基于學習目標達成的實驗選取策略

【摘 要】從學習目標出發，對多種實驗設計進行分析和分類。權衡其在教學中的優劣后，對實驗的選取提出思考。

【關鍵詞】高中物理;實驗設計;學習目標;選取策略

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】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（南京，211500）教師。

人教版教材《物理》必修2第五章第三節“實驗：研究平拋運動”的學習目標是在通過實驗描繪平拋物體的運動軌跡的基礎上，研究平拋運動的特點。而如何準確描繪出平拋物體運動的軌跡則是關鍵。因此，為了有效達成本課的學習目標，教師需要對教材中的各種實驗設計進行分析和分類，在權衡優劣的基礎上，選取有效的實驗策略。

一、實驗案例呈現

1.小球碰鉛筆尖法。

如圖1所示，教材所提供的參考案例1是利用了實踐中比較成熟的“小球碰鉛筆尖法”描繪小球平拋運動軌跡的實驗裝置，用鉛筆試探描繪出小球經過的位置。選用這個實驗案例作為學生分組實驗，讓學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，可選用過紙板小孔法進行改進，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.細水柱法。

如圖3所示，倒置的飲料瓶內裝著水，瓶塞內插著兩根兩端開口的細管，其中一根彎成水平，且水平端加接一段更細的硬管作為噴嘴。通過噴嘴中射出的水在空中的軌跡來反映平拋運動。這種方法，簡單易行，軌跡準確、清晰，適合進行課堂演示實驗。

4.頻閃照相法。

利用數碼照相機或攝像機的攝像功能來記錄平拋運動的軌跡。拍攝小球從水平桌面飛出后做平拋運動的幾張連續照片。這種方法簡單，軌跡準確，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動。在鋼球拋出后經過的地方水平放置一塊可調節高度的木板，木板上放一張白紙，白紙上放有復寫紙，這樣便能記錄鋼球在白紙上的落點。

（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，把白紙和復寫紙附在墻上，記錄鋼球的落點。改變桌子和墻的距離，就可以得到多組數據。

（3）將（2）改進為如圖5所示的實驗，將一塊釘上復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。這種方法設計巧妙，誤差較小，考慮比較全面。

（4）將（3）法改為如圖6所示的實驗，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，讓小球從斜槽適當的位置由靜止滾下，觀察小球在木條上的落點，并在白紙上標出相應的點，得到小球運動過程中的一個位置。把水平木條向下移動，重復上面的操作，讓小球從斜槽上相同位置由靜止滾下，得到小球運動過程中的多個位置，從木板上取下白紙并處理數據。

6.利用傳感器和計算機研究平拋運動。

將研究平拋運動規律的實驗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，底板上的標尺可以測得水平位移。

二、對實驗的分析和分類

1.真實實驗。

在真實實驗中，學生分組實驗相對于演示實驗，參與度更高些。學生通過分組實驗，親自動手操作、親自動手計算，實驗過程得到的知識、規律、方法和經歷，都有利于學生實驗能力和素養的提高。

由于學生個體實驗能力的差異，在實驗過程中，不可避免地會出現完成進度不一的現象。學生分組實驗的效率相對較低。

當然，學生分組實驗和演示實驗也可以進行有效的改進和融合。部分學生演示實驗，不僅能提高參與度，也為課堂演示或課后開展興趣小組進行進一步實驗探究打下了基礎。

2.仿真實驗。

與真實實驗相對應，“仿真實驗”指的是沒有實際操作，在一定程度上，它突出實驗原理、重點和細節，是能被學生接受認可的一種“實驗”。隨著信息技術以及設備的升級換代，仿真實驗逐漸成為課堂上一種較為普遍采用的教學手段。當輸入數據或參數后，可即時演示出相應的實驗現象。如輸入不同的初速度數值，就可以描繪出相應的平拋物體的軌跡。

但仿真實驗畢竟不真實，真實的世界遠非網絡或PPT課件里那么純粹和簡化。失敗的操作、煩瑣的數據、突發的故障以及不可避免的誤差，都是實驗過程中不可或缺的重要東西。物理實驗的“根”是真實。如果學生思想中的世界完全建立在網絡、課件、屏幕、投影傳輸的“現象”之上，那是違背科學性、真實性的。

3.實驗練習。

由于課時、條件、教學進度等因素，有些實驗可以改編為習題，如上文碰撞法中的四個實驗案例。在習題反饋與教學中可提醒學生與教材提供的三個參考案例進行對比，找出思想方法上的異同。這不僅有利于提高習題利用率，拓展學生的發散性思維，而且對提高學生的實驗能力也大有好處，達到一石二鳥的效果。近年來，高考試題越來越注重通過實驗題來考查學生的實驗經歷、實驗設計、實驗探究、實驗分析與處理能力，以及故障的排查和誤差的分析，有的試題靈活度很高，要求學生提出改進的方法等。

三、實驗選取的策略

1.真實優先，靈活選取。

實驗教學的基本原則就是追求真實性。所以，只要實驗條件允許，應優先選取真實實驗。有些條件好的學校，如裝備了DIS數字化實驗室，就可以運用傳感器和計算描繪平拋運動軌跡。客觀條件不允許、條件苛刻、無法進行的實驗，或者現象很難直接觀察到的實驗，可采用仿真實驗進行演示。

2.有效設計，注重實效。

實驗設計時，要考慮到實驗安全（人身和儀器）、成功率高、儀器簡單、操作容易、可重復性強等方面。另外，實驗設計時既要有實驗方案的選取，又要有實際動手操作，還要有對實驗結果的分析與處理，應充分體現以學生為主體，培養學生的實驗能力。可作如下思考：對于學生實驗，要精心準備，力爭實驗目標有效達成;對于只需要了解的知識和規律，可更多地選用演示實驗，如運用實驗比較法探究平拋運動的水平和豎直方向的運動特點，以縮短實驗時間，提高學習效率。而在復習平拋運動的教學設計中可以選用PPT課件來展示，達到回顧和再現的目的。注重實效，用創新手法將實驗案例融合，如考慮到實驗室的平拋演示儀器比較陳舊，誤差很大，采用數碼相機照下細水柱的平拋運動軌跡，再對照片進行處理，這樣處理能很好地實現感性認識和理性思維相結合，使學生在獲得成功的體驗的同時，又能體會物理實驗方法的簡潔美。

3.修正錯誤，減少誤差。

實驗過程中無論成功與否，都是學生重要的實驗經歷。對于實驗錯誤一定要讓學生知道原因以及如何修正。對于實驗過程中的故障，要讓學生學會如何排查和怎么處理。實驗產生的誤差，不僅要分析成因，還要思考和嘗試去減小誤差，包括改進實驗方法、器材的選取。對于實驗來說，錯誤、故障和誤差是好事而不是壞事。抓住這些教學契機，效果事半功倍是不言而喻的，對于培養學生正確的情感、態度和價值觀也是極好的教育手段。

【參考文獻】

陶洪.物理實驗論[M].南寧：廣西教育出版社，1997（10）.