回歸學科本源 反思實驗教學

楊軍

[摘 要]根據《上海市中學物理課程標準（試行稿）》，結合《上海市高中物理學科教學基本要求（試驗本）》，從實驗教學的窘迫現狀、演示實驗的傳承作用、學生實驗的能力培養、 DIS實驗的科技前瞻等幾個方面入手，對物理實驗教學提出改進的建議，并在教學過程中進行積極嘗試和總結，旨在使學生能夠從物理實驗中得到更多的思維鍛煉和能力培養。

[關鍵詞]物理；實驗；高考新政

中學物理是物理學的一部分，物理學是研究物質的基本結構、相互作用及最一般規律的學科，它是建立在實驗基礎之上的。幾乎所有的物理概念、物理規律都來源于實驗，同時又被實驗檢驗后才能成立。要學好物理必須做好實驗，要教好物理必須重視實驗教學。

一、高中物理實驗教學的窘迫現狀

在高中的各門基礎課程中，物理課在培養學生科學素質、思維品質與創新能力方面具有重要意義，而物理實驗課更是在培養學生學科素養方面發揮著無可替代的作用。但是隨著高考新政的實施，物理實驗教學陷入了十分窘迫的境況。一方面，高考新政正在逐漸扭轉傳統教育導致的弊端和唯分數論的人才培養觀，并試圖減輕學生的學業壓力；另一方面，考試與評價方式的改變（如物理實驗技能的考查不計入任何高校招生分數），以及課時的大幅度削減，也使一些學生和家長，甚至包括一些教育界的領導和教師對物理的態度發生了很大轉變，走向了另一個極端，認為物理不再重要了，對物理實驗課的忽視則更加嚴重。面對這樣的局面，需要重新思考物理實驗教學的意義，與時俱進，探索通過實驗教學提升學生學科素養的新途徑。

二、發揮物理演示實驗的傳承作用

演示實驗最主要的功能是傳承，通過示范和學習，把最基本的物理思想和科學方法傳遞給學生。但物理演示實驗不應只傳承其方法，還應傳承其精神。很多經典實驗至今仍舊閃耀著智慧的光芒，在友善地喚醒學生的科技意識，照亮一代又一代青年學子攀登科學高峰的長路。但物理課本上的多數經典實驗，從方法到過程、從儀器到裝置、從數據到結論、從圖像到公式等都太圓滿無缺了，使人覺得科學家只要靈光一現便會誕生一個偉大的定律，久而久之，物理學家便被集體神話了，那些在實驗中所經歷的茫然無措的摸索、單調枯燥的重復、一次又一次的失敗都被忽略了。因此，在實際物理實驗教學中，有必要根據具體教學內容，拓展介紹物理學史，使學生了解每一個成功實驗背后真實的演變過程以及科學家所歷經的千難萬苦，在此基礎上再通過經典實驗的演示和學習，逐漸滲透物理思想和方法，把物理實驗的精髓傳承下去。

以伽利略研究勻加速直線運動的羊皮紙實驗為例。伽利略一開始在斜面上做實驗，后來改為斜槽，斜槽不光滑，最后才想出貼羊皮紙的辦法，讓實心銅球從斜槽上滾下。當時尚無鐘表，無法精準計時，為解決這一問題，他先是以自己的脈搏計時，結果不理想；后來又改為用音樂的節拍，還是不行；最后才想出一個“水鐘”的記時法。即用一個較大的容器穩定地滴水，不斷用天平稱量水的質量來計算時間，測出銅球在斜槽上的位置與時刻，不斷改變斜槽的角度，反復實驗上百次，最終才得出結論：物體沿光滑斜面運動是勻變速直線運動，這種科學實驗方法直到現在仍然在物理研究中被廣泛應用。

每一個規律的得來都是科學家千錘百煉的結果，演示實驗更是要遵循這個事實。并非所有的演示實驗都一定要成功，有些實驗受客觀因素影響較大，比如“摩擦起電實驗”受天氣、溫度、空氣濕度的影響都很大，即便事先對電羽、橡膠棒、絲綢、毛皮等進行了必要的烘干處理，如遇潮濕惡劣天氣也會使實驗現象不明顯，有時候甚至完全不能成功。這時一定要讓學生知道，實驗失敗是很正常的，并與學生充分分析原因，再給學生播放一些事先錄制好的視頻或錄像資料。

當涉及分子、原子等物理學的微觀領域，一些經典實驗如“粒子散射實驗”等，無法在課堂上演示，也可以借助掛圖和教材把原理、器材、方法、步驟、實驗現象等一一介紹給學生，使學生領略其中的物理思想。如果能輔以仿真實驗課件，將會使效果更好。只有讓學生領會了思想，掌握了方法，才能指導學生做好物理實驗。

三、培養學生的實驗能力

學生分組實驗探究物理規律，要著重培養學生學會設計實驗方案、控制變量、嚴謹規范地觀察現象和記錄數據，建立不怕失敗的堅定信念，發展去偽存真的辨析能力，磨煉研究意志，提高思維品質。

例如，在“一定質量的氣體溫度不變時壓強與體積關系”的實驗中，根據測得的六組P（壓強）、V（體積）實驗數據，用計算機先畫出“P-V”圖像，但該圖像為雙曲線，無法直觀看出二者之間的比例關系。這時可引導學生改變坐標軸，畫“P-1/V”的圖象，通過計算機擬合可得到一條直線，這說明P與1/V成正比，從而歸納出“一定質量的氣體在溫度不變的條件下，壓強與體積成反比的結論”。理論上這根直線應該通過坐標原點，但幾乎所有的小組都沒有過原點。這時，可以讓學生充分討論，集思廣益，最后發現：實驗時輸入的體積是通過注射器上的刻度得到的，并沒有包含連接注射器與壓強傳感器的小軟管的體積，直線在橫軸上的截距應該就是小軟管中體積的倒數。把小軟管的體積減去后再重新輸入數據，計算機擬合出來的直線基本上都能過原點了。

為了在課時被削減的情況下，充分地上好實驗課，教師們可以從以下幾方面進行嘗試。一是采用單元教學法，把相關聯的幾個實驗組合成一個綜合性實驗；二是開放學校實驗室，事先分好組，充分利用課外活動時間做實驗；三是把實驗內容同科技節等社團活動有機結合，既豐富多彩又學以致用；四是改變作業方式，把一些小實驗以作業的方式布置給學生，讓學生以作品或實驗報告的方式上交。總之，只要學生有興趣，辦法總是可以想出來的，時間也是可以擠出來的。

四、重視傳統實驗與現代科技的結合

最新的《上海市高中物理學科教學基本要求（試驗本）》中，學生實驗中的DIS（Digital Information System，數字化信息系統）實驗數量有所減少，但課本中大多數演示實驗仍然以DIS的形式出現，DIS引領物理實驗新潮流的本質沒有改變，這是因為其擁有傳統實驗無法比擬的強大的科技優勢。

一是強大的物理圖像描繪功能。如驗證牛頓第三定律的實驗，傳統方法是用兩個彈簧秤來完成，學生的觀測在左邊的示數和右邊的示數之間來回往復，有時難免顧此失彼，觀測得不夠細致也不夠全面。如果用DIS實驗來完成，用兩個傳感器代替彈簧秤，作用力、反作用力的大小和方向等將實現同步詳盡記錄，這樣作用力和反作用力的關系就能一目了然了（見圖1）。同理，在學習“振動和波”的時候，對于聲波的振動圖像，傳統實驗只能依靠感覺記憶，稍縱即逝，難以準確記錄。而利用聲傳感器記錄聲波振動圖像，聲波音頻變化的大小（橫軸）和振幅強弱的變化過程（縱軸）可以非常直觀形象地呈現出來（見圖2）。

二是強大的數據采集與處理功能。傳統實驗中學生的主要工作是裝配儀器、規范操作、正確測量、精準讀數、列表、描點、畫圖等具體事務，沒有空閑進行推理想象，缺乏思維深度，從而影響了探究的效果。而DIS實驗中，這些單調瑣碎的工作都由計算機代替了，把學生解放出來進行推理判斷、誤差分析、修正和改良等。例如研究物體自由落體運動的規律，研究加速度與力和質量的關系等，可見DIS實驗的效率優勢。

三是高度的精確性與靈敏度。以 “電磁感應現象”的新課學習為例，學生們對于“導線切割地磁場磁感線是否能產生感應電流”很感興趣，由于地磁場引起的感應電流很微弱，在傳統實驗中往往要興師動眾，用幾十米的導線在室外進行，調試很多次，才能使靈敏的電流計做出反應。而DIS電流傳感器的靈敏度級別非常高，即使在室內使用單匝線圈在地磁場中轉動，也能清晰地捕捉并記錄感應電流的變化。如用位移傳感器測教室的長度時，可以精確到1厘米。

綜上所述，面臨新形勢，面對新挑戰，物理教師要把在物理實驗中學習的主動權還給學生，引導他們積極探索、勇于創新，體驗物理實驗的樂趣，領悟物理實驗的意義，在動手動腦中提升思維品質和科學素養。這是學生全面發展的需要，更是社會發展的需要。

（責任編輯 郭向和）