高中物理实验教学的思考与探索

罗秋芳

（苏州市高新区吴县中学，江苏 苏州 215151）

回顾物理学的产生和发展过程，物理学的每一个概念、规律的发现与确立大都依赖于实验，同时实验也是研究和发展物理学的基本手段.它不仅是技术的操作过程，而且包含了丰富的物理思想、物理方法以及创造原理和创新技法.因此，物理实验的教学是培养与训练学生的创新能力最有效的途径，但要达到理想的效果，必须对教材中的演示实验和学生分组实验进行创新设计，并在课堂教学中科学实施.笔者在教学实践中对物理实验教学的导入、实施与创新设计进行了有益的探索，并形成了一些优化策略.

1 注重实验的导入，构建科学探索的课堂氛围

大多数教师都会注重一堂课的引入，但一个演示实验或学生实验怎样导入？却考虑得比较少，往往直接把实验装置摆上讲台进行演示，这正是当前课堂教学的弊端.事实上，一个好的实验引入，不仅能激发学生的强烈兴趣和求知欲望，还能为学生提供发现问题，运用知识的机会，提供创造性地解决问题的条件，使他们的创新能力得到培养和发展.例如：笔者在进行学生实验“长度的测量”教学时，并不是直接拿出游标卡尺给学生介绍它的构造及用法，因为这样会使得学生感到莫名——怎么又出了一个这样的东西？对它的用法也并不能很好地掌握，甚至出现用左右手分别抓住测量爪来进行测量的错误操作.为此，笔者设置了以下情景促使学生积极思考并设计出自己的测量工具.

①如何用刻度尺来测量桌子上一钢球的直径，还需要什么工具？（学生很快地提出如图1所示的方案）

②若此钢球用细线悬挂在空中，我们又该如何来测量它的直径呢？用图1所示的方案方便吗？（引导学生思考，使他们体会到：用图1的方法，必须用左右手对两块三角板操作，那么拿被测物体、记录数据只得借助第3只甚至第4只手了.这显然不太方便.）

图1

③ （紧接着）如何改进呢？以达到用一只手就可操作，腾出另一只手来持被测物体或记录数据.（启发学生想到左边的三角板可固定在刻度尺上，并且刻度尺与其竖直的直角边对齐处改刻为“0”；右边的三角板可以在刻度尺上左右移动，以便于测量不同直径的物体.这样非常自然地由学生设计出一个新的、方便的测量工具——游标卡尺.

④ 作上述改进后，只能方便地测量物体的外径，但如果有钢管的内径、狭窄的深槽深度需要测量，又怎么办呢？（进一步引导学生设计出内测量爪及深度尺等.）

通过以上的处理，再向学生介绍游标卡尺使用的规范操作，学生领悟得快，也不会出现前面所说的错误操作，同时学生的创新意识得到了加强，能力也相应提高.

由此可见，实验的引入也十分重要.但如何更好地引入一个实验呢？就其导入方式而言，主要有以下两种：

（1）从原实验原理（或旧知识）中导出新实验的原理，再引入实验.

在“简谐运动的图像”一节教学中，通过分析频闪照片，再列表、画图像得出简谐运动的图像为一正弦或余弦曲线.当然，这是经过科学分析后猜测出的初步结论，是否正确还需经实验验证.为此可用图2实验装置进行验证.笔者在导入时，从刚使用过的 “频闪照相法”入手，分析它的原理引入图2实验的原理，进而得到该实验装置并进行实验演示.

图2

①请学生们思考一下，闪光照相底片上的小球的像同运动小球之间有什么关系？（它们相应地表示运动物体在不同时刻的位置.）

② “闪光照相”法实质上记录了运动物体每隔一定时间所在的位置，由此想到设计一个实验它能记录小球在不同时刻的位置，从而了解小球在不同时间里发生的位移及其变化，探讨简谐运动的规律.那么，怎样才能达到这一目的呢？（激发学生思考）

③ 教师手持粉笔演示，以启发学生思考：第一步，教师手持粉笔在黑板上上下运动一周，结果黑板上留下这一周内不同时刻粉笔的位移；第二步，使粉笔在黑板上不停地上下运动，粉笔的痕迹不断重叠，仍呈现一条竖直线，这同振子的闪光照片相似；第三步，教师提问引发思考“如何将不同时刻的位移分别显示出来呢？——也就是使粉笔在每个振动周期内的痕迹不重叠”.学生会想到边上下画的同时边向右移动，教师进而启发——如果不移动手是否可以拖动记录的板；第四步，教师出示图2实验装置并予以介绍，同时引导学生思考：为使纸带运动的距离代表时间，应该让纸带如何运动？

④进行实验演示：摇动手柄使记录纸匀速拉动，记录笔P在纸上画出一条正弦或余弦曲线，显示了各个时刻小球的位移.

（2）从旧知识中导入新实验的所用器材，再引入实验.

在“运动电荷在磁场中的作用”一节教学时，笔者从上一节知识中的“通电导线在磁场中受到安培力作用”引导学生分析，并作出猜测：“运动电荷在磁场中会受磁场力的作用”，当然，这还需要实验的进一步验证.但实验如何导入呢？笔者是这样设计的：

① 我们要检验的观点中，它们的因果关系怎样呢？为此，我们实验时必须提供什么？［需验证：运动电荷（因）在磁场中（因）会受到磁场力（果）的作用，这样，必须提供运动电荷与磁场.］

② 用什么提供磁场呢？如何产生离开导体的运动电荷呢？（磁场可用蹄形磁铁或通电线圈，用热电子发射可产生运动电子.本次实验中拟用高电压产生运动电子.）

③ 运动电荷是微观粒子，还要有能显示其受力的办法，那么该如何显示它的受力呢？（可通过显示径迹的方法，径迹的显示可用涂有荧光粉的荧光屏，也可用低压的水银蒸气或氢气发出辉光来显示，继而教师介绍电子射线管、感应圈和磁铁等器材，再进行实验演示.）

所以实验导入时，可以先推导出即将演示实验的原理，也可以先导入其所用器材，进而介绍实验装置和实验操作.不管哪种导入方式都必须注意“布局”，教师的提问或是学生自己发现的问题，都要能剌激学生心理产生疑问，使他们产生心理上的不平衡，进而激发探究的欲望，这样学生才有探索的内动力，才易形成探索的课堂氛围.学生一旦有机会运用知识解决一些问题，他们就会在推导过程中积极应用分析与综合、演绎与归纳、分类与比较等各种思维方法进行思考，经历这样的学习过程，学生不仅掌握了知识，提高了逻辑推理能力，同时也激励了他们的创新精神和创造能力.

2 注重实验的实施，突出科学方法，显化创新技法

一个成功的演示实验，不仅要有理想的实验装置，更重要的是如何实施实验的演示及教学，以充分发挥其教育、教学功能.法国科学家贝尔纳说：“良好的方法能使我们发挥天赋和才能，而拙劣的方法却削弱、甚至扼杀我们的才能”.因此，在教学过程中应把实验中的技术、丰富的物理思想和物理方法以及蕴含的创造原理与创新技法传授给学生，对发展学生的物理创新能力可以起到事半功倍的效果.在实验教学的实施过程中，教师应注意将它们“显化”，加以突出，给学生产生深刻的印象，可以说，这相当于在培养与训练学生的物理创新能力的进程中加进了一剂催化剂.

图3

图3为“简谐运动的图像”实验装置.图3甲中，1为铁架台，2为弹簧，3为记录纸，4为振动小球，5为带夹的导轨滑轮，6为图纸导轨，7为固定铁夹，8为小电机（绕在电动机的转轴上的细线带动记录纸向左移动），9为细线；图3乙中1为图纸导轨，2为注射器，3为记录纸，4为带有一段软管的一次性注射器针头，5为直尺，6为铁架台.可以说这个装置比教材给出的实验装置（即图2）有较大的创新，但如果只直接拿出来演示，其功能与图2实验装置相当，也不过是让学生看到了简谐运动的图像为正弦或余弦曲线.如果教学实施过程中，教师注重引导学生自主分析原装置中存在的弊端，注意引导学生自行设计：将水平面内完成的实验变化为竖直面上来完成，同时把水平杆上的弹簧振子改为竖直两弹簧连接；把记录笔换成带一次性注射针头的注射器喷射墨水记录；利用直尺的杠杆作用将小球的振动幅度放大等.使学生感受创新活动的整个过程，体验创新的无穷乐趣.教师同时突出其中的物理方法——机械放大法，显化应用过的“联想”等创新技法，该实验的教育教学功能就大大增强.

当然，并不是一定要将教材中的实验全部改头换面，实际上，教材中给出的实验往往也包含许多创新因子和方法在其中.例如“自感”一节中的2个演示实验.

“自感现象”演示实验教材中的原有装置如图中4（a）所示，教师在进行演示教学时不宜“照单抓药”，必须充分拓展以利于学生物理创新能力的培养，在演示之初可先按图4（b）进行，当这个实验演示结果与学生原有的猜想不一致时，学生的探索动机就被激发起来了.这时教师可引导他们通过分析失败原因，再运用“比较法”、“补偿法”实验思想方法设计出如图4（a）所示的电路使实验获得成功.但教师不应满足于此，还可将实验再进一步拓展.［在图4（a）中，演示S断开通过线圈电流变小时产生自感电动势］，当此次拓展并未实现所预言的现象（两灯会再亮一下）时，进一步激发学生的探索动机，学生在教师的引导下运用电路理论进行失败原因（通过灯上的电流太小，回路电阻太大）分析后设计出图4（c）实验，这样自然过渡到教材中后一个演示实验，使实验再次成功.

图4

教师还可以引导学生发现图4（a）中所用滑动变阻器因自感会产生干扰，为排除此干扰，应尽量改用直线电阻丝型滑动变阻器或采用双螺旋线绕法变阻器.并让学生应用“比较法”、“补偿法”将图4（c）实验拓展到图4（d）实验，以取得良好的演示效果.按上述的教学实施策略，不仅让学生运用电路理论知识分析实验失败的原因，同时也使他们在这样的实践活动中培养了理论分析与应用的能力以及运用比较法、补偿法进行实验设计的能力.

中学物理实验中包含了许多重要的思想方法，如“验证牛顿第二定律”实验中运用的控制变量法；自感现象的观察、光谱分析等实验运用的比较法；测量单摆周期中运用的累积放大法；螺旋测微器、游标卡尺中利用的机械放大法；显示微小形变及卡文迪许实验中运用的光学放大法；“电场中的等势线的描绘”实验中模拟法；还有替代法、转换法、平衡法、补偿法、共轭法等.而且每个实验都是经过长期的教学实践而确定的，也是教育教学创造活动的结晶，因此，其中也不乏创新技法，如联想创造技法、类比创造技法、设问创造技法、列举创造技法和转换创造技法等.教师应注重实验教学的实施——突出科学方法，显化创新技法.让学生体验创新活动的乐趣，使他们从中培养创新精神，掌握好物理思想和方法，获得创新技法.可以说，学生对研究方法认识的进步，其意义并不比创新本身小.

但实验教学的实施要有利于培养学生的物理创新能力，必须注重激发学生的创新动机.让学生在运用已有的知识、经验和方法设计新的实验时，发生矛盾、遇到困难甚至导致失败，由此产生困惑，从而使学生认识到原有的认知存在局限性、存在缺点及适用条件，困惑的产生才有利于激发学生的创新动机.当然，学生的创新活动不可能是凭空产生，因此教师应及时提供知识原型启发学生，使他们经模仿、联想再造出新的事物.这一过程中，学生掌握的研究方法（即科学方法和创新技法）就会发挥巨大的作用.