物理課堂實驗的改進和思考
——以“測量光照的強度”為例

(江蘇省常州市武進區禮嘉中學,江蘇 常州 213176)

物理是一門以實驗為基礎，強調動手能力、思維能力的學科，為了物理課堂教學中落實核心素養培養的目標，需要在實踐中不斷摸索。教師在課堂教學中應合理巧妙地借助課堂實驗，從有趣、直觀的現象出發，不僅可以激發學生自主學習的興趣，培養學生科學思維和探究的能力，還能創設高效的課堂教學。

課堂實驗是教師結合教學內容演示給學生觀察的實驗，是物理課堂教學的重要手段，在課堂教學中具有非常重要的作用。課堂實驗演示既能夠引導學生在獲得直觀、感性認識的基礎上，更深刻地理解和掌握物理概念、規律，又能提升學生的觀察和分析能力，為學生正確的實驗操作起到示范作用。然而在實際教學中會出現許多不可忽視的因素，比如某些客觀原因：實驗室實驗器材陳舊，導致實驗效果不明顯；由于實驗環境影響導致實驗失敗。又如某些主觀原因：由于教學進度緊張，導致教師忽視演示實驗，由做實驗變成了講實驗；對課堂實驗理解不到位，導致探究實驗變成觀看實驗，為了實驗而實驗。

在課堂實驗演示之前，教師應當深入研究，要明確該實驗的教學目的，理清實驗思路，根據學生的認知特點，循序漸進，設計實驗步驟，讓學生在實驗的過程中，體驗實驗的奧妙，而不是機械地羅列知識，停留在實驗現象的表面。

本文以“測量光照的強度”實驗為例，突顯優化物理實驗教學設計的重要性，以此來詮釋良好的課堂教學與課堂實驗設計在培養學生物理學科核心素養的重要意義。

1 課堂實驗需要有效改進

對于高中物理教材中實驗條件要求較高的實驗，教師不能一味地只是利用課件模擬演示，倘若教師沒有認真設計實驗細節，就不能充分利用實驗來增加學習的思維含量，那就會使通過實驗培養學生的觀察、思考能力的效果大打折扣。其實教師可以在原課本實驗的基礎上進行合理的改進，曲徑通幽，遠比觀看課件模擬演示更能促使學生在實驗過程中深度思考，增強學生探究的欲望，達到更好的教學效果。

人教版選修3-2第六章第2節“傳感器的應用”中的“測量光照的強度”實驗設計如圖1所示。

圖1

該實驗教學的目標為：

(1) 使學生知道傳感器應用的一般模式和光敏電阻的工作特性。

(2) 培養學生實驗觀察能力和實驗分析能力，并讓學生學會簡單的傳感器電路設計。

(3) 激發學生的物理學習興趣，培養學生的實驗探究意識，使學生感受傳感技術給生活帶來的便利，拓展學生的設計思路。

筆者通過對本課實驗的研究，發現在實際的實驗操作過程中，該實驗設計有以下幾點不足之處。

(1) 對電路器材的要求較高

原課本實驗設計中因為考慮到光敏電阻的阻值較大，選擇了毫安表來測量電路中的電流，然而筆者在實際操作中發現在正常晴天室內的光照下測得光敏電阻阻值約為60kΩ，設電路中電源電壓為3V，回路電流I約為0.05mA，如果按課本所示用毫安表測量的話，表針幾乎不偏轉，這就需要實驗室提供微安表。

(2) 忽視了電路元件的安全性

經筆者測量，在陽光直射下，光敏電阻阻值為800Ω，在用手指遮住光敏電阻，測得電阻值大約為4.5MΩ，可見光敏電阻阻值的變化范圍較大，如果在暗室中，電阻更大。那么在電壓一定的前提下，由于電阻的變化較大，當強光照射時，電阻較低，回路電流較大，就會出現超出毫安表量程的現象，損壞儀表器材。

針對以上兩點，筆者對課本的實驗設計進行了改進，如圖2所示，在原有的實驗電路中，加入一個全電阻為50kΩ的滑動變阻器，這樣的設計有以下兩個優點。

圖2

(1) 加入滑動變阻器，可以有效地避免光敏電阻在強光照射下電阻過小，導致電路中電流過大，超出電流表最大量程，從而起到保護電路的作用。

(2) 加入滑動變阻器后，不僅能夠達成書本上原實驗目標，還能夠通過該實驗設計，引導學生探究控制光敏電阻對光的靈敏度的新課題，讓學生在學習光敏電阻特性的同時能夠解決實際問題，真正做到學有所用。

2 課堂實驗要合理設計

在課堂教學中，有些教師由于對實驗設計認識不足，導致實驗效果不理想。例如實驗設計中只注重實驗的現象，急于得出實驗結果，實驗過程倉促，草草了事；實驗過程中不注重實驗數據以及誤差的原因分析，導致學生對實驗認知不夠，對實驗原理理解模糊；實驗中忽視學生的認知特點，實驗邏輯不嚴密，使得一些學生似懂非懂，思維跳躍較大等。為了在教學中促進學生真正有效學習，提高學生的物理核心素養，教師應該合理設計實驗，以高效問題驅動，引領學生深入探究，突破教學難點，促成學生掌握物理問題解決的方法，引領學生拓展思維空間，培養學生物理思維能力。在“測量光照的強度”的實驗中，筆者設計了如下兩個實驗。

實驗一 探究光敏電阻受到光照后，對電路中電流的影響

復習光敏電阻的工作特性：光照越強，電阻越小。

實驗步驟：

(1) 閉合開關，移動滑動變阻器，調整到適當的位置，讓學生觀察電流表指針示數，現象為指針有一定的偏轉角度。

(2) 打開光源，照射電路中的光敏電阻，觀察電流表指針示數，現象為指針的偏轉角度變大。

教師提問：通過兩個步驟的實驗現象的對比，你能得到什么結論？

學生總結：光敏電阻受到的光照越強，電阻越小，串聯電路中的電流越大。

(3) 將不同的光源，在相同的位置照射光敏電阻，觀察電流表的偏轉情況，現象為相比LED手電，在紫外燈照射下，電流表偏轉角度較小，說明紫外燈的光強度比較弱。

教師提問：你能用自己的語言來歸納該電路的工作原理嗎？

學生總結：可以運用該電路中的光敏電阻隨光照強弱的變化而改變電阻值，由歐姆定律，可得電路中電流發生改變，即采用由光信號轉變為電流信號的傳感器應用模式，可以用電流表的偏轉角度來檢測光照強度。

實驗二 如何控制光敏電阻對光的敏感度？

實驗步驟：

(1) 將接入電路的滑動變阻器電阻調到最左邊，即接入電阻為最小值，打開光源，距離光敏電阻適當位置(使指針偏轉大角度即可)，然后用手在光源與光敏電阻之間來回晃動，觀察電流表偏轉情況，可觀察到電流表指針大角度來回偏轉，說明光敏電阻對光照比較靈敏。

(2) 將接入電路的滑動變阻器電阻調到較大值，光源位置不變，光強不變，用手在光源與光敏電阻之間來回晃動，觀察電流表的偏轉情況，可觀察到電流表指針小角度的來回偏轉，說明光敏電阻對光照的靈敏度比步驟1有所下降。

學生總結：光敏電阻對光照的敏感度可以通過電路中滑動變阻器的接入阻值大小來調節，接入阻值越大，對光照的敏感度越小，反之越大。

3 課堂實驗要科學創新

在物理教學中，要多做、巧做、多問、多發散、多評析，當學生對實驗充滿興趣和熱情時，其潛力是無限的，要在課堂教學中，培養學生的觀察能力、質疑能力，讓學生經歷科學探究的過程，學習科學探究的方法，培養學生的探索精神、實踐能力以及創新意識，提升其核心素養。

為了更好地讓學生直觀體驗到光敏電阻的特性，筆者對“測量光照的強度”實驗原型進行了創新，實驗電路如圖3所示。

圖3

(1) 用LED燈替代電路中的電流表

本章“傳感器”的教學只要求定性研究，不需做定量的計算，所以將LED燈替換課本實驗中的電流表，這樣就可以用LED燈的亮度來直觀地體現回路中電流的強弱，讓學生更加容易感知。同時也能夠避免由于光敏電阻的阻值變化較大，會導致電流超出電流表量程，損壞電路器材。

(2) 用三極管放大回路電流

光敏電阻阻值約為60kΩ，回路電流I約為0.05mA，而LED燈的點亮電流大約是3-20mA，所以如果把LED燈直接串聯在回路中，是不會發光的，因此，這里可運用三極管，將通過光敏電阻的電流放大，使LED燈發亮，從而保證在正常室內光線下能夠觀察到明顯的實驗現象。

(3) 利用模擬實驗說明曝光表工作原理

攝影時使用的曝光表，是一種用來測量光強度的儀器。在攝影中被用來確定適當的曝光時間，從而得到高質量的圖片。曝光表工作原理是硅光電池受到光照時，會產生一定的電動勢，光照強度越強，產生的電動勢就越大，曝光表上顯示的數值越大。由于硅光電池的工作原理比較復雜，可以在實驗中模擬曝光表工作原理，可在實驗中利用數字萬用表直接測量二極管回路中的電流，入射光越強，數字萬用表上的示數就越大，從而直觀地反映出光的強弱。

4 結語

伽利略曾說過：“科學的真理不應該在古代圣人的蒙著灰塵的書上去尋找，而應該在實驗中和以實驗為基礎的理論中去找”。物理教師應該充分利用實驗這個武器，在科學思維方法的引領下，帶領學生在探究過程中不斷前行，提升學生的核心素養。