改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

陳景太 孟憲松

(江蘇省泗陽(yáng)中學(xué),江蘇泗陽(yáng) 223700)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué).物理實(shí)驗(yàn)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(lái),我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中通過(guò)“破、讀、看、找、創(chuàng)”5個(gè)環(huán)節(jié),有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真閱讀教材,仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn),積極思維聯(lián)想,大膽創(chuàng)新實(shí)踐,有力促進(jìn)了物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革,激發(fā)了學(xué)生的興趣,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力.

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的5個(gè)環(huán)節(jié)

1.1 破:破除學(xué)生思維上的定勢(shì)

消除認(rèn)為做實(shí)驗(yàn)必須按書(shū)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(shí)驗(yàn),可以用不同的方法,不同的器材和裝置進(jìn)行.課本中的實(shí)驗(yàn),有的實(shí)驗(yàn)原理不夠完善,有的操作麻煩,有的效果不理想,需要從實(shí)驗(yàn)原理、裝置和操作方法上加以改進(jìn).在教學(xué)中,同時(shí)向?qū)W生展示經(jīng)過(guò)精心改進(jìn)的實(shí)驗(yàn),在對(duì)比中讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到探索改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方法,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.

1.2 讀:精讀書(shū)上敘述的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

筆者在演示改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)時(shí),讓學(xué)生明確,一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)方法的產(chǎn)生,是建立在對(duì)舊方法深入認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,針對(duì)其存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的.要求學(xué)生對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容都認(rèn)真閱讀,弄清實(shí)驗(yàn)的目的、原理、儀器裝置,了解操作程序,在頭腦中形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程.要能根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理去分析推斷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使自己心中有數(shù).這樣才能在觀察教師的實(shí)驗(yàn)演示中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,找出實(shí)驗(yàn)方法上的不足.

1.3 看:觀看教師的實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程

要求學(xué)生不僅仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象,而且要注意教師的操作過(guò)程.引導(dǎo)學(xué)生按實(shí)驗(yàn)原理完善,裝置簡(jiǎn)便合理,操作省時(shí)易行,實(shí)驗(yàn)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(shí)地突出實(shí)驗(yàn)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)生綜合概括和分析判斷能力的目的.

1.4 找:發(fā)動(dòng)學(xué)生找出實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題

這是學(xué)生思維活躍、興趣高的一個(gè)環(huán)節(jié),也是最富于啟發(fā)性的過(guò)程.教師在實(shí)驗(yàn)后,放手讓學(xué)生去充分討論,鼓勵(lì)發(fā)表不同意見(jiàn).要求學(xué)生大膽列舉自己看出的“問(wèn)題”,相互交流,切磋對(duì)錯(cuò).然后師生共同總結(jié)歸納出實(shí)驗(yàn)上的問(wèn)題,為改進(jìn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法打下基礎(chǔ).

1.5 創(chuàng):探索創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法

教師應(yīng)幫助學(xué)生樹(shù)立成功的自信心,培養(yǎng)他們刻苦鉆研精神和堅(jiān)韌不拔的毅力.充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造精神,引導(dǎo)他們運(yùn)用掌握的知識(shí)在實(shí)踐中去探尋實(shí)驗(yàn)方法.

新方法的設(shè)計(jì)主要在課后進(jìn)行.通過(guò)學(xué)生的集思廣益,取長(zhǎng)補(bǔ)短,從中尋求最佳實(shí)驗(yàn)方法.最后按新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)改進(jìn)后的效果.

實(shí)踐證明,通過(guò)這五個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué),不僅充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性和主動(dòng)性,而且培養(yǎng)鍛煉了學(xué)生的各種能力,學(xué)會(huì)了科學(xué)研究問(wèn)題的方法,有利于學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)展,同時(shí)開(kāi)闊了學(xué)生的知識(shí)視野.

2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)例

2.1 改進(jìn)驗(yàn)證向心力公式實(shí)驗(yàn)

演示此實(shí)驗(yàn)前,先向?qū)W生講明實(shí)驗(yàn)原理存在問(wèn)題(操作難度大、效果不佳),交給學(xué)生設(shè)法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法的任務(wù).然后按“閱讀課文一觀看演示一提出問(wèn)題一創(chuàng)新方法”的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué),在實(shí)驗(yàn)后的廣泛議論中,綜合大家的意見(jiàn),歸納出實(shí)驗(yàn)存在的主要問(wèn)題是:(1)原理不完善,不能保證小球在水平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng),從而彈簧秤的讀數(shù)不能代表小球所受的向心力;(2)在托起小球時(shí),手的位置忽上忽下,讀數(shù)不確定、而且可見(jiàn)度太小;(3)彈簧秤隨時(shí)在伸縮,以致很難確定圓周的半徑;(4)改變角速度在觀察時(shí)不明顯.針對(duì)上述幾個(gè)問(wèn)題,學(xué)生們展開(kāi)了積極的探討和研究.通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)得知,用光滑圓板約束小球,這樣能保證小球在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),同時(shí)易于確定小球的軌道半徑,用圓形測(cè)力計(jì)代替彈簧秤,增大了讀數(shù)的可見(jiàn)度,利用秒表記時(shí)能較準(zhǔn)確測(cè)出小球運(yùn)動(dòng)的角速度.

圖1

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1.鐵架臺(tái)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(huà)有一直徑作為標(biāo)志線(xiàn).圓形測(cè)力計(jì)通過(guò)十字夾固定在鐵架臺(tái)上,按圖1裝置好器材,給系線(xiàn)小球一初速度,小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)所需向心力可由圓形測(cè)力計(jì)顯示,角速度可通過(guò)秒表測(cè)出小球經(jīng)過(guò)標(biāo)志線(xiàn)的次數(shù)與所經(jīng)歷時(shí)間求出,改變小球運(yùn)動(dòng)的軌道半徑可通過(guò)調(diào)節(jié)十字夾改變圓板高度實(shí)現(xiàn).測(cè)出靜止時(shí)小球球心到圓板中心的距離s,然后由小球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中圓形測(cè)力計(jì)的讀數(shù),易得對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量Δx,從而小球運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑 r通過(guò)s+Δx求出,能定量驗(yàn)證向心力公式.

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn),原理較完善,操作方便、直觀,可見(jiàn)度大,穩(wěn)定性好,效果較好.

2.2 改進(jìn)測(cè)電流表內(nèi)電阻實(shí)驗(yàn)

將電流表改裝成電壓表,關(guān)鍵是如何精測(cè)電流表的內(nèi)電阻,在進(jìn)行此學(xué)生實(shí)驗(yàn)之前,筆者就將實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)分散到課堂演示實(shí)驗(yàn)之中.先指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材,然后叫兩名學(xué)生上講臺(tái)演示,大家仔細(xì)觀察.實(shí)驗(yàn)后,學(xué)生們立即發(fā)現(xiàn),這個(gè)實(shí)驗(yàn)操作不便、調(diào)節(jié)滑線(xiàn)變阻器時(shí)難于使電流表剛好滿(mǎn)偏.稍不小心,表針超滿(mǎn)偏,易損壞電表,實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值為94 Ω(300 μA電流表),課前筆者用電橋精測(cè)的值為103 Ω,相對(duì)誤差為8.7%.在此基礎(chǔ)上筆者引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的定量誤差分析,指出這是由于實(shí)驗(yàn)原理不完善和測(cè)試方法粗略所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差,這樣改裝后的電壓表也將出現(xiàn)較大誤差.如何使實(shí)驗(yàn)操作方便,減小實(shí)驗(yàn)的的系統(tǒng)誤差,在廣泛的討論中,學(xué)生們提出了在干路中串聯(lián)一個(gè)微調(diào)電位器、選用高內(nèi)阻和電壓較高的電源的切實(shí)可行的措施.實(shí)踐證明,效果很好.為了開(kāi)闊學(xué)生的知識(shí)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(jì)實(shí)驗(yàn)原理更完善、操作簡(jiǎn)便,精度較高的實(shí)驗(yàn)電路,并提示他們回顧一下測(cè)電阻的方法,啟發(fā)他們帶著問(wèn)題積極思考探索,在對(duì)比中去聯(lián)想、創(chuàng)新.課后學(xué)生們很快設(shè)計(jì)出了近十種實(shí)驗(yàn)電路.現(xiàn)舉例如下.

例1.實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示,G1為待測(cè)內(nèi)阻的電流表,G2為靈敏電流表,R1為滑線(xiàn)變阻器,R2為電阻箱.

實(shí)驗(yàn)步驟和原理簡(jiǎn)述如下:

(1)按圖2連接好電路,將 R1觸頭置左端,R2調(diào)為零.

(2)關(guān)閉S1,緩慢調(diào)節(jié) R1,在 G1、G2均不超滿(mǎn)偏的情況下,使G2有較大整數(shù)刻度數(shù)值,并記下此時(shí) G2指針?biāo)谖恢?

(3)關(guān)閉S2,調(diào)節(jié) R2,使 G2指針恢復(fù)原來(lái)位置,記下電阻箱的阻值 R2,依次斷開(kāi) S2、S1,則得電流表 G1的內(nèi)阻Rg=R2(若將 G2與 G1互換,同理可測(cè)出 G2的內(nèi)阻).

圖2

圖3

例2.實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示,G為待測(cè)內(nèi)電阻的電流表,V為標(biāo)準(zhǔn)電壓表,R1為滑線(xiàn)變阻器,R2為電阻箱,R0為已知精密定值電阻(數(shù)kΩ).

實(shí)驗(yàn)步驟和原理簡(jiǎn)述如下:

(1)按圖3連接好電路,將 R1觸頭置左端,R2調(diào)為零.

(2)關(guān)閉S1,緩慢調(diào)節(jié) R1,在 G不超滿(mǎn)偏情況下,使V有較大整數(shù)刻度數(shù)值,并記下此時(shí)V指針?biāo)肝恢?

(3)關(guān)閉S2,增大R2阻值,使V表指針恢復(fù)到原來(lái)位置,記下電阻箱的阻值 R2,依次斷開(kāi)S2、S1,則電流表的內(nèi)阻Rg=R2-R0.

上述兩電路不但能精測(cè)電流表內(nèi)阻,而且可直接用于改裝后電壓表的校核電路(例1電路中的G2用標(biāo)準(zhǔn)電壓表V取代即可).

實(shí)踐證明,改進(jìn)后的電路原理完善、簡(jiǎn)單易懂、省時(shí)省材、操作方便、精度較高(消除了半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻由于表頭直線(xiàn)性不良引起的系統(tǒng)誤差),不失為較好的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)電路.