“三個方法”和“五個原則”例析突破中學物理實驗教學

黃開智+陳野

摘 要： 物理實驗教學是中學物理教學過程中的重要環節，體現物理學科的魅力，對物理概念的形成、規律的發現、理論的建立等方面起著重要的鋪墊作用，同時也可以激發學生學習興趣，投入到自然科學研究的“啟蒙教育”.以“三個方法”和“五個原則”為依托，例析了如何突破中學物理的實驗教學，旨在實現物理實驗教學的最優化.

關鍵詞： 實驗教學；三個方法；五個原則

1 中學物理實驗的基本方法

鑒于物理實驗是一種研究活動，同時也是一種科學方法，它能夠創造最真實、最少受干擾，保證過程以純粹形態進行的物理環境.因此，在中學物理實驗教學中，有豐富的科學方法因素存在，可以將其歸納為以下三類.

1.1 物理實驗中的思維方法

物理實驗中的思維方法主要有以下幾種[1]：（1）分析法.解決實驗中的各種問題，找出實驗現象間的內在聯系等，都要借助于定量與定性的分析.如探究向心力與哪些因素有關；（2）理想實驗法.這種方法旨在真實實驗的基礎上，運用邏輯推理對實際的物理過程進行深入探索，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，進而在思想中塑造理想的過程并對其進行分析的方法.如牛頓第一定律的斜面實驗就是典型的理想實驗，再如黃開智在《芻議從教材內容到教學內容的重構》中的楞次定律的突破教學，也是典型的理想實驗[2]；（3）物理模型法.作為一種常用的方法，它是在實驗的基礎上對物理事實進行一種近似與抽象的描述，常見的物理模型有質點模型、點電荷模型、電流元模型、理想氣體模型等.

1.2 物理實驗中的數學方法

運用數學工具，可以對客觀規律作精練的概括.物理實驗中經常用到以下幾種數學方法：（1）幾何圖形法.如運動學的速度—時間圖象、運動（或力）的合成與分解、振動的圖象等；

（2）算術平均法.如測金屬絲的直徑、伏安法測電阻、測凸透鏡的焦距等；（3）函數關系法.如彈簧伸長與外力的關系、溫度計的刻度、歸納歐姆定律的數學表達式等；（4）表格法.如研究摩擦力與哪些因素有關系，相互作用力與平衡力之間的關系等.

1.3 物理實驗中的設計方法

1.3.1 平衡法

許多測量儀器是根據平衡原理設計的.如天平、密度計、壓強計、溫度計等，一些物理實驗如電橋測電阻，測定金屬的比熱等實驗也都用到了平衡法.

1.3.2 補償法

實驗中由于某些原因會使需要滿足的條件受到破壞，這時用某種手段對測量狀態所受影響加以彌補，可以得到較好的結果，這種方法叫做補償法.補償法可以提高實驗的精度.如電壓補償法彌補因儀表的接入而引起的被測量支路電壓的變化，光程補償法是彌補光路中光程的不對稱影響.

1.3.3 比較法

通過比較一些物理現象或物理量，可以達到異中求同或同中求異的目的，這種實驗設計方法稱為比較法.如天平、電橋等儀器都是依據比較原理制造的.

1.3.4 放大法.

在實驗過程中，有些物理量因太小而不能直接觀測時，就要借助于聲、光、電或疊加等方法，將其放大后再測量.例如，游標卡尺、顯微鏡等儀器的設計就是基于“放大”的思想.物理實驗中常用的放大方法主要有光放大、電放大、機械放大等幾種方法.

除以上幾種實驗設計方法之外[3]，在物理實驗中常用的重要設計方法還有振動法、駐波法、干涉法、衍射法及光譜法等.

2 中學物理實驗教學設計的原則

中學物理實驗教學的設計，關鍵在于體現“探究”的本質特征，要從注重知識學習與技能訓練轉向注重學生的發展，因此，實驗教學設計應遵循以下基本原則.

2.1 科學性原則

科學性原則是最根本的實驗設計要求，指在物理實驗設計過程中必須保證實驗的設計不出現科學性錯誤，實驗方案應有科學依據和正確的方式.

案例1 用音樂卡演示自由落體不受支持力[4]

為了說明重物在自由下落過程中（即完全失重的物體）對支持面的壓力為零這種狀態，原教材設計了如圖1所示的方法進行演示.

在一平底吊盤C上放一個不小于500g的重物P，把一張薄紙帶A的一端壓在重物和吊盤之間，紙帶應當盡量窄和不結實，要能在被壓的一端不脫出的條件下輕易地被拉斷.實驗時，一只手把紙帶的另一端按牢在桌上，另一只手提著盤的吊線B.第一次用手提著盤和重物慢慢下降，則紙帶先被拉緊，接著就斷裂了，這是因為紙帶被重物壓著的一端存在著靜摩擦力的作用.第二次換一張同樣的紙帶，仍像第一次那樣，一端壓在重物P下，另一端按牢在桌上，但是提吊線B的手突然放開，使盤和重物同時自由下落，可以看到紙帶不但沒有被拉斷而且完好如初，這是因為自由下落過程中重物不受盤的支持力，反作用力（即重物對盤的壓力）也就消失了，使靜摩擦力不復存在，因此紙帶可以無損地脫出.

這個小實驗受到桌子高度和合適紙帶的限制，實際演示效果不好，即使紙帶瞬時完好抽出，自由落體的整個失重狀態過程不夠直觀，可做如下改進.

把重物P下面壓的紙帶A換成生日音樂卡片，外露發光二極管.卡上設置的開關處于自然狀態時，開關閉合，二極管隨著音樂的伴奏同時發出炫目的光，當有重物P放在它上面時，開關斷開，音樂卡則“偃旗息鼓”.這樣卡的開關直接受重物P的壓力控制.同時，在吊盤C正下方放一塊海綿用來接收和緩沖.

實驗時，用手提著盤的懸線B慢慢下降時，“風平浪靜”，說明重物P對音樂卡有壓力的作用.一旦松手，重物和盤一起做自由落體運動，音樂卡隨即響起來，這說明重物對音樂卡沒有了壓力，沒有壓力觸動開關，音樂卡就不會發出聲音，直到剛一接觸上海綿，這段時間內音樂卡“無聲無息”，之后重物P又恢復了對音樂卡的壓力作用.通過音樂卡的聲音來說明重物在下落過程中，對支持面壓力的變化情況，更形象地證明了重物自由下落即完全失重時對支持面的壓力為零.endprint

這個演示實驗設置得非?？茖W，體現在如下幾個方面：

（1）操作性強.克服了桌子高度和合適紙帶的限制，變觀察紙帶的斷裂為音樂開關的閉合，將支持力有無的判斷變成聽覺上的監測.此外，該實驗的材料也容易獲取，只需要給學生簡單介紹耳熟能詳的生日卡片工作原理，通過實驗，可以幫助學生直觀認識與理解完全失重的概念.

（2）提升了課堂效率.通過簡單的演示實驗，將抽象的知識化為具體感官的體驗，活躍課堂氣氛的同時，提高了學生的學習興趣，提升了課堂效率.

（3）優化了課堂結構.在學習超重失重概念時，增加實驗環節，一方面可以驗證所學知識經驗，另一方面可以激發學生的學習熱情.在課堂結構方面，將傳統的“以練鞏固新知課堂提升”為“以實踐質疑新知”的高效課堂.

2.2 探究性原則

物理實驗應體現探究的本質特征.探究性原則要求：（1）所設計的物理實驗中包含的物理規律常常隱藏在較深層次，需要學生去挖掘；（2）實驗條件和結果之間往往存在較大的差距，需要學生去跨越；（3）解決問題的方法和途徑一般也不太明確，需要學生通過嘗試錯誤，提出假設并驗證假設來尋找.

2.3 趣味性原則

趣味性原則就是要充分考慮到中學生的認知水平和獵奇的心理特點，目的是激發學習興趣.需要明確的是，實驗活動是一項智力活動，而智力活動通常需要被一種情感的力量所激發，這種情感就是“興趣”，就是“喜愛”.有了趣味性，帶來的是高度的參與性，火熱實驗場面，如此，實驗教學已成功了一半.

案例2

探究水果電池的特性實驗設計[5]

我們知道，用不同的水果可以制成各種各樣的水果電池.自制水果電池，是一件讓人十分心動的事情.那么，在中學階段怎樣更好地發揮自制水果電池的教學功能呢？思路之一就是突出實驗的探究性.

探究問題： （1）水果電池有哪些特征？

（2）它的輸出電壓有多大？（3）它的內阻有多大？（4）輸出電壓的大小與哪些因素有關系？

實驗設計 我們可以通過自制水果電池，先來研究它的一些特性.例如，可以先在一個橘子的不同部位分別插上一塊銅片和一塊鋅片，做好一個橘子電池，用毫伏表測出該電池的開路電壓，記下讀數.然后再進行下列制作與實驗（注意觀察變化）.

（1）改變銅片和鋅片的距離，再用毫伏表測出其開路電壓，記下讀數，測量出什么情況下開路電壓較大？

（2）改變銅片和鋅片的正對面積，觀察什么情況下開路電壓較大？

（3）保持銅片和鋅片的位置不變，用一根鐵絲將橘子內心搗爛，使橘片中的汁水相互連通，測出開路電壓，記下讀數，觀察有何變化？

（4）在水果中分別加入食鹽或食鹽水，測出其開路電壓，記下讀數，觀察有何變化？將小燈泡接入橘子水果電池中，觀察小燈泡是否能發光？

（5）制作3–5個橘子電池，分別測出其各自的開路電壓，再將它們串聯起來，測出串聯電池組的總電壓，觀察電壓有什么變化？

（6）用其他水果（如蘋果、菠蘿、檸檬等）做成水果電池，與橘子電池進行比較分析與研究.

（7）試試看用蔬菜如土豆、黃瓜、西紅柿等，能不能做成電池？

該實驗實際上是一個課外實驗，教學大綱對其不作要求，但在恒定電流章節，有著重要的實踐意義.從實驗設計的角度來看，充分體現了探究性原則，“試一試”、“看一看”和“猜一猜”的思想無處不在.自然界本身就是一個天然的大實驗室，教師應該充分利用這個實驗室，在教學中設計出可以引起學生興趣的各種拓展實驗.既不是為了成績而實驗，也不是為了教學要求而實驗，有的只是“一探究竟”和變“可能如此”為“真的如此”的探究學習.

2.4 主體性原則

物理實驗課強調學生的主體參與.沒有學生的參與就失去了實驗教學的意義.現代教育理論認為，學生是主體，教師是主導.學生的主體參與程度決定教學質量.在實施實驗教學的過程中，教師應做到引導學生建立正確的物理思維方法、幫助學生掌握正確的實驗操作技能和引導學生提出深層次的問題并加以討論，如此，激發學生學習的內在動機，激發學生的探究興趣與欲望.[6]教師還應做到在實驗探究過程中給學生留有充分時間和空間，讓學生敢于提出與眾不同的實驗方案，使學生積極參與到實驗中來，提高探究能力和創新能力.

2.5 社會性原則

實驗教學的“合作學習”反映的就是實驗教學設計的社會性原則.在實驗教學中，要特別關注有效的合作與交流.合作與交流的內容不僅可以是知識方面的，同時還涵蓋著科學方法、科學態度、情感價值觀的交流.教師要指導學生在小組內部進行實驗討論和論證，完成實驗后，要進行實驗成果的分享.有效的小組合作，是提升實驗教學質量的法寶，學生在做中學，在學中傾聽，在傾聽中成長.

案例3 驗證向心力表達式的實驗設計

根據教材所述，作圓周運動的物體所需要的向心力計算公式為F=m v2 r ，或者F=m 4π2 T2 r，為驗證這個公式，設計如下實驗.

實驗目的

通過測量向心力F、周期T和轉動半徑r之間的關系，驗證向心力計算公式F=m 4π2 T2 r的正確性.

實驗原理

通過圖2所示的簡單實驗器材，讓橡膠塞B在釣魚線C拉力的作用下，在水平面做圓周運動，釣魚線穿過筆管A，另一端懸掛砝碼D，通過測量橡膠塞做圓周運動的周期T和轉動半徑r，即可驗證向心力計算公式.

實驗器材

筆管，釣魚線，橡膠塞，膠帶，刻度尺，秒表，砝碼.

該實驗無不體現著學生主體參與其中的主體性原則和強調合作學習的社會性原則.

首先，實驗裝置的組裝.該實驗的器材十分“親民化”，學生按照圖2所示，很容易就組裝了實驗器材.

其次，實驗步驟的設計.這也是該實驗最為核心的環節，涉及到如何驗證向心力的計算公式，出發點是什么，需要測量的物理量有哪些，實驗數據如何處理等實際問題.

再次是實驗數據的獲取.譬如說橡膠塞的運動周期可以通過記錄橡膠塞轉10圈所需時間來測量，這就需要小組合作了.還有如何保證橡膠塞的轉動半徑保持不變，這就需要借用膠帶在圖2所示的E位置做標記.

最后是實驗數據的處理和誤差分析.針對所獲得的數據，學生組間合作，分享經驗，進行作圖以及實驗結果分析.

3 結束語

“三個方法”和“五個原則”僅僅是對實驗教學的粗淺認識，需要指出的是所有實驗教學的終極目標應是實現從教師要求做實驗向學生想做實驗、需要做實驗和樂于做實驗等過程的轉變.要引導學生形成內部動機，需要有高超的實驗教學藝術.實驗教學，如同攻克城堡，必須要在銅墻鐵壁的城墻中撕開一道口子，尋找切入點，如此慢慢擴散，贏得最終的勝利.

參考文獻：

[1] 張德啟，李新鄉，陶洪等.物理實驗教學研究[M].北京：科學出版社，2005.

[2] 黃開智.芻議從教材內容到教學內容的重構[J].中學物理教學參考，2015（1-2）37-38.

[3] 張憲魁，李曉林，陰瑞華.物理學方法論[M].杭州：浙江教育出版社，2007.

[4] 朱禧，曹養榮.用音樂卡演示自由落體不受支持力[J].物理教師，2003（1），39.

[5] 黃國雄.重新發現物理實驗[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6] 孫枝蓮.中學物理學論[M].北京：北京師范大學出版社，2010.endprint