淺談高職物理實驗中學生綜合能力的培養

孟霞

（四川水利職業技術學院基礎部，四川 成都 610065）

淺談高職物理實驗中學生綜合能力的培養

孟霞

（四川水利職業技術學院基礎部，四川 成都 610065）

物理實驗是物理學科的根基，學生應具備基本的物理實驗技術能力。著重總結和探討學生應在物理實驗中應具備的實驗方法、觀察推理能力、想象力、提問創新能力、實驗設計能力及其在物理實驗中的應用，幫助學生建立起基礎物理實驗所需的綜合能力，并通過課堂實踐解決實際的物理實驗問題，以說明以上能力培養的必要性和有效性。

物理實驗；實驗方法；綜合能力；實踐

從伽利略的自由落體實驗，到法拉第電磁感應實驗，再到密立根的油滴實驗，這些聲名顯赫的物理實驗為現代物理學的發展奠定了基礎，是實踐為物理理論的發展開拓了先驅。而回到當代物理教學，學生對物理的學習著重停留在物理理論，不想動手，不愿動手，實驗基本能力往往匱乏。筆者反思多年的教學經歷，根據學生出現的問題，系統化總結概括出學習物理實驗需要具備的基本能力，幫助學生克服對物理實驗的盲區和恐懼，激勵其產生興趣，扭轉當前理論和實踐不同步的被動局面。

1 理論基礎和計算能力

基本物理公式的掌握是進行實踐的基礎，物理實驗源于教材而高于教材，要清楚公式由來的歷史背景和具體實驗方法，更要掌握公式中具體物理量的含義，并對實踐有著指導性作用。有時當實驗沒有思路時，應先從理論開始分析，理清頭緒，再進行具體的實驗操作。當實驗存在多變量時，需建立方程組，進行基本的計算，得出結果。

2 實驗方法

合適的物理實驗方法是實驗成功不可或缺的條件，現代物理與好的實驗方法息息相關，下面對物理實驗中的教學方法一一介紹:

2.1 控制變量法

對于多變量的物理實驗，要探知變量間關系時，需一次只改變一個變量，其他變量保持不變，將多變量問題轉換為獨立變量問題，即獨立變量變化只會造成因變量的變化。例如要探知滑動摩擦力和壓力的關系，那么就要保持其中的接觸面粗糙程度不變，這時的壓力是獨立變量，摩擦力是因變量，壓力的改變引起摩擦力的改變。要探知摩擦力和粗糙程度的關系，那么就要保持壓力不變，這時的粗糙程度是獨立變量，摩擦力是因變量。但當變量為非獨立變量，這種方法不成立，例如電場強度公式E=F/q，F和q均為非獨立變量，E是電場自身屬性，和F沒有關系。

2.2 圖表和公式法

對于抽象的物理現象，學生往往無從下手，而此時構建圖表進行形象化，充分運用模型等手段，再輔之數學公式進行計算，讓學生能很快掌握物理現象中隱藏的本質數學規律。遇到實際物理問題時，學生應能畫出受力圖、電路圖或者光路圖等，并能根據圖示進行具體的分析和計算，將理論與實踐結合起來，將數字與圖形結合起來，將物理規律變化用圖像來表達。

2.3 平均法

如何測量一張紙的厚度，如何測量金屬絲的直徑，這些看似棘手的問題用平均法解決就顯得異常簡單。把相同厚度的若干張紙疊在一起，除以張數，就可以得到每張紙的厚度。將金屬絲密集纏繞在柱體的表面上，用直尺量出金屬絲在柱體上的長度，再除以金屬絲的匝數，就可以得到金屬絲的直徑。另外，在電阻測量中，為了減小測量誤差，也需要用到平均法。

2.4 轉換法

如何測量小方塊的體積？如何測量滑動摩擦力的大小？面對這些我們無法直觀測量到的物理量，將抽象轉化為具體，轉變思維實驗就顯得尤為重要。將小方塊放入一杯水里，排出水的體積就是小方塊的體積。找一方塊，用彈簧拉著方塊在測量地面上做勻速直線運動，那么彈簧的讀數就是摩擦力的大小。

2.5 其他方法

排除法、遞推法、反推法、歸納法、對比法等。如實驗驗證銅、鋅能導電，鋁也能導電，可用歸納法得出金屬可以導電。比較電壓表和電流表的不同時，需用到比較法。

3 觀察推理能力和想象能力

觀察推理能力是推動物理實驗進程的基礎，伽利略通過發現斜面越光滑，球滾得越遠，提出了斜面實驗，即鋼珠從光滑的斜面下滑，如果運動過程無損耗，則其必然到達同樣高度的光滑斜面，如果沒有相同高度斜面或者斜面變成水平面，小球會保持運動下去。牛頓在他的斜面理想實驗基礎上，觀察物體運動的規律，經過理性邏輯的塑造和分析，循序漸進，推理得出了牛頓第一定律。同樣，當蘋果落在牛頓頭上時，牛頓沒有忽視這個現象，進而發現物體失去支撐一定會落下，從而發現萬有引力定律。

觀察簡單的生活也能推導得出深刻的物理現象，將響著鈴聲的手機放進袋子里，逐漸抽空里面的空氣，手機的的聲音逐漸變小，往里面注入空氣，手機的聲音會變大，可見聲音不能在真空中傳播。打雷時先看到閃電再聽到聲音，說明光在空氣中的傳播速度大于聲音在空氣中的傳播速度。將棍子插進水里，發現棍子沒有發生彎曲，這是由于光的折射原理產生的。類似的現象還有很多，在物理課堂中，應引導和幫助學生發現生活中的自然現象，并從科學的角度進行解釋，從而推導出其中的物理規律，提高學生的物理敏感度。

想象是物理實驗中不可或缺的步驟，對學生形象思維的培養至關重要。要學會將抽象的物理現象具體化，比如在經過摩擦力課堂教學后，應激發學生的想象，沒有摩擦力的世界是什么樣的?我們還能走路嗎？是否就能輕易的搬動很重的東西?在教完圓周運動后，也可引導學生想象，如果地球停止自轉會發生什么情況。如果熱力學第一第二定律不成立，永動機是不是可以發明出來？通過這種形式的教學，不僅讓學生開拓了抽象-形象思維，同時也激發了對物理的想象空間和興趣。

4 提問創新和實驗設計能力

問題無處不在，改變引導學生探究問題的實驗，不僅可以極大提高學生對實驗的興趣，更可以形成深刻印象，對學生授之以魚、授之以漁。提問分為被動提問和主動提問兩種，被動提問是在實驗初期，學生對實驗還不太了解時，老師對學生進行提問，引導學生發現問題，被動提問是在實驗中后期，學生已對實驗有了一定熟悉，主動提出一些實驗中難以發現或需要注意的問題。創新是提問的升華，如果學生發現的問題有進一步研究的價值，那么創新實驗就可以展開，給學生的實驗能力帶來更大的提高。

在具備一定物理理論基礎和基本能力后，學生也需要應能舉一反三，設計自己的物理實驗，不僅可動手來解釋物理現象和規律，更可以提升動手能力，學以致用，將理論知識運用于實踐，解決生活或工作中的實際問題。這是需要通過練習來達到。

5 課堂實踐

5.1 設計題

設計題1：給出一個石塊，石塊的形狀不規則，現在想知道石塊的密度，請問需要什么器材且器材盡量的少？如何進行測量？

本題是一道實驗設計題，難點在于不告知器材和步驟，需要學生自己進行推理和設計，考察了學生的理論基礎和實驗設計能力。首先學生需要結合物理理論，得知測量密度需要哪些物理量，然后進行相關量的推理和思考，再實驗設計，用相關器材進行測量。由數學公式(1)得出，密度是由物體質量和體積得出的，選取天平和砝碼得出物理的質量，難點在于石塊體積不規則難以得出。這時就可運用轉換法，準備量筒和水，將石塊放入量筒中，其體積就轉換成水的體積的變化量。

設計題2：醫院分為值班區和病人區兩部分，為讓醫生及時知曉病人的情況，需在病區設計按鈕，要求病人按床邊的開關后，值班區的鬧鈴就響，且對應的燈開始亮。

本題的難點在于實踐和理論結合，設計電路需要符合實際發生的情況，考察了學生的提問創新和實驗設計能力。根據本題的說明可先將電路分成兩個區域，如下圖所示，開關應該設置在病人區，對應的電源設置在值班區，問題在于病床1的病人按下開關后，如何觸動警報和只亮一個燈。單獨的串聯或并聯電路顯然都不可行，每次都觸動警報需要的是串聯電路，但每次只亮一個燈需要的是并聯電路，推理得知需要串并聯電路結合才能實現。如圖所示，每個病床的燈和開關并聯再和燈串聯起來。

圖1 設計題2電路圖

設計題3：有一個天平，九個砝碼，其中一個砝碼比另八個要輕一些，問至少要稱幾次才能將輕的那個找出來？

此題與物理知識無關，重在純粹鍛煉學生的想象能力和實驗方法。此題學生應該的思考到此題要用到排除法，難點是如何進行排除的問題。有三點可以意識到：1天平的作用是比較兩邊的輕重；2天平兩邊的砝碼數量必須平衡，否則無法進行比較；3次數要盡量的少，所以每次比較的效率都要較高。那么如何比較才能保證最高的效率？如果是分成四個兩份，那么如果問題出在4個那一份里面，后面還需要比較2次。但如果是分成三個三份，那么無論哪三份出問題，后面只需再比較一次就可以得出結論。通過有邏輯有步驟的推理和思考，可引導同學較為輕松的得出答案。

設計題4：給出一個阻值為R的電阻、一個開關S、若干電線、電源、一塊電壓表（該電壓表盤面上有刻度但無刻度值；電壓表裝上后不能拆下來），現需要用這幾個元件組成電路，測量未知電阻的阻值，請問如何設計？

本題的設計難度在于電壓表沒有明確的刻度，不能直接給出未知電阻的阻值，單憑此電壓表肯定沒有辦法做到，故而需要尋找另外的線索。注意到題中給出了已知電阻，抓住電源不變的特點，那么就可以通過比較法獲取未知電阻的阻值，給出設計圖如圖所示：

圖2 設計題4電路圖

5.2 分析題

分析題1:在下圖的電路中，閉合S后，燈泡L1和L2都未發亮，電流表A指針基本沒動，而電壓表V指針有顯著偏轉，請問電路何處出現了問題？

圖3 分析題1電路圖

此題重在考驗學生的推理能力，這個也是物理實驗的基本能力之一，遇到電路故障時要學會通過現象對電路進行剖析，列出可能的故障原因，用排除法找出原因并解決。如題所述，當S閉合后，電壓表指數有偏轉，說明回路電源→a→b→電源是導通的，故排除了電流表未接入回路、燈泡L2未接入情況，那么ab回路間可能出現以下兩種情況：

（1）若L1和ab正常連接，那么電流從電源到電流表并串聯兩個燈，燈泡正常發光，電流表A指針也應有完整偏轉；（2）若L1斷線，那么電流經過電壓表回到電源，由于電壓表內阻較大，導致兩個燈沒有亮，電流表無明顯指數，而電壓表相當于接到電源兩邊，有顯著偏轉，符合圖示現象。從而這樣層層排除篩選，一個一個節點的找，找出電路的故障。

析題2:物理實驗得出的電源U/I如下圖曲線1所示，P/I如下圖曲線2所示，試根據曲線求得電源內阻？測得電源的輸出功率為120時，那么電源輸出電壓是?

本題考驗的是學生的理論基礎、圖表分析能力和推理能力。表中兩條曲線分別表示電流變化引起電壓和功率變化，由物理公式R=得，R=（50-25）/（5-0）=5。結合圖，當輸出功率為120時電流為4，由公式P=UI得U=120/4=30。

6 結論

物理無處不在，培養學生物理實驗綜合能力是高職物理教育的重要內容，討論了物理實驗中需要用到的數個實驗方法和實驗能力，通過數道實驗設計題和分析題具體探討了培養這些能力的思路，即解釋生活中的物理現象將理論與實踐相聯系，可鍛煉學生觀察能力并激發學生興趣；通過實驗設計題和分析題可培養學生的想象、設計及分析能力，鞏固學生的物理知識。

實踐證明，清晰掌握必備的物理實驗能力并明確實驗方法，對進行物理實驗和動手能力提高都有著較大裨益，能提高實驗學習效率和價值。

[1]徐冬梅.淺談物理實驗堆學生綜合能力的培養[J].中學課程輔導，2015.

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[4]田明麗.大學物理實驗探究教學設計研究[D].西南師范大學，2005.

On Cul tivating Students'Comprehensive Ability in Physics Experiment inHigher Vocational Colleges

MENGXia
(SichuanWater Conservancy Vocat ional and Technical Col lege,Chengdu Sichuan 610065)

Physical experiment is the foundation of physics, students should have the basic physical experiment technical ability. This paper summarizes and explores the experimental methods that students should have in physics experiments, the ability of observing and reasoning, imagination, questioning, experiment design and its application in physics experiment. In order to help students build comprehensive ability required by the basic physics experiments. Use theclassroom practice to solve practical problems of physical experiments, to illustrate the necessity and effectiveness of those capacity-building.

Physics Experiment;Experimental Method; Comprehensive Ability; Practice

G718.5

A

1672-2094(2016)06-0119-04

責任編輯：張隆輝

2016-09-02

孟霞(1964-)，女，山西運城人，四川水利職業技術學院物理實驗師。