例談高中物理實驗教學中培養學生的創新能力

【摘要】本文以“用單擺測定重力加速度”為例闡述高中物理實驗教學各個具體環節中如何培養學生的創新能力。

【關鍵詞】高中物理 實驗教學 創新能力 培養策略

【中圖分類號】G633.7【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）10-0089-01

創新能力的培養是教育者一個極重要的教學任務。能力的培養本身就是一項很抽象的工作，創新能力的培養更是霧里看花。當前，關于本課題的研究成果只停留在教學原則的層面上，沒有更具體的操作方案、范例供同行執行、模仿。針對這一現狀，筆者深入探索，總結如下文。

首先，物理教學中哪方面最有利于培養學生的創新能力呢？筆者認為實驗教學是培養學生創新能力的首要根據地。理由一，創新來源于實踐，實驗就是最直接的實踐；理由二，實驗教學中各方面的內容都可以創新，不象定義、規律已經專家、學者提煉到至精的地步，不可隨便“創新”；理由三，實驗的教學最需要創新，各學校因資歷、資金等原因，儀器設備不可能和課本上的一模一樣，不同學校間也不一樣，甚至同一實驗不同學生所用的儀器設備也可能不一樣，這種情況下不創新的教學恐怕連基本的教學目的都達不到。正因如此，高考物理創新能力的考查最主要也是體現在實驗題中，以實驗設計題的形式出現，這類題目成為近年來高考的熱點也就不足為奇了。

其次，如何在物理實驗教學中培養學生的創新能力呢？下面就以“用單擺測定重力加速度”為例，闡述高中物理實驗教學各個具體環節中如何培養學生的創新能力。

1.實驗目的創新。“用單擺測定重力加速度”的實驗裝置原本的實驗目的是測定當地的重力加速度。實驗后老師可進一步提問：同學們能否利用該裝置測量某山峰海拔高度？

[解析]先在山腳處使單擺做簡諧運動，測出周期T1，再把此單擺移到山頂做簡諧運動，測出周期T2，設地面重力加速度為g，山頂重力加速度為g'，地球半徑為R，山的高度為h，由于在地面上T1=2π，在山頂上T2=2π，則=。又由于g=， g'=， 得h=R。

2.實驗原理的創新。實驗后老師可以問學生：除了“用單擺測定重力加速度”外，還能想出測定重力加速度的其它方法嗎？

[解析]在本實驗前，學生已做過“研究勻變速直線運動”和利用重物自由下落“驗證機械能守恒定律”的實驗，學生很容易想到利用“驗證機械能守恒定律”的實驗裝置，即利用重物自由下落時打在紙帶上的點，用“逐差法”求得加速度a，在不計阻力的情況下，此即為重力加速度g。

3.實驗器材的創新。實驗后老師進一步問學生：如果我們沒有實驗室提供那些較理想的器材，身邊只有一些輕質細繩子、卷尺、可當作秒表用的手表、形狀不規則的小石子、矮樹，你能測出重力加速度g嗎？如果能，請自行創設實驗測定你家的重力加速度g。

[解析]用細繩子和小石子做一個擺懸掛在矮樹上，單擺的擺長應是懸點到擺動小石子重心間的距離。形狀不規則的小石子的重心位置難以確定，我們只好卷尺量出擺繩長為l1，用手表測出擺動周期為T1；改變擺繩長至l2，測出此時擺動周期為T2。設拴住小石子的細繩子底端到小石子重心的距離為d，則T1=2π=2π，T2=2π=2π。解得g==。

4.實驗操作的創新。本實驗為了測定當地的重力加速度g，必須先測得單擺的振動周期T。所謂單擺的振動周期T，指的是單擺完成一次全振動所需的時間。對此實驗前老師可以提問：公式中只要求我們測得一個周期T，實驗具體操作時我們是否就只測單擺完成一次全振動所需的時間，我們怎樣改進操作方法可以使測得的T更加準確？

[解析] 由于一般單擺的周期都不長，例如擺長1m左右的單擺其周期約為2s，所以依靠人為的秒表計時產生的相對誤差會很大。針對這一問題本實驗采用累積法計時，即不是測定一個周期，而是測定幾十個周期，例如30個周期。這樣一來，人用秒表計時過程中產生的誤差與幾十個周期的總時間t相比就微乎其微了。我們再計算出平均擺動一次的時間，用這個時間作單擺的振動周期T當然誤差就更小。這種用多次測量后取平均值的方法，是物理實驗減少偶然誤差最常用的方法。

除此之外，本操作還要求：①從擺球通過平衡位置時開始計時，而不從擺球到達最大位移時開始計時；②采用倒數計時計數的方法，即數“3，2，1，0，1，2，3…”，在數到“0”的同時按下秒表開始計時計數，計數出擺球從同一方向通過最低位置時的次數，數到“60”停止計時，則擺球全振動n=30次，T=t/30。計時從平衡位置開始是因為此處擺球的速度最大，人在判定它經過此位置的時刻，產生的計時誤差較小；倒數計時計數的方法讓計時計數有預演準備的機會，可以減少操作慌亂引起的誤差。

綜上所述，我們可以通過實驗操作的不斷創新改進，可使偶然誤差逐漸減少，使測量結果更加準確。

5.實驗數據處理的創新。本實驗中測出擺長L、周期T，利用g=求出重力加速度g。為了減少誤差，實驗要求改變擺長，進行多次測量，分別計算出每次實驗的重力加速度g，最后求出幾次實驗得到的重力加速度g的平均值，即可看作本地區的重力加速度。對此老師可以提問：有沒有更好的數據處理方法使測得的g更精確？

[解析]由單擺的周期公式不難推出：L=T，因此，也可以根據分別測出一系列擺長L和對應的周期T，作L—T2圖像，圖像應是一條通過原點的直線，求出圖線的斜率k，則g=4π2k即可求得g值。用圖像法處理數據能減少偶然誤差，所得的結果更精確。

總之，要在高中物理實驗教學中有效地培養學生的創新能力，首先不可脫離教材、脫離雙基，否則創新能力的培養就如無水之魚。當然，如果只停留在照本宣科，創新能力的培養也無從談起。本文教學案例的首要目的是幫助學生深刻理解、掌握課本上列出的基本實驗，掌握這些基本實驗的原理、目的、器材的選擇與安裝、操作、數據的記錄和處理等諸方面的內容，并在這基礎上適當地、有意地遷移、拓展、更新學生的現有思維，激發學生的創造性思維，開發學生的智力，培養學生的創新能力。這種做法的基本依據是：創新思維的重要特征是批評性和發散性，這種做法也正迎合高考實驗題的命題原則：來源于教材而不拘泥于教材。本文雖只在“用單擺測定重力加速度”實驗教學的各環節中舉一例子來說明如何有效地培養學生的創新能力，但它帶有一定的普遍性，其實高中任一物理實驗的任一環節都可多角度地培養學生的創新能力，它可為高中物理其它的實驗教學帶來積極的指導作用，只要我們持之以恒，創造之花必將開滿我們辛勤耕耘的園地！