【摘 要】從學(xué)習(xí)目標(biāo)出發(fā)，對多種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和分類。權(quán)衡其在教學(xué)中的優(yōu)劣后，對實(shí)驗(yàn)的選取提出思考。

【關(guān)鍵詞】高中物理;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);學(xué)習(xí)目標(biāo);選取策略

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1005-6009（2015）22-0035-02

【作者簡介】傅明峰，江蘇省六合高級中學(xué)（南京，211500）教師。

人教版教材《物理》必修2第五章第三節(jié)“實(shí)驗(yàn)：研究平拋運(yùn)動”的學(xué)習(xí)目標(biāo)是在通過實(shí)驗(yàn)描繪平拋物體的運(yùn)動軌跡的基礎(chǔ)上，研究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)。而如何準(zhǔn)確描繪出平拋物體運(yùn)動的軌跡則是關(guān)鍵。因此，為了有效達(dá)成本課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，教師需要對教材中的各種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和分類，在權(quán)衡優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，選取有效的實(shí)驗(yàn)策略。

一、實(shí)驗(yàn)案例呈現(xiàn)

1.小球碰鉛筆尖法。

如圖1所示，教材所提供的參考案例1是利用了實(shí)踐中比較成熟的“小球碰鉛筆尖法”描繪小球平拋運(yùn)動軌跡的實(shí)驗(yàn)裝置，用鉛筆試探描繪出小球經(jīng)過的位置。選用這個實(shí)驗(yàn)案例作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生嘗試用簡單的方法來研究物理問題。用這種方法描繪小球位置誤差較大，需要多次嘗試。

2.過紙板小孔法。

針對“小球碰筆尖法”中確定小球位置的誤差較大的缺點(diǎn)，可選用過紙板小孔法進(jìn)行改進(jìn)，如圖2所示。這種方法簡單、方便，讓小球迅速垂直通過小孔可以有效地減小誤差。

3.細(xì)水柱法。

如圖3所示，倒置的飲料瓶內(nèi)裝著水，瓶塞內(nèi)插著兩根兩端開口的細(xì)管，其中一根彎成水平，且水平端加接一段更細(xì)的硬管作為噴嘴。通過噴嘴中射出的水在空中的軌跡來反映平拋運(yùn)動。這種方法，簡單易行，軌跡準(zhǔn)確、清晰，適合進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)。

4.頻閃照相法。

利用數(shù)碼照相機(jī)或攝像機(jī)的攝像功能來記錄平拋運(yùn)動的軌跡。拍攝小球從水平桌面飛出后做平拋運(yùn)動的幾張連續(xù)照片。這種方法簡單，軌跡準(zhǔn)確，但長度有限，處理不方便。

5.碰撞法。

（1）如圖4所示，在水平桌面上放置一個斜面，每次都讓鋼球從斜面上的同一位置滾下，滾過桌邊后鋼球便做平拋運(yùn)動。在鋼球拋出后經(jīng)過的地方水平放置一塊可調(diào)節(jié)高度的木板，木板上放一張白紙，白紙上放有復(fù)寫紙，這樣便能記錄鋼球在白紙上的落點(diǎn)。

（2）把桌子搬到墻的附近，使從水平桌面上滾下的鋼球能打到墻上，把白紙和復(fù)寫紙附在墻上，記錄鋼球的落點(diǎn)。改變桌子和墻的距離，就可以得到多組數(shù)據(jù)。

（3）將（2）改進(jìn)為如圖5所示的實(shí)驗(yàn)，將一塊釘上復(fù)寫紙和白紙的平木板，豎直立于槽口前某處，使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止滑下，小球撞在木板上留下痕跡A;將木板向后移距離x，再使小球從斜槽上緊靠擋板處由靜止滑下，小球撞在木板上留下痕跡B;又將木板再向后移距離x，小球再從斜槽上緊靠擋板處由靜止滑下，再得到痕跡C，將得到小球在白紙上打下的若干痕跡點(diǎn)。這種方法設(shè)計(jì)巧妙，誤差較小，考慮比較全面。

（4）將（3）法改為如圖6所示的實(shí)驗(yàn)，用圖釘把白紙釘在豎直木板上，把斜槽固定在緊靠木板的左上角，且使其末端切線水平，記下小球飛出時的初始位置O，并目測過O畫水平線作為x軸，把水平木條靠在豎直木板上，讓小球從斜槽適當(dāng)?shù)奈恢糜伸o止?jié)L下，觀察小球在木條上的落點(diǎn)，并在白紙上標(biāo)出相應(yīng)的點(diǎn)，得到小球運(yùn)動過程中的一個位置。把水平木條向下移動，重復(fù)上面的操作，讓小球從斜槽上相同位置由靜止?jié)L下，得到小球運(yùn)動過程中的多個位置，從木板上取下白紙并處理數(shù)據(jù)。

6.利用傳感器和計(jì)算機(jī)研究平拋運(yùn)動。

將研究平拋運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置放置在水平桌面上，利用光電門傳感器和碰撞傳感器可測得小球的水平初速度和飛行時間，底板上的標(biāo)尺可以測得水平位移。

二、對實(shí)驗(yàn)的分析和分類

1.真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)相對于演示實(shí)驗(yàn)，參與度更高些。學(xué)生通過分組實(shí)驗(yàn)，親自動手操作、親自動手計(jì)算，實(shí)驗(yàn)過程得到的知識、規(guī)律、方法和經(jīng)歷，都有利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退仞B(yǎng)的提高。

由于學(xué)生個體實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ牟町悾趯?shí)驗(yàn)過程中，不可避免地會出現(xiàn)完成進(jìn)度不一的現(xiàn)象。學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的效率相對較低。

當(dāng)然，學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)也可以進(jìn)行有效的改進(jìn)和融合。部分學(xué)生演示實(shí)驗(yàn)，不僅能提高參與度，也為課堂演示或課后開展興趣小組進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)探究打下了基礎(chǔ)。

2.仿真實(shí)驗(yàn)。

與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相對應(yīng)，“仿真實(shí)驗(yàn)”指的是沒有實(shí)際操作，在一定程度上，它突出實(shí)驗(yàn)原理、重點(diǎn)和細(xì)節(jié)，是能被學(xué)生接受認(rèn)可的一種“實(shí)驗(yàn)”。隨著信息技術(shù)以及設(shè)備的升級換代，仿真實(shí)驗(yàn)逐漸成為課堂上一種較為普遍采用的教學(xué)手段。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)或參數(shù)后，可即時演示出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。如輸入不同的初速度數(shù)值，就可以描繪出相應(yīng)的平拋物體的軌跡。

但仿真實(shí)驗(yàn)畢竟不真實(shí)，真實(shí)的世界遠(yuǎn)非網(wǎng)絡(luò)或PPT課件里那么純粹和簡化。失敗的操作、煩瑣的數(shù)據(jù)、突發(fā)的故障以及不可避免的誤差，都是實(shí)驗(yàn)過程中不可或缺的重要東西。物理實(shí)驗(yàn)的“根”是真實(shí)。如果學(xué)生思想中的世界完全建立在網(wǎng)絡(luò)、課件、屏幕、投影傳輸?shù)摹艾F(xiàn)象”之上，那是違背科學(xué)性、真實(shí)性的。

3.實(shí)驗(yàn)練習(xí)。

由于課時、條件、教學(xué)進(jìn)度等因素，有些實(shí)驗(yàn)可以改編為習(xí)題，如上文碰撞法中的四個實(shí)驗(yàn)案例。在習(xí)題反饋與教學(xué)中可提醒學(xué)生與教材提供的三個參考案例進(jìn)行對比，找出思想方法上的異同。這不僅有利于提高習(xí)題利用率，拓展學(xué)生的發(fā)散性思維，而且對提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ泊笥泻锰?，達(dá)到一石二鳥的效果。近年來，高考試題越來越注重通過實(shí)驗(yàn)題來考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)驗(yàn)分析與處理能力，以及故障的排查和誤差的分析，有的試題靈活度很高，要求學(xué)生提出改進(jìn)的方法等。

三、實(shí)驗(yàn)選取的策略

1.真實(shí)優(yōu)先，靈活選取。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本原則就是追求真實(shí)性。所以，只要實(shí)驗(yàn)條件允許，應(yīng)優(yōu)先選取真實(shí)實(shí)驗(yàn)。有些條件好的學(xué)校，如裝備了DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，就可以運(yùn)用傳感器和計(jì)算描繪平拋運(yùn)動軌跡。客觀條件不允許、條件苛刻、無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，或者現(xiàn)象很難直接觀察到的實(shí)驗(yàn)，可采用仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示。

2.有效設(shè)計(jì)，注重實(shí)效。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時，要考慮到實(shí)驗(yàn)安全（人身和儀器）、成功率高、儀器簡單、操作容易、可重復(fù)性強(qiáng)等方面。另外，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時既要有實(shí)驗(yàn)方案的選取，又要有實(shí)際動手操作，還要有對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與處理，應(yīng)充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。可作如下思考：對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)，要精心準(zhǔn)備，力爭實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有效達(dá)成;對于只需要了解的知識和規(guī)律，可更多地選用演示實(shí)驗(yàn)，如運(yùn)用實(shí)驗(yàn)比較法探究平拋運(yùn)動的水平和豎直方向的運(yùn)動特點(diǎn)，以縮短實(shí)驗(yàn)時間，提高學(xué)習(xí)效率。而在復(fù)習(xí)平拋運(yùn)動的教學(xué)設(shè)計(jì)中可以選用PPT課件來展示，達(dá)到回顧和再現(xiàn)的目的。注重實(shí)效，用創(chuàng)新手法將實(shí)驗(yàn)案例融合，如考慮到實(shí)驗(yàn)室的平拋演示儀器比較陳舊，誤差很大，采用數(shù)碼相機(jī)照下細(xì)水柱的平拋運(yùn)動軌跡，再對照片進(jìn)行處理，這樣處理能很好地實(shí)現(xiàn)感性認(rèn)識和理性思維相結(jié)合，使學(xué)生在獲得成功的體驗(yàn)的同時，又能體會物理實(shí)驗(yàn)方法的簡潔美。

3.修正錯誤，減少誤差。

實(shí)驗(yàn)過程中無論成功與否，都是學(xué)生重要的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷。對于實(shí)驗(yàn)錯誤一定要讓學(xué)生知道原因以及如何修正。對于實(shí)驗(yàn)過程中的故障，要讓學(xué)生學(xué)會如何排查和怎么處理。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的誤差，不僅要分析成因，還要思考和嘗試去減小誤差，包括改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法、器材的選取。對于實(shí)驗(yàn)來說，錯誤、故障和誤差是好事而不是壞事。抓住這些教學(xué)契機(jī)，效果事半功倍是不言而喻的，對于培養(yǎng)學(xué)生正確的情感、態(tài)度和價值觀也是極好的教育手段。

【參考文獻(xiàn)】

陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論[M].南寧：廣西教育出版社，1997（10）.