改進(jìn)物理實驗教學(xué)

徐德亞

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。物理實驗作為物理教學(xué)的基本手段，有其特殊的教學(xué)功能。幾年來，筆者在實驗教學(xué)中通過“破、讀、看、找、創(chuàng)”五個環(huán)節(jié)，有意識地引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真閱讀教材，仔細(xì)觀察實驗，積極思維聯(lián)想，大膽創(chuàng)新實踐，有力促進(jìn)了物理實驗的教學(xué)改革，激發(fā)了學(xué)生的興趣，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力。

一、實驗教學(xué)五個環(huán)節(jié)的具體做法

1.破：破除學(xué)生的思維定勢。消除認(rèn)為做實驗必須按書本規(guī)定的方法一成不變的思維框框。向?qū)W生指出，同一實驗，可以用不同的方法、不同的器材和裝置進(jìn)行。課本中的實驗，有的實驗原理不夠完善，有的操作麻煩，有的效果不理想，需要從實驗原理裝置和操作方法上加以改進(jìn)。在教學(xué)中向?qū)W生展示經(jīng)過精心改進(jìn)的實驗，通過對比讓學(xué)生認(rèn)識到探索改進(jìn)實驗方法是一件很有意義的工作，從而激起學(xué)生思維的積極性和強(qiáng)烈的求知欲。

2.讀：精讀書上敘述的實驗內(nèi)容。在演示改進(jìn)的實驗時要讓學(xué)生明確，一個新的實驗方法的產(chǎn)生，是建立在對舊方法深入認(rèn)識的基礎(chǔ)上，針對其存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)而實現(xiàn)的。要求學(xué)生對每個實驗的內(nèi)容都認(rèn)真閱讀，弄清實驗的目的、原理、儀器裝置，了解操作程序，在頭腦中形成一個完整的實驗過程。要能根據(jù)實驗原理去分析推斷實驗現(xiàn)象，使自己心中有數(shù)。這樣才能在觀察教師的實驗演示中發(fā)現(xiàn)問題，找出實驗方法上的不足。

3.看：觀看教師的實驗演示過程。要求學(xué)生不僅仔細(xì)觀察實驗中的各種現(xiàn)象，而且要注意教師的操作過程。引導(dǎo)學(xué)生按實驗原理完善、裝置簡便、合理；操作省時易行、實驗效果好的標(biāo)準(zhǔn)，在觀察中積極思維，作出分析判斷。教師應(yīng)有意識地突出實驗中的不足之處，達(dá)到啟發(fā)學(xué)生觀察的敏銳性，培養(yǎng)學(xué)生提高綜合概括、分析判斷能力的準(zhǔn)確性的目的。

4.找：發(fā)動學(xué)生找出實驗存在的問題。這是學(xué)生活躍思維、激發(fā)興趣的一個環(huán)節(jié)，也是最富于啟發(fā)性的過程。實驗后，教師放手讓學(xué)生充分討論，鼓勵發(fā)表不同意見，要求學(xué)生大膽列舉自己看出的“問題”，相互交流，切磋對錯，然后師生共同總結(jié)歸納出實驗上的問題。為改進(jìn)刨新實驗方法打下基礎(chǔ)。

5.創(chuàng)：探索創(chuàng)新實驗方法。教師應(yīng)幫助學(xué)生樹立成功的勇氣和自信心，培養(yǎng)他們刻苦鉆研的精神和堅韌不拔的毅力，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造精神，引導(dǎo)他們運用掌握的知識在實踐中去探尋實驗方法。

二、改進(jìn)實驗方法的實例

1.改進(jìn)驗證向心力公式實驗。演示此實驗前，先向?qū)W生講明實驗原理存在的問題(操作難度大、效果不佳)，交給學(xué)生設(shè)法改進(jìn)實驗方法的任務(wù)。然后按“閱讀課文——觀看演示——提出問題——創(chuàng)新方法”的步驟進(jìn)行實驗教學(xué)，在實驗后的廣泛議論中，綜合大家的意見，歸納出實驗存在的主要問題：①原理不完善，不能保證小球在水平面內(nèi)作勻速圓周運動，從而彈簧秤的讀數(shù)不能代表小球所受的向心力。②在掄起小球時，手的位置忽上忽下，讀數(shù)不確定、而且可見度太小。③彈簧秤隨時在伸縮，以致很難確定圓周的半徑。④改變角速度在觀察時不明顯。針對上述問題，學(xué)生展開積極的探討和研究，通過反復(fù)實驗得知，用光滑圓板約束小球，能保證小球在水平面內(nèi)作圓周運動，同時易于確定小球的軌道半徑。用圓形測力計代替彈簧秤，增大了讀數(shù)的可見度，利用秒表記時能較準(zhǔn)確測出小球運動的角速度。改進(jìn)后的實驗裝置如圖1：鐵架臺上端用十字夾夾一鉆有圓孔的光滑圓板，圓孔中套一光滑空心帽釘，圓板上畫有一直徑作為標(biāo)志線。圓形測力計通過十字夾固定在鐵架臺上，按圖裝置好器材，給系線小球一初速度，小球作勻速圓周運動所需向心力可由圓形測力計顯示，角速度可通過秒表測出小球經(jīng)過標(biāo)志線的次數(shù)所歷時間求出，改變小球運動的軌道半徑可通過調(diào)節(jié)十字架改變圓板高度實現(xiàn)。測出靜止時小球球心到圓板中心的距離s，然后由小球運動過程中圓形測力計的讀數(shù)，易得對應(yīng)的伸長量△x，從而小球運動的軌跡半徑r通過，：S+Ax求出，能定量驗證向心力公式。改進(jìn)后的實驗、原理較完善。操作方便、直觀，可見度大，穩(wěn)定性好、效果較好。

2.改進(jìn)測電流表內(nèi)電阻實驗。將電流表改裝成伏特表，關(guān)鍵是如何精測電流表的內(nèi)電阻，在進(jìn)行此實驗前，應(yīng)將實驗的難點分散到課堂演示實驗之中。先指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材，然后請兩名學(xué)生上講臺演示，大家仔細(xì)觀察。實驗后，學(xué)生會立即發(fā)現(xiàn)，這個實驗操作不便、調(diào)節(jié)滑線變阻器時難于使電流表剛好滿偏。稍不小心，表針超滿偏，易損壞電表，實驗的測量值為94Ω(300μA電流表)，課前教師用電橋精測的值為103Ω，相對誤差為8.7％。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗的定量誤差分析，指出這是由于實驗原理不完善和測試方法粗略所帶來的系統(tǒng)誤差，這樣改裝后的伏特表也將出現(xiàn)較大誤差。

就如何使實驗操作方便、減小實驗的系統(tǒng)誤差這一問題，學(xué)生在廣泛的討論中提出了在干路中串聯(lián)一個微調(diào)電位器、選用高內(nèi)阻和電壓較高的電源的切實可行的措施。實踐證明，效果很好。為了開闊學(xué)生的知識視野，充分發(fā)揮他們的創(chuàng)造精神，筆者提出了如何設(shè)計實驗原理更完善、操作簡便，精度較高的實驗電路，并提示他們回顧測電阻的方法，啟發(fā)他們帶著問題積極思考探索在對比中聯(lián)想、創(chuàng)新。課后學(xué)生很快設(shè)計出了近十種實驗電路?，F(xiàn)舉例如下：

實驗電路如圖2所示，G1為待測內(nèi)阻的電流表、G2為靈敏電流表、R1為滑線變阻器、R2為電阻箱。實驗步驟和原理簡述如下：

(1)按圖連接好電路，將Rl觸頭置左端，R2調(diào)為零。

(2)關(guān)閉K1，緩慢調(diào)節(jié)R1，在c1、G2均不超滿偏的情況下，使G2有較大整數(shù)刻度數(shù)值，并記下此時G2指針?biāo)谖恢谩?/p>

(3)關(guān)閉K2，調(diào)節(jié)R2，使G2指針恢復(fù)原來位置，記下電阻箱的阻值R2，依次斷開K2、K1，則有電流表G1的內(nèi)阻Rg=R2(若將G2與c1互換，同理可測出G2的內(nèi)阻)。

實踐證明，改進(jìn)后的電路原理完善，簡單易懂、省時省材、操作方便、精度較高(消除了半偏法測電流表內(nèi)阻由于表頭直線性不良引起的系統(tǒng)誤差)，不失為較好的實驗改進(jìn)電路。

通過上述實驗的改進(jìn)，有力地促進(jìn)了學(xué)生的能力發(fā)展，對培養(yǎng)“創(chuàng)造型”人才大有裨益。