中學物理實驗能力的培養

陳錦華

（福建省福安市第三中學 福建 福安 355000）

中學物理實驗能力的培養

陳錦華

（福建省福安市第三中學 福建 福安 355000）

本文主要從實驗設計能力、實驗操作能力、實驗的觀測能力、實驗數據處理能力、實驗誤差分析的能力五個方面論述了在中學物理教學中，加強實驗教學，培養學生的實驗能力。

中學物理實驗 能力 培養

物理學是研究物質世界最基本的結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學。物理定律通常以簡潔的數學形式表達，通過反復的實驗和觀察測量檢驗。物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗是研究物理規律的重要方法。

中學階段，通過實驗可以使學生對物理規律獲得感性形象的認識，幫助學生更好掌握物理概念，加深對物理規律的理解，促進學生動手能力的發展，提高學生分析問題和解決問題的能力。在中學物理教學中怎樣培養學生實驗能力顯得尤為重要。學生的實驗能力主要包括實驗設計能力、實驗操作能力、實驗的觀測能力、實驗數據處理能力、實驗誤差分析的能力等幾方面。

一、物理實驗設計能力

物理實驗設計能力是指在理解與掌握實驗目的、實驗原理、實驗方法等基礎上具體設計實施的思維能力。中學階段常用的設計思想包括控制變量法、轉換法、放大法、比較法、平衡法等。

例如， 高中物理力學實驗：探究牛頓第二定律、探究動能定理，這兩個實驗需要測研究對象小車受到的合力，用到平衡法、轉化法。設計思路通過平衡摩擦使輕繩對小車的拉力作為小車的合力；滿足重物的質量m遠小于小車的質量M時，重物的重力作為繩子的拉力。若采用氣墊導軌，因滑塊與氣體間的摩擦很小可忽略則無需平衡摩擦；若在重物或小車上安裝力的傳感器，或對小車與重物的系統為研究對象則無需重物的質量m遠小于小車的質量M。

高中物理電學實驗：測金屬絲的電阻率、描繪小燈泡的伏安特性曲線、測電源的電動勢與內阻、多用電表的使用，這四個實驗的共性是用伏安法測電阻。設計電路圖減小測量誤差是高中物理電學實驗的關鍵點。電路包括測量電路、控制電路。測量電路包括電流表外接法與內接法。電流表內、外接選擇的依據：電流表、電壓法的內阻只給一大概的值，測量大電阻采用內接法，測量小電阻采用外接法；電流表內阻為一確定值，測量大電阻、小電阻都用內接法，電壓表內阻為一確定值，測量大電阻、小電阻都用外接法；設計兩電路圖相給合通過解方法消去電表內阻引起的系統誤差。控制電路是滑動變阻器的使用：滑動變阻器的總阻值小于待測電阻的阻值、要求電壓從零開始變化、要求盡可能有更大的測量范圍或采用限流接法時電路中的最小電流、電壓比用電器或電表允許的最大值時采用分壓式接法；滑動變阻器的總電阻大于待測電阻的阻值或電路沒特別要求采用限流式接法。儀器的選擇：電壓表量程的選擇取決于電源或用電器；電流表量程的選擇要估算電路中的最大電流；滑動變阻器的選擇取決于分壓式或是限流式。

對此，培養學生實驗設計能力的策略：

1、要求學生明確設計實驗的目的、掌握正確的實驗設計原理。例，測電源的電動勢和內阻，實驗原理為閉合電路的歐姆定律，有三種表達式，對應實驗電路圖有三種形式；

2、要求學生掌握實驗的基本方法。實驗的基本方法有三種：一種是實驗歸納法，這是通過實驗事實歸納出物理概念和規律的認識方法，牛頓第三定律在大量相互作用力的基礎上總結出的；二是理想實驗的方法，這是根據科學抽象的理想化作用，有意識地突出研究的主要因素，忽略次要因素和無關因素的干擾，在頭腦中構思成理想化實驗，用以代替難以實現的實驗來進行研究。中學物理實驗有伽利略的慣性原理、兩個不同質量物體同時落地問題、牛頓大炮的研究采用理想實驗的方法；三是實驗驗證方法，這是根據已有的經驗和知識經過推理，提出假設和預見，然后再通過實驗來證實的方法，這是一種結論在前，實驗在后的科學方法，如玻爾的原子理論的提。

3、教給學生實驗設計的基本思想方法，要設計一個物理實驗，就要首先對這個實驗進行構思，實驗的設計與構思大致有以下幾種，一是轉換法，就是借助力、熱、電、光等方法之間的相互轉換，依據等效的思想，把一些不易測量的量轉換為可觀察、可測量的量，如伏安法測電阻轉化成測電壓、電流。三放大法就是借助于聲光或疊加等方法把物理現象或要測的物理量放大后再去觀測，如研究微小形變。四是極限法，對于被研究的未知量，構思一個與它有關的變量，通過無限過程的結果就是所求的未知量，瞬時速度為平均速度的極限。五是再現法，就是利用實驗、模擬自然現象，如用棱鏡分解太陽光。六是比較法，就是利用異中求同或同中求異，對物理現象或物理量進行比較，如光譜分析。

4、熟悉實驗儀器原理，電流表相當于可知通過其電流的小電阻，若電流表內阻已知其相當于小量程電壓表；電壓表相當于可知其兩端電壓的大電阻，若電壓表內阻相當于小量程的電流表。二是平衡法，其實質就是利用偏離平衡的因素的抵消效應，用已知的物理量去檢測另外未知的物理量。

二、實驗操作能力

實驗操作能力是指對實驗儀器、工具、實驗過程等的動手操作能力，它是實驗得以順利進行的一種動手能力。實驗操作能力主要是在實驗操作過程中逐步培養起來的。例，驗證平行四邊形定則實驗，彈簧測力計零點的較準要讓測力計在水平桌面上進行，探究彈簧彈力與伸長量的關系要讓彈簧測力計處于豎直狀態；探究動能定理對天平的使用規則測質量時先加質量大的砝碼后加質量小的砝碼最后調節游碼，整理時的順序與測量時的逆過程；電學實驗時導線的連接，導線的彎曲方向為順時針方向等。

培養策略：

1、規范實驗演示，是提高學生操作能力的前提。教師的演示是學生獨立操作時模仿的依據，對學生具有示范作用。教師不僅要講清實驗原理，更應在課堂上加強對實驗的演示。為此，教師應從實驗方法的設計、器材的選擇、操作的流程、觀察的方法、結論的歸納等方面充分準備，力求操作規范、熟練。

2、強化實驗技能的基本訓練，是提高學生實驗操作能力的基礎。在課堂教學中，凡是涉及基本操作的訓練，必須采取講清原理，示范操作，學生練習的做法，反復練習，最終達到獨立操作。

3、上好實驗課，是培養學生實驗能力的中心環節。實驗課包括演示實驗和分組實驗，提倡在有條件的情況下，盡可能將演示實驗改為分組實驗。實驗時，教師先介紹實驗目的、方法及注意事項，然后教師在臺上規范按程序做，學生在臺下按步跟，在教師的指導下，學生養成良好的實驗方法和實驗習慣。提升實驗操作能力。

4、開展課外活動，是提高學生實驗操作能力的良好途徑。課外活動不僅能鞏固和深化課內知識，而且有利于培養技能。例如，通過開放實驗室，讓學生解決學習過程中遇到的問題、舉行實驗操作競賽、組織課外興趣小組、舉辦物理科技節、實驗器材改進等活動，激發學生的動手興趣，培養學生的動手能力。

5、進行實驗操作考核，是提高學生實驗操作能力的重要措施。讓學生實際操作，可以促進學生上實驗課時的積極性，從而培養學生的操作能力。

三、實驗的觀測能力

實驗觀測能力是指對實驗的現象、結果進行定性觀察和定量測量的能力，它是正確獲得實驗結果的一種能力。物理實驗過程中必須通過觀察獲得相關信息。在實驗教學中培養學生的觀察能力是實驗教學的重要任務之一。例如，在稀薄氣體的放電現家實驗中，由于為防止感應圈及放電管過熱面損壞，稀薄氣體放電時間不宜過長，在有限的時間內，要求觀察具有全面性又具有選擇性，既要求可靠性又有效率。

培養策略：

1、通過實驗教學，激發學生學習興趣，培養學生的觀察能力。物理來自于生活，生活中很多現象都與物理有關，盡可能用學過的知識解釋。例，自來水龍頭流出的水流，下落后水流的橫截面會變小。高一的學生就可用流量的知識解決。

2、基本儀器的原理、使用程序要了然了心。長度測量的工具，刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器，相當多的學生不知游標卡尺的主尺零刻線與游標尺零刻線的間距為被測的長度。

3、講清基本儀器的估讀位。分度值為“1”的估讀時把最小刻度線的距離分成10等分，估讀到下一位，分度值為“5”的估讀時把最小刻度線的距離分成5等分，估讀到本位，分度值為“2”的估讀時把最小刻度線的距離分成2等分，估讀到本位。

四、實驗數據處理能力

實驗數據處理能力是指對通過實驗測得的眾多數據進行分析處理，以獲得某些量的變化規律或量與量之間的函數關系。高中階段數學手段有限，處理數據的能力常用建立直線坐標系。坐標的橫軸為自變量，縱軸為因變量。一般是以被測量為變量，但有時為了使獲得的圖線是一條直線，而將被測量作某種變換后的數值作為變量。這種變換不僅是由于直線容易描繪，更重要的是直線的斜率、截距和圖線與橫軸所圍成的面積所包涵的物理內容是我們所需要的。例如，例，測電源的電動勢和內阻，實驗原理為閉合電路的歐姆定律，有三種表達式，數據處理三種形式,建立圖象，U軸截距表示E，斜率、建立圖象，軸截距表示，斜率、建立圖象，軸截距表示，斜率

培養策略：

1、扎實的數學基礎。例，高中物理對一次函數的表達式、斜率、距截等相關基礎知識做專題訓練。

2、利用計算機和多媒體輔助教學手段，例，利用Excel來處理數據。

五、實驗誤差分析的能力

測量結果要進行誤差分析，誤差包括統誤差和偶然誤差。測量儀器引起系統誤差，螺旋測微器和游標卡尺的零點誤差，多用電表電阻檔刻線的非線性。實驗方案設計引起的系統誤差，例伏安法測電阻由于電表內阻未知，電流表外接法時，測量值小于真實值，電流表內接法時，測量值大于真實值。實驗數據處理引起的誤差，例勻變速直線運動測紙帶的加速度采用逐差法或者圖象法，圖象法常能剔除誤差較大的數據，但圖象法也存在誤差如不能很好的畫出最佳直線，也不能得到精確的斜率值。誤差來源找到后就要對實驗數據作出修正。采用較為精密的測量工具，改用更好的測量方法。

實驗誤差分析的能力更為重要是的對實驗方案設計時的誤差分析。解決的思路是理想化后的圖象與考慮實際圖象做比較。

培養策略：培養物理建模能力及數據處理能力。

物理學是一門實驗的學科，提高物理實驗的能力可以讓學生更好地掌握物理知識、掌握物理原理，提高物理學習水平，落實新課程標準要求的素質教育，提高學生的綜合能力。實驗能力培養的重點是實驗教學方法和教學手段的的應用使學生對物理產生興趣，掌握相關的實驗設計能力、實驗操作能力、實驗的觀測能力、實驗數據處理能力、實驗誤差分析的能力，更應突出探究思想，把培養學生實驗創新意識、創新能力作為一項重要的教學任務。

[1]李春密.物理實驗操作能力的結構模型初探[J].學科教育.

[2]馮克誠等主編.中學物理實驗改進設計與規范操作實用全書（上）[M].中國對外翻譯出版公司,1999.

[3]楊述武主編.普通物理實驗[M].高等教育出版社.

G633.7

A

2095-3089（2017）27-0148-02

陳錦華，男，1971年1月出生，福建省福安市人，本科學歷，中學高級教師，研究方向：中學教育教研。