物理實驗教學中提升科學思維品質的實踐策略

陜西省寶雞中學（721013）劉振和 張永鋒

陜西師范大學附屬中學（710061）李 旺

物理實驗在新課程實施過程中占有重要的地位，對提高學生物理學科核心素養有著不可替代的作用。物理實驗教學對形成、深化物理觀念，提升學生科學思維品質，激發學生探究意識，幫助學生樹立正確的科學態度都有重要的作用。為此，在物理實驗教學實踐中教師應注意采取恰當的教學策略，以培養學生思維的深刻性、廣闊性、靈活性、批判性和創造性。

一、理解經典實驗，培養思維的深刻性

思維的深刻性指的是思考問題時能夠把握本質特點和內在規律，能排除表面的、片面的、偶然的干擾因素，能透過現象發現事物必然、內在、本質的聯系。

經典物理實驗蘊含著深刻的物理思想和典型的實驗方法。許多教師在教學中往往注重實驗操作過程，對實驗原理未做深入的剖析，結果導致學生做實驗時只會按部就班地進行操作，對實驗步驟的合理性和必要性認識不到位（如，知其然，不知其所以然），而經典實驗的教育功能也沒有體現出來。新課程理念下的物理實驗教學，教師不僅要讓學生會做實驗，更要引導學生深層次思考，搞清楚為什么要這樣做實驗，并通過類比、分析、綜合、推理和論證等過程，鍛煉思維能力，培養思維的深刻性。

［案例1］對實驗“探究加速度與力、質量的關系”的研究（實驗裝置如圖1所示）。

圖1

分析和討論：對于這個經典實驗，除了讓學生掌握具體操作知識，還要幫助學生消除困惑，為此，教師要深入挖掘實驗的操作依據，引導學生思考以下問題。

（1）實驗的研究對象是誰？

答：小車，注意不是小車和鉤碼組成的系統。

（2）為什么要平衡摩擦力？

答：為了使研究對象受到的合外力簡單，即由細線拉力單獨充當。

（3）怎樣平衡摩擦力？

答：在長木板無滑輪的一端墊上小木塊，使其適當傾斜，利用小車重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡；平衡摩擦力的標準是小車帶著紙帶恰好可以沿板勻速下滑。

（4）平衡摩擦力時為什么不能在輕繩的另一端掛托盤，但是必須讓小車連上紙帶，且讓打點計時器處于工作狀態？

答：不掛托盤是為了使繩對小車沒有拉力，此時小車只受到重力、支持力和阻力。平衡摩擦力使這三個力的合力為零。實驗時，小車的合外力就只有繩子拉力了。讓小車連上紙帶，且讓打點計時器處于工作狀態，這樣就平衡了包括滑動摩擦力，紙帶所受的摩擦力在內的所有阻力。

（5）細線為什么必須與木板平行？

答：細線如果不與木板平行，細線上的拉力會在垂直木板方向有分力，小車所受合外力就不等于細線的拉力。

（6）為什么要求小車質量M遠大于鉤碼質量m？

答：對小車和鉤碼組成的系統，由牛頓第二定律有mg=(M+m)a，對小車有F=Ma，聯立可得小車加速度為a=細線上的拉力F=只有當M?m時，才可近似認為小車所受的拉力F等于mg，所以可以通過測量鉤碼質量，從而得到細線拉力，即小車所受合外力。

這些看似細小的問題都有著深刻的道理，教師應引導學生探尋其中的道理，找尋隱藏在現象背后的原因，這樣既解答了學生的疑惑，也加深了學生對實驗的認識，培養了學生思維的深刻性。

二、多種思路設計實驗，培養思維的廣闊性

思維的廣闊性指的是思考問題思路開闊，不拘泥于一種途徑，可以多方位、多層次地探索問題。在實驗教學中，教師引導學生多角度思考實驗原理、過程和處理數據的方法，調動學生各方面的知識和技能，深化對概念、規律的理解，突破學生的慣性思維，培養學生思維的廣闊性。

［案例2］電阻的測量。

分析和討論：電阻測量，依據不同的思路可以有多種方法，教師可指導學生進行梳理，得到以下幾種常用方法。

（1）伏安法：根據電阻的定義R=利用如圖2甲（內接法）或乙（外接法）的電路測量。

圖2

（2）歐姆表法：利用歐姆表，根據閉合電路歐姆定律測電阻。

（3）替代法：用如圖3 所示電路，根據Rx和R2可以等效替代測出Rx的阻值。

圖3

（4）半偏法：利用如圖4 甲所示電路可以測電流表G 的電阻，利用如圖4 乙所示電路可以測電壓表V的內阻。

圖4

（5）差值法：用如圖5 甲所示電路（應知道電壓表V1的內阻）或圖5 乙所示電路（應知道電流表A2的內阻）可以測量電阻Rx的阻值。

圖5

（6）電橋法：利用如圖6 所示的電路在電橋平衡時（即電流表讀數為零）的關系可以測量電阻Rx的阻值。

圖6

教師指導學生一題多解，幫助學生對已經獲得的知識進行歸納整理，使學生打通不同方法的界限。這樣可使學生的知識體系變得更加完善和順暢，方便學生隨時調用知識，從而使學生能夠站在更高的角度審視問題，擴展學生的思維視野。

三、變通使用儀器儀表，培養思維的靈活性

思維的靈活性指研究問題時善于根據問題的變化，及時調整思考方向，并且能在不同的思考方向間順暢變通，自如切換。在實驗教學中，教師要指導學生利用所學理論和技能，靈活使用現有實驗儀器。

［案例3］用以下器材測量電阻Rx的阻值。

待測電阻Rx，阻值約為600 Ω；電源E：電動勢約為6.0 V，內阻可忽略不計；電壓表V1，量程為0～500 mV，內阻r1=1 kΩ；電壓表V2，量程為0～6 V，內阻r2約為10 kΩ；電流表A，量程為0～0.6 A，內阻r3約為1 Ω；定值電阻R0=60 Ω；滑動變阻器R，0～150 Ω；單刀單擲開關S一個，導線若干。

（1）測量中要求兩個電表的讀數都不小于其量程的1/3，并能測量多組數據，請畫出測量電阻Rx的實驗電路圖。

（2）若選擇測量數據中的一組來計算Rx，則由已知量和測量物理量計算Rx的表達式為Rx=_________，式中各符號的意義是____________________。（所有物理量用題中代表符號表示）

分析和討論：由于題中電流表A 量程太大，如果使用該電流表測量，則示數小于量程的1/3，測量誤差太大，所以可以考慮用內阻已知的電壓表V1測電流，但是其量程比較小，只有，這樣的話，電阻Rx上的最大電壓為Um=IV1Rx=5 × 10-4× 600 V=0.3 V，不到電壓表V2量程的三分之一，所以必須對電壓表V1這個“反串”的電流進行改裝擴容，使其量程增大。把定值電阻R0用作分流電阻，這樣電壓表V1就被改裝成量程合適的電流表。結合其他分析計算可知，本題應該設計出如圖7 所示的電路，這也是第（1）問的答案。

圖7

推理可知，待測電阻的計算式為Rx=，其中U1，U2分別是電壓表V1，V2的讀數，這就是第（2）問的答案。

在實驗設計中，要準確掌握各器材特點和原理，根據需要使它們扮演更多的角色。為此，教師應注意引導學生深刻理解實驗原理和方法，打破學生的慣性思維，培養學生思維的靈活性。

四、全面評價實驗方案，培養思維的批判性

思維的批判性指的是善于獨立思考，善于質疑批判，對思維過程和結果能進行評價并做必要的修正，善于對相似或者相近的問題進行辨析。在物理實驗中，善于對實驗方案、實驗過程、實驗結果進行評判，舍棄不合理的方案，選擇最佳方案或方法就是思維批判性的表現。在物理實驗教學中，教師應有意識地引導學生對實驗過程和結果進行分析和評價，鼓勵學生大膽質疑，審視實驗原理，努力尋找更便捷、科學的實驗方案。

［案例4］（2020 年北京市普通高中學業水平等級考試）用圖8 所示的甲、乙兩種方法測量某電源的電動勢和內電阻（約為1 Ω）。其中R為電阻箱，電流表的內電阻約為0.1 Ω，電壓表的內電阻約為3 kΩ。

圖8

（1）利用圖8 甲所示實驗電路測電源的電動勢E和內電阻r，所測量的實際是圖9 中虛線框所示“等效電源”的電動勢E′和內阻r′。若電流表內電阻用RA表示，請你用E、r和RA表示出E′，r′，并簡要說明理由。

圖9

（2）某同學利用圖像分析甲、乙兩種方法中由電表內電阻引起的實驗誤差。在圖10 中，實線是根據實驗數據描點作圖得到的U-I圖像，虛線是該電源的路端電壓U隨電流I變化的U-I圖像（沒有電表內電阻影響的理想情況）。

圖10

在圖10 中，對應圖8 甲電路分析的U-I圖像是__________；對應圖8 乙電路分析的U-I圖像是__________。

（3）綜合上述分析，為了減小由電表內電阻引起的實驗誤差，本實驗應選擇圖8中的________（填“甲”或“乙”）。

分析和討論：（1）將電源和電流表視為等效電源，電源電動勢是電源本身屬性，電流表不產生電動勢，所以等效電源的電動勢為E′=E，而電流表的內電阻和電源的內電阻作為等效電源的內電阻，即r′=r+RA。

（2）對圖8 甲電路，考慮電表內電阻時，根據閉合電路歐姆定律得E=U+I(r+RA)，變形得U=-(r+RA)I+E。

通過實驗獲得數據，分析可得U=-r′I+E。

從以上分析可知，對圖8 甲電路，兩U-I圖像與縱軸截距均為電源電動勢E，虛線對應的斜率大小為r，實線對應斜率大小r′為（r+RA），所以對應圖8甲電路分析的U-I圖像是C。

對圖8 乙電路，考慮電表內阻時（即虛線對應的真實情況），根據閉合電路歐姆定律得：E=U+，變形得U=

通過實驗獲得數據，分析可得U=-r′I+E′。

虛線對應的斜率大小為r，實線對應的斜率大小，虛線對應的縱軸截距為E，實線對應的縱軸截距為＜E；兩圖線在U=0 時，對應的短路電流均為I短=，所以對應圖8 乙電路分析的U-I圖像是A。

本題答案：（1）E′=E，r′=r+RA，理由見解析（2）C A （3）乙

五、重視實驗拓展遷移，培養思維的創造性

思維的創造性指的是思維不拘泥于舊的模式，能另辟蹊徑思考問題，思維具有新穎性、獨特性和發散性。在實驗教學中，教師可以引導學生跳出已有思維模式，把所學習的核心理論、操作方法大膽地拓展、遷移和組合，從而深化物理觀念，培養探究能力，鍛煉學生分析問題的能力，培養學生思維的創造性。

［案例5］驗證碰撞中的動量守恒。

分析和討論：教材提供了“驗證碰撞中的動量守恒”的多種實驗方案，在教學中可結合一些習題中涉及的情景，對以前的知識進行組合、拓展和遷移，提出新的實驗方案，以此引導學生開拓性地思考問題，培養學生思維的創造性。

教材中碰撞、平拋方案組合。

如圖11 所示，小球1 和小球2 大小相同，先讓質量較大的小球1 從斜槽上某一固定高度A處由靜止釋放，從斜槽末端B處水平拋出后落于P點；將小球2放于B處，再次讓小球1 從A處無初速釋放，在B處與小球2 碰撞后，小球1 落于M點，小球2 落于N點，找到B點在地面上的投影點O，測出OM、OP、ON的長度。

圖11

拓展思路1.實驗方法及條件與思路1 中相同，讓小球平拋后落在斜面BC上，如圖12所示，測出小球質量和BM、BP和BN的長度。

圖12

拓展思路2.碰撞、平拋和豎直面組合。

如圖13 所示，其他條件與思路1 相同，但是讓小球平拋后都打在同一豎直面上，這說明各平拋過程的水平位移x相同。

圖13

設O點是與拋出點等高的一點，各次落點分別是P、M、N，O點到各點距離為OP、OM、ON。如果碰撞過程動量守恒，則有m1v0=m1v1+m2v2，可得

在高中物理實驗教學中，教師采用恰當的教學策略，積極引導學生深入分析實驗原理與過程、數據處理方法以及實驗誤差，不僅可以讓學生進一步理解物理知識，掌握物理實驗方法，還可以提升學生的科學思維品質，助力學生全面成長。