利用“探究小車速度隨時間變化的規律”實驗培養學生的動手能力和實驗思維

汪志華

摘 要： 實驗教學在高中教學中的地位舉足輕重，實驗在各地高考中屬于必考考點；在實驗教學中培養出的創新思維也是社會對人才需求的重要方面；通過實驗鍛煉將學到的課本知識應用于生活，讓理論知識指導實踐，也是教育的最終目的和根本出發點。所以，高中物理教學中的實驗教學在整個教育體系中是很重要的一個環節，使這種要求和實驗精神盡可能地在每一個實驗中得到體現。

關鍵詞： 實驗教學 動手能力 創新意識 實驗思維

在《人教版高中物理必修一》課本的前言章節中就有這樣的描述：“物理學是一門實驗課學，也是一門崇尚理性、重視邏輯推理的科學。”高中物理教學大綱中也有要求：“學生實驗的要求應該切實達到。有條件的學校應該增加學生實驗的數目，特別是增加探索性的實驗。教師要充分發揮學生做好實驗的主動性和積極性，加強對學生的實驗的引導。應該要求學生認真思考，手腦并用，既要獨立操作，又要善于與別人合作。要教育學生遵守實驗室規則。”

物理教學中，培養學生的實驗能力，是物理教學的重要內容。所謂實驗能力包含理論思維、科學觀察和操作三個方面的因素，這三個方面因素是密切相關的，由這三方面因素的有機統一綜合稱為實驗能力。

學生思維能力和動手能力是學生素質的一個重要方面，提高學生的思維能力和動手能力也是素質教育的重要一環。訓練和提高學生動手能力，有利于學生在物理知識的內化過程中形成探究、創新的思維。如何通過課堂實驗提高學生的動手能力和實驗思維，本文從高中課本的第二個實驗“探究小車速度隨時間變化的規律”的教學中闡述筆者的做法和思路。

一、進入實驗室之前的準備

（一）對進入實驗室之后的行為規范做出要求，以便讓學生養成遵守驗室管理規范，愛惜實驗儀器，保護實驗環境，珍惜實驗時間的良好實驗習慣。

（二）對實驗中使用到的儀器的結構和原理進行解說，以避免在實驗過程中由于對實驗儀器的生疏而造成對儀器的損壞，對儀器原理的掌握也能夠讓學生在實驗中更熟練地應用手頭的實驗器材，從而得到更精確的實驗結果和數據，更能讓學生在實驗中盡快進入實驗操作過程，從而節約時間，使得學生在實驗后有充足的時間進行實驗的反思和總結中有效地提高實驗效率。

本次實驗中用到的儀器主要有打點計時器，紙帶，小車，一端帶有定滑輪的導軌，細線，勾碼（可用重物或沙桶代替），刻度尺、坐標紙。整套裝置如下圖所示：

在這個實驗中應該反復強調打點計時器原理及使用注意事項，因為打點計時器的紙帶處理在高考是個不折不扣的高頻考點，在平時的做題訓練中也要加大訓練的重視程度。

1.打點計時器分為電磁打點計時器及電火花打點計時器。

電磁打點計時器的電源為4～6V、50HZ的交流電源。而電火花打點計時器為220V、50HZ的交流電源。在實驗之前交代清楚兩種計時器的電源要求可以減少學生接錯電源的情況，便能有效減少對實驗儀器的損壞。

2.打點計時器在使用中的注意事項有打點之前檢查墨粉盤，要先開電源再放開紙帶，電源要連在交流電源等。

3.配套設備的相關注意事項有：連接小車和定滑輪的細線要水平，打點之前小車應靠近打點計時器，軌道調整水平等。

（三）對實驗中的數據要求。

1.讀數注意事項：本實驗中使用的刻度尺為最小分度為1毫米的毫米刻度尺，應該注意讀數時眼睛要正對刻度線，減少實驗誤差。另外在讀數結果要保留到毫米位的下一位，而且在實驗前應該強化訓練一下毫米刻度尺的讀數規則和方法。

2.數據記錄：在實驗中每次讀數都要及時記錄在實驗前設計好的數據表格中，數據表格的設計應該做到直觀方便，既能方便地記錄又能方便我們取用數據用來計算，當養成良好習慣之后，學生自己便能掌握設計數據表格的方法。

3.數據處理：在實驗之前應該將實驗原理清楚無誤地讓每一個同學掌握，以便能在數據處理的時候靈活應用，因為數據的處理方法要遵循實驗原理的要求。在本實驗中用的方法有：計數點的選取，紙帶上點與點之間距離的測量方法，某個計數點瞬時速度的計算，利用加速度的定義求取加速度的計算方法，利用v-t圖像求解加速度的計算方法，等等。

（四）實驗結束后的行為規范：要求學生在整個實驗過程中保護好實驗環境，不亂扔紙屑，不將實驗過程中的廢紙條隨地亂扔；實驗結束后將實驗儀器整理好，關閉電源；在實驗臺的記錄單上按實際情況簽字；對破損的儀器與老師進行溝通更換；最后攜帶好自己的工具和課本，有序地離開實驗室。

（五）對全班同學進行分組，并且讓同學們按照實驗的要求進行細化分工。在進入實驗室之前，將實驗的注意事項及需要注意的其他方面細致到位地教給學生，這樣有利于學生在進入實驗室之后能有序快速地進入實驗的每個環節，尤其是對剛剛進入高中的學生而言，對學習習慣的養成有至關重要的作用，應該予以重視。

二、實驗過程

（一）按照預先安排好的分組名單入座，先留5分鐘時間回顧本節的實驗原理，充分認識實驗儀器，學習使用方法，為接下來的實驗做準備。

（二）開始實驗過程。

1.實驗儀器的安裝：把一端附有滑輪的長木板平放在實驗桌上，并使滑輪伸出桌面，把打點計時器固定在遠離滑輪的一端，連接好電路。

在本環節中注意打點計時器的電源連接正確，注意判斷導軌的水平，這些細節都會對實驗結果產生很大影響。

2.把一條細繩拴在小車上，使細繩跨過滑輪，下面掛上合適的鉤碼，放手后看小車能否在木板上平穩地加速滑行，然后把紙帶穿過打點計時器，并把紙帶的另一端固定在小車后面。

在本環節中要強調細線與導軌是否平行，學著判斷勾碼的重量是否合適，并且使用的紙帶要求不能卷曲、折疊，在安裝過程中要求在實驗之前，小車要得位置要靠近打點計時器，并且讓學生思考這樣做的原因及不這樣做的后果。

3.把小車停在靠近打點計時器處，先接通電源，然后釋放小車，讓小車拖著紙帶運動，打點計時器就在紙帶上打下一列小點，換上紙帶，重復實驗3次。

本環節中要給同學們講解在打點計時器開始工作的時候打點頻率不穩定，所以打點的時間間隔并不恒定，所以要先開電源，再釋放小車。而且要注意檢查小車的輪子是否安裝好，因為小車的輪子最容易壞掉，而輪子安裝不好會直接導致實驗的失敗。還要注意保護好小車的安全，在小車即將碰到滑輪的時候，要用手按住小車。

4.增減所掛的鉤碼，或在小車上放置重物，再做兩次實驗，每次實驗打3條紙帶。

實驗進行到這里，實驗的操作程已經算是基本結束了，實際操作中學生可能還有很多問題，會出錯，我會在實驗過程中走動檢查，碰到同學們在實驗中出錯時及時進行糾正和輔導，比如在實驗如何注意儀器的安全，在實驗過程中分工的合理性，等等。

5.實驗結束后，斷開電源，將實驗儀器放置歸位。

在實驗過程中一定要注意強調實驗習慣的養成，在以后的實驗中學生便能在用到打點計時器時主動檢查打點計時器的墨粉盤是否還能繼續使用，接觸到導軌的時候便能自發地調整導軌的水平，自發地連接好打點計時器的電源，實驗時便能自發地防止鉤碼落地及小車與滑輪碰撞，當小車到達滑輪前及時用手按住，等等。既能使我們未來的教學輕松有效，又能讓學生在以后的實驗中養成自覺糾錯的好習慣。既能保證實驗儀器的安全，又能保證在以后的實驗有越來越好的效果，甚至在實驗課堂上學到的東西能遷移應用于生活中，只要能將學到的知識靈活地加以應用，同學們便能發散思維，利用身邊的一些小工具做一些科學實驗。這樣既能提高實驗水平，又能激發同學們學習物理的熱情和興趣。

（三）數據處理。通過前面的實驗過程，同學們便得到了打點的紙帶：

1.紙帶上舍棄掉開始的過于密集的點，從能清楚地分辨的點開始每五個自然間隔取一個點作為計數點，分別標記為0、1、2、3、4、5、6……如圖：

在這個環節中讓同學們思考：為什么每五個自然間隔取一個計數點呢？這樣做的意義何在？對我們接下來的計算會帶來什么好處？

2.用毫米刻度尺測量0點與后面各點之間的距離x，填寫在下表的x這一欄：

在這一步中注意引導學生讀數，提示學生精確到毫米之后的下一位。毫米刻度尺的讀數是其他精確儀器讀數的基礎，將它的讀數理解了，以后的千分尺等的讀數將會省力很多，儀器讀數也是高考的一個高頻考點，熟練掌握也會使同學們的高考多一分保障。

3.利用上一步求出來的數據計算每兩個點的距離△x■，△x■，△x■……

4.利用前面學習過的瞬時速度的求解辦法v■=■計算第1，2，3，4各點的瞬時速度并計入表格。

5.將打下0的時刻當做零時刻，在上表中依次填入打下1，2，3，4，5各點的時刻。

6.根據表中的速度分析小車的速度隨時間是怎么變化的。

在這一步中引導學生進行定性分析，從得到的數據可以看出來，隨著時間向后推移的過程中，小車的速度隨時間是增大的。可以將同學們的結果進行展示。

7.利用表格中的數據描點作圖，做出如圖所示的v-t圖像。

作圖過程如下：

（1）在坐標紙上建立坐標系，橫坐標表示時間，縱坐標表示速度，并根據表中的數據進行描點；

（2）畫一條直線，讓描出的點更多地通過這一條直線，剩下的點均勻分布在這條直線的兩側；

（3）觀察我們得到的直線，通過圖像描述速度隨時間變化的規律。

通過我們得到的直線，我們可以得到這樣的結論：速度隨時間是均勻增大的。

（四）對同學們得到的實驗結果及圖像在多媒體投影儀上進行放映，讓同學們進行交流討論，在此過程中可以請同學們踴躍發言，參與討論，指出自己的小組和其他小組成功的地方，以及不成熟的地方，既激發同學們的求知欲和學習物理的熱情，更使同學們的語言組織能力得到鍛煉。

在整個實驗過程中，我們始終要注意同學們在細節上的把握，這些細節的累積往往就是實驗的關鍵，當同學們將各個細節的地方把握好了之后，也就是意味著同學能在實驗過程中獨當一面了；在實驗中的許多細節也是高考的考點所在，比如儀表的讀數方法，儀器的安裝細節，實驗失誤對實驗誤差的影響，實驗數據結果的保留，等等，這些方面的熟練掌握也能為各位同學們的高考成績添磚加瓦；在分組實驗時的分工合作對實驗的成功和實驗的效率也至關重要，比如在這個實驗中有電路的連接，有儀器的安裝，實驗過程中有開電源、放紙帶、保護小車、數據記錄、數據計算，還有描點作圖、結果分析等很多細微環節，要教育同學們在實驗過程中既相互合作，又分工明確，為以后的復雜實驗和未來的步入社會做準備。

三、創新實驗設計

（一）在實驗時打出的紙帶挑出一條點跡清晰的，按照相同的時間間隔將紙帶剪開，剪成一條一條的短紙條，然后將一端對齊，按照先后順序粘貼起來，再用平滑的曲線將各段紙條最上端的中點連接起來，形成如圖所示類似圖像的一條直線。根據紙帶的特點，便可以分析小車的運動情況了。

在講解到這種方法的時候，請同學們試著解釋，為什么這樣的一個“圖像”能夠描述物體運動的速度隨時間變化的規律呢？在同學們思考的時候也就是鍛煉同學們發散思維的契機，在思考過程中既能將運動的特點和打出紙帶的原理在大腦中梳理清楚，更能提高學生在應對創新題目時的敏感性，使同學們能觸類旁通，慢慢地使解決問題的能力得到鍛煉和提高。

（二）利用氣墊導軌裝置測量小車的速度隨時間的變化規律。如果有條件的話，則在實驗室可以利用氣墊導軌做這個實驗，比用傳統的方法更精確也更現代化。在實驗中可以讓同學們積極思考，怎么樣利用這個裝置做這個實驗，用這套裝置做實驗的時候比我們用傳統的小車紙帶打點計時器有什么優越性，在數據處理是應該注意哪些問題，等等。

在力學實驗中加入氣墊導軌考察也是近幾年的高考實驗題的熱點之一，讓同學們認識氣墊導軌并且積極思考它的原理能夠讓同學們及早地學會應對此類問題，能使同學們的應試能力得到鍛煉。不但提高動腦動手能力，而且讓思維得到拓展。

四、實驗結束后對實驗過程及結果的反思討論

在每一個實驗結束之后，都要引導學生對實驗過程及實驗結果做出反思和談論。根據我的經驗，對于實驗的題目，同學們是缺乏耐心和毅力的，因為實驗題總是伴隨大量計算及邏輯推理，所以在實驗結束之后要對本實驗中涉及的一些數據處理的技巧和運算方法給予總結和強化訓練，尤其是對高考的熱點問題要進行針對性訓練；同時，要指導學生積極思考、發散思維，利用生活中的小工具、日常用品設計相似效果的小實驗，這一過程不僅鍛煉同學們的動手動腦能力，而且是對課本知識的升華和應用。比如這個實驗我們可以讓兩個同學配合，一位同學模仿打點計時器的原理均勻地在紙上打點，另外一個同學拉動紙帶，同樣可以用這種簡單的方法得到和實驗室相似的結果。

以上就是我在《探究小車速度隨時間變化的規律》這個實驗教學中的一些做法和啟迪。總之，作為教師，我們在教學中，尤其是在實驗教學中，要隨時培養學生的實驗意識，動手能力，合作意識，以及發散思維。這樣不僅能讓同學們有更好的動手能力，讓實驗課更好地開展，而且能讓同學們應對現在新穎的高考題目時能應對自如，給各位學子的高考添磚加瓦，也給他們未來的工作學習添加動力。

參考文獻：

[1]人教版物理必修一課本.

[2]高中物理教學大綱.

[3]高中物理課程標準.

[4]鼎尖教案（延邊教育出版社）.