰地反映在電腦F-t圖中，大小始終相等，方向始終相反。

如利用位移傳感器和電腦繪制簡諧運動位移-時間圖像。

再如“用力傳感器探究向心力”這個實驗裝置是利用學校現有的向心力演示裝置改裝而來，利用光電門傳感器測量物體做圓周運動的周期，得到角速度；利用力傳感器測量繩子拉力的大小，得到向心力大小。以此來研究物體做圓周運動需要的向心力、角速度、半徑之間的定量關系。

沿著這樣三種方式來開發和優化更多的實驗器材，讓它更加適合于學生的學習，可以有效提高教學效率。在優化實驗教學的其他環節，如實驗教學的理念、原理、方法、數據處理和誤差分析等，還有更多的空間去一一探索和落實，相信沿著這條路，一定能夠把實驗教學提高到一個新的臺階。

教師要始終堅持“實驗優先”的原則，創造一切條件為學生開設可以進行的實驗。值得注意的是，當前中學里多媒體教學非常盛行，虛擬實驗、網絡實驗，用課件來代替實驗，甚至就用虛擬的實驗室代替了學生分組實驗。但這樣不能夠真正體會探究過程，降低了學生學習物理的興趣。高中物理教學的最終目標是培養學生具有終身學習的愿望和能力，掌握適應時代發展所需要的基礎知識和基本技能，學會收集、判斷和處理信息，具有初步的科學與人文素養、環境意識、創新精神與實踐能力。因此，我們只有優化實驗教學，才能切實提高物理教學的實效。

參考文獻：

[1]鄭蓉梅.開發奇妙的物理實驗資源[M].北京：北京師范大學出版社，2005.

[2]柴宏良.重走科學家探索之路[J].中學物理教學參考，2007（3）.

（作者單位：湖州市技師學院）