高中物理實驗教學的思考與探索

羅秋芳

（蘇州市高新區吳縣中學，江蘇 蘇州 215151）

回顧物理學的產生和發展過程，物理學的每一個概念、規律的發現與確立大都依賴于實驗，同時實驗也是研究和發展物理學的基本手段.它不僅是技術的操作過程，而且包含了豐富的物理思想、物理方法以及創造原理和創新技法.因此，物理實驗的教學是培養與訓練學生的創新能力最有效的途徑，但要達到理想的效果，必須對教材中的演示實驗和學生分組實驗進行創新設計，并在課堂教學中科學實施.筆者在教學實踐中對物理實驗教學的導入、實施與創新設計進行了有益的探索，并形成了一些優化策略.

1 注重實驗的導入，構建科學探索的課堂氛圍

大多數教師都會注重一堂課的引入，但一個演示實驗或學生實驗怎樣導入？卻考慮得比較少，往往直接把實驗裝置擺上講臺進行演示，這正是當前課堂教學的弊端.事實上，一個好的實驗引入，不僅能激發學生的強烈興趣和求知欲望，還能為學生提供發現問題，運用知識的機會，提供創造性地解決問題的條件，使他們的創新能力得到培養和發展.例如：筆者在進行學生實驗“長度的測量”教學時，并不是直接拿出游標卡尺給學生介紹它的構造及用法，因為這樣會使得學生感到莫名——怎么又出了一個這樣的東西？對它的用法也并不能很好地掌握，甚至出現用左右手分別抓住測量爪來進行測量的錯誤操作.為此，筆者設置了以下情景促使學生積極思考并設計出自己的測量工具.

①如何用刻度尺來測量桌子上一鋼球的直徑，還需要什么工具？（學生很快地提出如圖1所示的方案）

②若此鋼球用細線懸掛在空中，我們又該如何來測量它的直徑呢？用圖1所示的方案方便嗎？（引導學生思考，使他們體會到：用圖1的方法，必須用左右手對兩塊三角板操作，那么拿被測物體、記錄數據只得借助第3只甚至第4只手了.這顯然不太方便.）

圖1

③ （緊接著）如何改進呢？以達到用一只手就可操作，騰出另一只手來持被測物體或記錄數據.（啟發學生想到左邊的三角板可固定在刻度尺上，并且刻度尺與其豎直的直角邊對齊處改刻為“0”；右邊的三角板可以在刻度尺上左右移動，以便于測量不同直徑的物體.這樣非常自然地由學生設計出一個新的、方便的測量工具——游標卡尺.

④ 作上述改進后，只能方便地測量物體的外徑，但如果有鋼管的內徑、狹窄的深槽深度需要測量，又怎么辦呢？（進一步引導學生設計出內測量爪及深度尺等.）

通過以上的處理，再向學生介紹游標卡尺使用的規范操作，學生領悟得快，也不會出現前面所說的錯誤操作，同時學生的創新意識得到了加強，能力也相應提高.

由此可見，實驗的引入也十分重要.但如何更好地引入一個實驗呢？就其導入方式而言，主要有以下兩種：

（1）從原實驗原理（或舊知識）中導出新實驗的原理，再引入實驗.

在“簡諧運動的圖像”一節教學中，通過分析頻閃照片，再列表、畫圖像得出簡諧運動的圖像為一正弦或余弦曲線.當然，這是經過科學分析后猜測出的初步結論，是否正確還需經實驗驗證.為此可用圖2實驗裝置進行驗證.筆者在導入時，從剛使用過的 “頻閃照相法”入手，分析它的原理引入圖2實驗的原理，進而得到該實驗裝置并進行實驗演示.

圖2

①請學生們思考一下，閃光照相底片上的小球的像同運動小球之間有什么關系？（它們相應地表示運動物體在不同時刻的位置.）

② “閃光照相”法實質上記錄了運動物體每隔一定時間所在的位置，由此想到設計一個實驗它能記錄小球在不同時刻的位置，從而了解小球在不同時間里發生的位移及其變化，探討簡諧運動的規律.那么，怎樣才能達到這一目的呢？（激發學生思考）

③ 教師手持粉筆演示，以啟發學生思考：第一步，教師手持粉筆在黑板上上下運動一周，結果黑板上留下這一周內不同時刻粉筆的位移；第二步，使粉筆在黑板上不停地上下運動，粉筆的痕跡不斷重疊，仍呈現一條豎直線，這同振子的閃光照片相似；第三步，教師提問引發思考“如何將不同時刻的位移分別顯示出來呢？——也就是使粉筆在每個振動周期內的痕跡不重疊”.學生會想到邊上下畫的同時邊向右移動，教師進而啟發——如果不移動手是否可以拖動記錄的板；第四步，教師出示圖2實驗裝置并予以介紹，同時引導學生思考：為使紙帶運動的距離代表時間，應該讓紙帶如何運動？

④進行實驗演示：搖動手柄使記錄紙勻速拉動，記錄筆P在紙上畫出一條正弦或余弦曲線，顯示了各個時刻小球的位移.

（2）從舊知識中導入新實驗的所用器材，再引入實驗.

在“運動電荷在磁場中的作用”一節教學時，筆者從上一節知識中的“通電導線在磁場中受到安培力作用”引導學生分析，并作出猜測：“運動電荷在磁場中會受磁場力的作用”，當然，這還需要實驗的進一步驗證.但實驗如何導入呢？筆者是這樣設計的：

① 我們要檢驗的觀點中，它們的因果關系怎樣呢？為此，我們實驗時必須提供什么？［需驗證：運動電荷（因）在磁場中（因）會受到磁場力（果）的作用，這樣，必須提供運動電荷與磁場.］

② 用什么提供磁場呢？如何產生離開導體的運動電荷呢？（磁場可用蹄形磁鐵或通電線圈，用熱電子發射可產生運動電子.本次實驗中擬用高電壓產生運動電子.）

③ 運動電荷是微觀粒子，還要有能顯示其受力的辦法，那么該如何顯示它的受力呢？（可通過顯示徑跡的方法，徑跡的顯示可用涂有熒光粉的熒光屏，也可用低壓的水銀蒸氣或氫氣發出輝光來顯示，繼而教師介紹電子射線管、感應圈和磁鐵等器材，再進行實驗演示.）

所以實驗導入時，可以先推導出即將演示實驗的原理，也可以先導入其所用器材，進而介紹實驗裝置和實驗操作.不管哪種導入方式都必須注意“布局”，教師的提問或是學生自己發現的問題，都要能剌激學生心理產生疑問，使他們產生心理上的不平衡，進而激發探究的欲望，這樣學生才有探索的內動力，才易形成探索的課堂氛圍.學生一旦有機會運用知識解決一些問題，他們就會在推導過程中積極應用分析與綜合、演繹與歸納、分類與比較等各種思維方法進行思考，經歷這樣的學習過程，學生不僅掌握了知識，提高了邏輯推理能力，同時也激勵了他們的創新精神和創造能力.

2 注重實驗的實施，突出科學方法，顯化創新技法

一個成功的演示實驗，不僅要有理想的實驗裝置，更重要的是如何實施實驗的演示及教學，以充分發揮其教育、教學功能.法國科學家貝爾納說：“良好的方法能使我們發揮天賦和才能，而拙劣的方法卻削弱、甚至扼殺我們的才能”.因此，在教學過程中應把實驗中的技術、豐富的物理思想和物理方法以及蘊含的創造原理與創新技法傳授給學生，對發展學生的物理創新能力可以起到事半功倍的效果.在實驗教學的實施過程中，教師應注意將它們“顯化”，加以突出，給學生產生深刻的印象，可以說，這相當于在培養與訓練學生的物理創新能力的進程中加進了一劑催化劑.

圖3

圖3為“簡諧運動的圖像”實驗裝置.圖3甲中，1為鐵架臺，2為彈簧，3為記錄紙，4為振動小球，5為帶夾的導軌滑輪，6為圖紙導軌，7為固定鐵夾，8為小電機（繞在電動機的轉軸上的細線帶動記錄紙向左移動），9為細線；圖3乙中1為圖紙導軌，2為注射器，3為記錄紙，4為帶有一段軟管的一次性注射器針頭，5為直尺，6為鐵架臺.可以說這個裝置比教材給出的實驗裝置（即圖2）有較大的創新，但如果只直接拿出來演示，其功能與圖2實驗裝置相當，也不過是讓學生看到了簡諧運動的圖像為正弦或余弦曲線.如果教學實施過程中，教師注重引導學生自主分析原裝置中存在的弊端，注意引導學生自行設計：將水平面內完成的實驗變化為豎直面上來完成，同時把水平桿上的彈簧振子改為豎直兩彈簧連接；把記錄筆換成帶一次性注射針頭的注射器噴射墨水記錄；利用直尺的杠桿作用將小球的振動幅度放大等.使學生感受創新活動的整個過程，體驗創新的無窮樂趣.教師同時突出其中的物理方法——機械放大法，顯化應用過的“聯想”等創新技法，該實驗的教育教學功能就大大增強.

當然，并不是一定要將教材中的實驗全部改頭換面，實際上，教材中給出的實驗往往也包含許多創新因子和方法在其中.例如“自感”一節中的2個演示實驗.

“自感現象”演示實驗教材中的原有裝置如圖中4（a）所示，教師在進行演示教學時不宜“照單抓藥”，必須充分拓展以利于學生物理創新能力的培養，在演示之初可先按圖4（b）進行，當這個實驗演示結果與學生原有的猜想不一致時，學生的探索動機就被激發起來了.這時教師可引導他們通過分析失敗原因，再運用“比較法”、“補償法”實驗思想方法設計出如圖4（a）所示的電路使實驗獲得成功.但教師不應滿足于此，還可將實驗再進一步拓展.［在圖4（a）中，演示S斷開通過線圈電流變小時產生自感電動勢］，當此次拓展并未實現所預言的現象（兩燈會再亮一下）時，進一步激發學生的探索動機，學生在教師的引導下運用電路理論進行失敗原因（通過燈上的電流太小，回路電阻太大）分析后設計出圖4（c）實驗，這樣自然過渡到教材中后一個演示實驗，使實驗再次成功.

圖4

教師還可以引導學生發現圖4（a）中所用滑動變阻器因自感會產生干擾，為排除此干擾，應盡量改用直線電阻絲型滑動變阻器或采用雙螺旋線繞法變阻器.并讓學生應用“比較法”、“補償法”將圖4（c）實驗拓展到圖4（d）實驗，以取得良好的演示效果.按上述的教學實施策略，不僅讓學生運用電路理論知識分析實驗失敗的原因，同時也使他們在這樣的實踐活動中培養了理論分析與應用的能力以及運用比較法、補償法進行實驗設計的能力.

中學物理實驗中包含了許多重要的思想方法，如“驗證牛頓第二定律”實驗中運用的控制變量法；自感現象的觀察、光譜分析等實驗運用的比較法；測量單擺周期中運用的累積放大法；螺旋測微器、游標卡尺中利用的機械放大法；顯示微小形變及卡文迪許實驗中運用的光學放大法；“電場中的等勢線的描繪”實驗中模擬法；還有替代法、轉換法、平衡法、補償法、共軛法等.而且每個實驗都是經過長期的教學實踐而確定的，也是教育教學創造活動的結晶，因此，其中也不乏創新技法，如聯想創造技法、類比創造技法、設問創造技法、列舉創造技法和轉換創造技法等.教師應注重實驗教學的實施——突出科學方法，顯化創新技法.讓學生體驗創新活動的樂趣，使他們從中培養創新精神，掌握好物理思想和方法，獲得創新技法.可以說，學生對研究方法認識的進步，其意義并不比創新本身小.

但實驗教學的實施要有利于培養學生的物理創新能力，必須注重激發學生的創新動機.讓學生在運用已有的知識、經驗和方法設計新的實驗時，發生矛盾、遇到困難甚至導致失敗，由此產生困惑，從而使學生認識到原有的認知存在局限性、存在缺點及適用條件，困惑的產生才有利于激發學生的創新動機.當然，學生的創新活動不可能是憑空產生，因此教師應及時提供知識原型啟發學生，使他們經模仿、聯想再造出新的事物.這一過程中，學生掌握的研究方法（即科學方法和創新技法）就會發揮巨大的作用.