如何提高高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性

張美林

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中有著舉足輕重的地位。在新課改理念下，著眼于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ瑧?yīng)努力探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有利于培養(yǎng)學(xué)生的操作實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐能力，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該確立一個(gè)發(fā)展性目標(biāo)，即培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)這個(gè)發(fā)展性目標(biāo)的一種有效模式，它是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新拓展。筆者建議在實(shí)際教學(xué)中，增加一定數(shù)量的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

一、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的涵義及相關(guān)理念

1.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的程序

物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生靈活、綜合地運(yùn)用所學(xué)的物理以及相關(guān)學(xué)科的知識(shí)和技能，完成如下的程序。一是準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)階段：查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選配實(shí)驗(yàn)儀器，擬定實(shí)驗(yàn)步驟；二是實(shí)驗(yàn)階段：正確調(diào)節(jié)和使用儀器，觀察現(xiàn)象，測(cè)量數(shù)據(jù)，思考和分析問(wèn)題；三是小結(jié)階段：可以以課題論文形式提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可以進(jìn)行口頭形式的交流討論。

2.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題的原則

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)選題的原則，一般不要求突出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)雜性，課題只給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅蓪W(xué)生根據(jù)目的要求去查閱資料，獨(dú)立制訂實(shí)驗(yàn)方案。提出分析解決問(wèn)題的設(shè)想，然后在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立去解決，最后寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

二、教學(xué)案例

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課題：重力加速度的測(cè)定

1.課題的提出

重力加速度是物理學(xué)中最重要的常數(shù)之一，它在高中的物理學(xué)習(xí)章節(jié)里大量頻繁出現(xiàn)，其數(shù)值的測(cè)定方法很多，有些方法在物理學(xué)發(fā)展史乃至在科學(xué)史上有重要的價(jià)值。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)所學(xué)知識(shí)以及了解的知識(shí)設(shè)計(jì)一種可行的實(shí)驗(yàn)方案。

涉及到重力加速度的知識(shí)點(diǎn)很多。靜力學(xué)中的重力，運(yùn)動(dòng)學(xué)中的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等；在動(dòng)力學(xué)中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律，超重、失重、力的平衡、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律、機(jī)械能守恒定律等；在電學(xué)、原子物理中帶動(dòng)粒子的受力也涉及到重力加速度。

2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的要求

（1）學(xué)生分為若干實(shí)驗(yàn)小組，根據(jù)所學(xué)知識(shí)作為實(shí)驗(yàn)原理，可以找到多種測(cè)量方法，但至少選擇一種以上你認(rèn)為切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行具體詳盡的方案設(shè)計(jì)。包含確定實(shí)驗(yàn)原理，選配實(shí)驗(yàn)器材，擬定實(shí)驗(yàn)步驟，提示重要操作事項(xiàng)等。

（2）正確調(diào)節(jié)和使用儀器，觀察現(xiàn)象，測(cè)量數(shù)據(jù)，思考和分析問(wèn)題。

（3）提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所設(shè)計(jì)方案在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)偏差或誤差的原因進(jìn)行分析，注意實(shí)驗(yàn)的可行性和實(shí)驗(yàn)價(jià)值的分析評(píng)估。

3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)和幫助

（1）從方案設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程到總結(jié)，學(xué)生以自主完成為主，疑惑較大時(shí)，師生間可以討論，教師可給予適當(dāng)指導(dǎo)。

（2）開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室可以提供學(xué)生較熟悉的一些儀器，如秒表、光電計(jì)時(shí)裝置、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電火花計(jì)時(shí)器、單擺裝置等。

4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的思考

（1）對(duì)各小組的設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從實(shí)驗(yàn)的新穎性、可行性、實(shí)用性、先進(jìn)性設(shè)計(jì)方法的價(jià)值等方面作對(duì)比，相互間作出評(píng)價(jià)。

（2）查閱資料，了解一種比較精確的測(cè)定重力的加速度方法——?jiǎng)P特?cái)[測(cè)量法，思考其設(shè)計(jì)思想在科學(xué)史上有何重要價(jià)值。

三、教學(xué)思考

1.本案例課題極富開(kāi)放性和挑戰(zhàn)性

設(shè)計(jì)方案時(shí)，要求學(xué)生提出盡可能多的設(shè)想，再根據(jù)時(shí)間和條件，實(shí)踐一、二種方案，有的實(shí)驗(yàn)無(wú)條件進(jìn)行，也可以提出各種新的設(shè)想，這是創(chuàng)新思維訓(xùn)練的有效模式。由于課題較熟悉，要設(shè)計(jì)一個(gè)方案并不難，難就難在設(shè)計(jì)一個(gè)好方案，好方案就好在測(cè)量方法新穎、準(zhǔn)確可行上。在研究此課題中學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出不少方案，如自由落體（s=1/2gt2），物體由靜止在斜面滑下的方法[s=1/2at2=1/2（gsinθ-ug）t2]，單擺法，力的平衡（彈簧拉力F=G=mg）；帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)平行板電容器中平衡（mg=qu/d）等方法，僅是自由落體的方法，也有不同的方案，如通過(guò)光電門(mén)裝置來(lái)測(cè)物體下落時(shí)間的，也有通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶來(lái)計(jì)算g。同一方案，為了更準(zhǔn)確測(cè)量，都有不同的測(cè)量方法。

2.設(shè)計(jì)中的反思促使創(chuàng)新意識(shí)轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新能力

書(shū)面知識(shí)和實(shí)際操作之間存在巨大差異，想到一套好的思路并不等于有了實(shí)際操作的可行性。因此應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中不斷對(duì)比、反思、借鑒，通過(guò)對(duì)測(cè)量手段的優(yōu)化創(chuàng)新來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的可行性。如有不少學(xué)生在方案中采用多次測(cè)量或圖表的方法來(lái)減少偏差和誤差，正確使用較好的儀器，如光電計(jì)時(shí)裝置、電火花計(jì)時(shí)器等來(lái)保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。為了啟迪學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思維方向案例中提供“凱特?cái)[”的設(shè)計(jì)作為學(xué)習(xí)典范，就是讓學(xué)生在反思中學(xué)習(xí)凱特?cái)[的創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，凱特利用物理擺的共軛點(diǎn)避免和減少某些不易測(cè)量的物理量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，提高實(shí)驗(yàn)的精度，充分體現(xiàn)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想的重要價(jià)值和魅力。

總的來(lái)說(shuō)，開(kāi)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新構(gòu)想，隨著新課改實(shí)驗(yàn)的推廣，必將在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有越來(lái)越重要的位置，成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效教學(xué)模式。