高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考與探索

羅秋芳

（蘇州市高新區(qū)吳縣中學(xué)，江蘇 蘇州 215151）

回顧物理學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展過程，物理學(xué)的每一個(gè)概念、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)與確立大都依賴于實(shí)驗(yàn)，同時(shí)實(shí)驗(yàn)也是研究和發(fā)展物理學(xué)的基本手段.它不僅是技術(shù)的操作過程，而且包含了豐富的物理思想、物理方法以及創(chuàng)造原理和創(chuàng)新技法.因此，物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)是培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新能力最有效的途徑，但要達(dá)到理想的效果，必須對(duì)教材中的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并在課堂教學(xué)中科學(xué)實(shí)施.筆者在教學(xué)實(shí)踐中對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的導(dǎo)入、實(shí)施與創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了有益的探索，并形成了一些優(yōu)化策略.

1 注重實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)入，構(gòu)建科學(xué)探索的課堂氛圍

大多數(shù)教師都會(huì)注重一堂課的引入，但一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)怎樣導(dǎo)入？卻考慮得比較少，往往直接把實(shí)驗(yàn)裝置擺上講臺(tái)進(jìn)行演示，這正是當(dāng)前課堂教學(xué)的弊端.事實(shí)上，一個(gè)好的實(shí)驗(yàn)引入，不僅能激發(fā)學(xué)生的強(qiáng)烈興趣和求知欲望，還能為學(xué)生提供發(fā)現(xiàn)問題，運(yùn)用知識(shí)的機(jī)會(huì)，提供創(chuàng)造性地解決問題的條件，使他們的創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)和發(fā)展.例如：筆者在進(jìn)行學(xué)生實(shí)驗(yàn)“長度的測(cè)量”教學(xué)時(shí)，并不是直接拿出游標(biāo)卡尺給學(xué)生介紹它的構(gòu)造及用法，因?yàn)檫@樣會(huì)使得學(xué)生感到莫名——怎么又出了一個(gè)這樣的東西？對(duì)它的用法也并不能很好地掌握，甚至出現(xiàn)用左右手分別抓住測(cè)量爪來進(jìn)行測(cè)量的錯(cuò)誤操作.為此，筆者設(shè)置了以下情景促使學(xué)生積極思考并設(shè)計(jì)出自己的測(cè)量工具.

①如何用刻度尺來測(cè)量桌子上一鋼球的直徑，還需要什么工具？（學(xué)生很快地提出如圖1所示的方案）

②若此鋼球用細(xì)線懸掛在空中，我們又該如何來測(cè)量它的直徑呢？用圖1所示的方案方便嗎？（引導(dǎo)學(xué)生思考，使他們體會(huì)到：用圖1的方法，必須用左右手對(duì)兩塊三角板操作，那么拿被測(cè)物體、記錄數(shù)據(jù)只得借助第3只甚至第4只手了.這顯然不太方便.）

圖1

③ （緊接著）如何改進(jìn)呢？以達(dá)到用一只手就可操作，騰出另一只手來持被測(cè)物體或記錄數(shù)據(jù).（啟發(fā)學(xué)生想到左邊的三角板可固定在刻度尺上，并且刻度尺與其豎直的直角邊對(duì)齊處改刻為“0”；右邊的三角板可以在刻度尺上左右移動(dòng)，以便于測(cè)量不同直徑的物體.這樣非常自然地由學(xué)生設(shè)計(jì)出一個(gè)新的、方便的測(cè)量工具——游標(biāo)卡尺.

④ 作上述改進(jìn)后，只能方便地測(cè)量物體的外徑，但如果有鋼管的內(nèi)徑、狹窄的深槽深度需要測(cè)量，又怎么辦呢？（進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出內(nèi)測(cè)量爪及深度尺等.）

通過以上的處理，再向?qū)W生介紹游標(biāo)卡尺使用的規(guī)范操作，學(xué)生領(lǐng)悟得快，也不會(huì)出現(xiàn)前面所說的錯(cuò)誤操作，同時(shí)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)得到了加強(qiáng)，能力也相應(yīng)提高.

由此可見，實(shí)驗(yàn)的引入也十分重要.但如何更好地引入一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？就其?dǎo)入方式而言，主要有以下兩種：

（1）從原實(shí)驗(yàn)原理（或舊知識(shí)）中導(dǎo)出新實(shí)驗(yàn)的原理，再引入實(shí)驗(yàn).

在“簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像”一節(jié)教學(xué)中，通過分析頻閃照片，再列表、畫圖像得出簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像為一正弦或余弦曲線.當(dāng)然，這是經(jīng)過科學(xué)分析后猜測(cè)出的初步結(jié)論，是否正確還需經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.為此可用圖2實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行驗(yàn)證.筆者在導(dǎo)入時(shí)，從剛使用過的 “頻閃照相法”入手，分析它的原理引入圖2實(shí)驗(yàn)的原理，進(jìn)而得到該實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示.

圖2

①請(qǐng)學(xué)生們思考一下，閃光照相底片上的小球的像同運(yùn)動(dòng)小球之間有什么關(guān)系？（它們相應(yīng)地表示運(yùn)動(dòng)物體在不同時(shí)刻的位置.）

② “閃光照相”法實(shí)質(zhì)上記錄了運(yùn)動(dòng)物體每隔一定時(shí)間所在的位置，由此想到設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)它能記錄小球在不同時(shí)刻的位置，從而了解小球在不同時(shí)間里發(fā)生的位移及其變化，探討簡諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.那么，怎樣才能達(dá)到這一目的呢？（激發(fā)學(xué)生思考）

③ 教師手持粉筆演示，以啟發(fā)學(xué)生思考：第一步，教師手持粉筆在黑板上上下運(yùn)動(dòng)一周，結(jié)果黑板上留下這一周內(nèi)不同時(shí)刻粉筆的位移；第二步，使粉筆在黑板上不停地上下運(yùn)動(dòng)，粉筆的痕跡不斷重疊，仍呈現(xiàn)一條豎直線，這同振子的閃光照片相似；第三步，教師提問引發(fā)思考“如何將不同時(shí)刻的位移分別顯示出來呢？——也就是使粉筆在每個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的痕跡不重疊”.學(xué)生會(huì)想到邊上下畫的同時(shí)邊向右移動(dòng)，教師進(jìn)而啟發(fā)——如果不移動(dòng)手是否可以拖動(dòng)記錄的板；第四步，教師出示圖2實(shí)驗(yàn)裝置并予以介紹，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考：為使紙帶運(yùn)動(dòng)的距離代表時(shí)間，應(yīng)該讓紙帶如何運(yùn)動(dòng)？

④進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示：搖動(dòng)手柄使記錄紙勻速拉動(dòng)，記錄筆P在紙上畫出一條正弦或余弦曲線，顯示了各個(gè)時(shí)刻小球的位移.

（2）從舊知識(shí)中導(dǎo)入新實(shí)驗(yàn)的所用器材，再引入實(shí)驗(yàn).

在“運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的作用”一節(jié)教學(xué)時(shí)，筆者從上一節(jié)知識(shí)中的“通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到安培力作用”引導(dǎo)學(xué)生分析，并作出猜測(cè)：“運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中會(huì)受磁場(chǎng)力的作用”，當(dāng)然，這還需要實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證.但實(shí)驗(yàn)如何導(dǎo)入呢？筆者是這樣設(shè)計(jì)的：

① 我們要檢驗(yàn)的觀點(diǎn)中，它們的因果關(guān)系怎樣呢？為此，我們實(shí)驗(yàn)時(shí)必須提供什么？［需驗(yàn)證：運(yùn)動(dòng)電荷（因）在磁場(chǎng)中（因）會(huì)受到磁場(chǎng)力（果）的作用，這樣，必須提供運(yùn)動(dòng)電荷與磁場(chǎng).］

② 用什么提供磁場(chǎng)呢？如何產(chǎn)生離開導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)電荷呢？（磁場(chǎng)可用蹄形磁鐵或通電線圈，用熱電子發(fā)射可產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)電子.本次實(shí)驗(yàn)中擬用高電壓產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)電子.）

③ 運(yùn)動(dòng)電荷是微觀粒子，還要有能顯示其受力的辦法，那么該如何顯示它的受力呢？（可通過顯示徑跡的方法，徑跡的顯示可用涂有熒光粉的熒光屏，也可用低壓的水銀蒸氣或氫氣發(fā)出輝光來顯示，繼而教師介紹電子射線管、感應(yīng)圈和磁鐵等器材，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示.）

所以實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入時(shí)，可以先推導(dǎo)出即將演示實(shí)驗(yàn)的原理，也可以先導(dǎo)入其所用器材，進(jìn)而介紹實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)操作.不管哪種導(dǎo)入方式都必須注意“布局”，教師的提問或是學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)的問題，都要能剌激學(xué)生心理產(chǎn)生疑問，使他們產(chǎn)生心理上的不平衡，進(jìn)而激發(fā)探究的欲望，這樣學(xué)生才有探索的內(nèi)動(dòng)力，才易形成探索的課堂氛圍.學(xué)生一旦有機(jī)會(huì)運(yùn)用知識(shí)解決一些問題，他們就會(huì)在推導(dǎo)過程中積極應(yīng)用分析與綜合、演繹與歸納、分類與比較等各種思維方法進(jìn)行思考，經(jīng)歷這樣的學(xué)習(xí)過程，學(xué)生不僅掌握了知識(shí)，提高了邏輯推理能力，同時(shí)也激勵(lì)了他們的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力.

2 注重實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，突出科學(xué)方法，顯化創(chuàng)新技法

一個(gè)成功的演示實(shí)驗(yàn)，不僅要有理想的實(shí)驗(yàn)裝置，更重要的是如何實(shí)施實(shí)驗(yàn)的演示及教學(xué)，以充分發(fā)揮其教育、教學(xué)功能.法國科學(xué)家貝爾納說：“良好的方法能使我們發(fā)揮天賦和才能，而拙劣的方法卻削弱、甚至扼殺我們的才能”.因此，在教學(xué)過程中應(yīng)把實(shí)驗(yàn)中的技術(shù)、豐富的物理思想和物理方法以及蘊(yùn)含的創(chuàng)造原理與創(chuàng)新技法傳授給學(xué)生，對(duì)發(fā)展學(xué)生的物理創(chuàng)新能力可以起到事半功倍的效果.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程中，教師應(yīng)注意將它們“顯化”，加以突出，給學(xué)生產(chǎn)生深刻的印象，可以說，這相當(dāng)于在培養(yǎng)與訓(xùn)練學(xué)生的物理創(chuàng)新能力的進(jìn)程中加進(jìn)了一劑催化劑.

圖3

圖3為“簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像”實(shí)驗(yàn)裝置.圖3甲中，1為鐵架臺(tái)，2為彈簧，3為記錄紙，4為振動(dòng)小球，5為帶夾的導(dǎo)軌滑輪，6為圖紙導(dǎo)軌，7為固定鐵夾，8為小電機(jī)（繞在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上的細(xì)線帶動(dòng)記錄紙向左移動(dòng)），9為細(xì)線；圖3乙中1為圖紙導(dǎo)軌，2為注射器，3為記錄紙，4為帶有一段軟管的一次性注射器針頭，5為直尺，6為鐵架臺(tái).可以說這個(gè)裝置比教材給出的實(shí)驗(yàn)裝置（即圖2）有較大的創(chuàng)新，但如果只直接拿出來演示，其功能與圖2實(shí)驗(yàn)裝置相當(dāng)，也不過是讓學(xué)生看到了簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像為正弦或余弦曲線.如果教學(xué)實(shí)施過程中，教師注重引導(dǎo)學(xué)生自主分析原裝置中存在的弊端，注意引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)：將水平面內(nèi)完成的實(shí)驗(yàn)變化為豎直面上來完成，同時(shí)把水平桿上的彈簧振子改為豎直兩彈簧連接；把記錄筆換成帶一次性注射針頭的注射器噴射墨水記錄；利用直尺的杠桿作用將小球的振動(dòng)幅度放大等.使學(xué)生感受創(chuàng)新活動(dòng)的整個(gè)過程，體驗(yàn)創(chuàng)新的無窮樂趣.教師同時(shí)突出其中的物理方法——機(jī)械放大法，顯化應(yīng)用過的“聯(lián)想”等創(chuàng)新技法，該實(shí)驗(yàn)的教育教學(xué)功能就大大增強(qiáng).

當(dāng)然，并不是一定要將教材中的實(shí)驗(yàn)全部改頭換面，實(shí)際上，教材中給出的實(shí)驗(yàn)往往也包含許多創(chuàng)新因子和方法在其中.例如“自感”一節(jié)中的2個(gè)演示實(shí)驗(yàn).

“自感現(xiàn)象”演示實(shí)驗(yàn)教材中的原有裝置如圖中4（a）所示，教師在進(jìn)行演示教學(xué)時(shí)不宜“照單抓藥”，必須充分拓展以利于學(xué)生物理創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在演示之初可先按圖4（b）進(jìn)行，當(dāng)這個(gè)實(shí)驗(yàn)演示結(jié)果與學(xué)生原有的猜想不一致時(shí)，學(xué)生的探索動(dòng)機(jī)就被激發(fā)起來了.這時(shí)教師可引導(dǎo)他們通過分析失敗原因，再運(yùn)用“比較法”、“補(bǔ)償法”實(shí)驗(yàn)思想方法設(shè)計(jì)出如圖4（a）所示的電路使實(shí)驗(yàn)獲得成功.但教師不應(yīng)滿足于此，還可將實(shí)驗(yàn)再進(jìn)一步拓展.［在圖4（a）中，演示S斷開通過線圈電流變小時(shí)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)］，當(dāng)此次拓展并未實(shí)現(xiàn)所預(yù)言的現(xiàn)象（兩燈會(huì)再亮一下）時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的探索動(dòng)機(jī)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下運(yùn)用電路理論進(jìn)行失敗原因（通過燈上的電流太小，回路電阻太大）分析后設(shè)計(jì)出圖4（c）實(shí)驗(yàn)，這樣自然過渡到教材中后一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)再次成功.

圖4

教師還可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)圖4（a）中所用滑動(dòng)變阻器因自感會(huì)產(chǎn)生干擾，為排除此干擾，應(yīng)盡量改用直線電阻絲型滑動(dòng)變阻器或采用雙螺旋線繞法變阻器.并讓學(xué)生應(yīng)用“比較法”、“補(bǔ)償法”將圖4（c）實(shí)驗(yàn)拓展到圖4（d）實(shí)驗(yàn)，以取得良好的演示效果.按上述的教學(xué)實(shí)施策略，不僅讓學(xué)生運(yùn)用電路理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)失敗的原因，同時(shí)也使他們?cè)谶@樣的實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)了理論分析與應(yīng)用的能力以及運(yùn)用比較法、補(bǔ)償法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的能力.

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中包含了許多重要的思想方法，如“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的控制變量法；自感現(xiàn)象的觀察、光譜分析等實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的比較法；測(cè)量單擺周期中運(yùn)用的累積放大法；螺旋測(cè)微器、游標(biāo)卡尺中利用的機(jī)械放大法；顯示微小形變及卡文迪許實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的光學(xué)放大法；“電場(chǎng)中的等勢(shì)線的描繪”實(shí)驗(yàn)中模擬法；還有替代法、轉(zhuǎn)換法、平衡法、補(bǔ)償法、共軛法等.而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)都是經(jīng)過長期的教學(xué)實(shí)踐而確定的，也是教育教學(xué)創(chuàng)造活動(dòng)的結(jié)晶，因此，其中也不乏創(chuàng)新技法，如聯(lián)想創(chuàng)造技法、類比創(chuàng)造技法、設(shè)問創(chuàng)造技法、列舉創(chuàng)造技法和轉(zhuǎn)換創(chuàng)造技法等.教師應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施——突出科學(xué)方法，顯化創(chuàng)新技法.讓學(xué)生體驗(yàn)創(chuàng)新活動(dòng)的樂趣，使他們從中培養(yǎng)創(chuàng)新精神，掌握好物理思想和方法，獲得創(chuàng)新技法.可以說，學(xué)生對(duì)研究方法認(rèn)識(shí)的進(jìn)步，其意義并不比創(chuàng)新本身小.

但實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施要有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理創(chuàng)新能力，必須注重激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)機(jī).讓學(xué)生在運(yùn)用已有的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和方法設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)生矛盾、遇到困難甚至導(dǎo)致失敗，由此產(chǎn)生困惑，從而使學(xué)生認(rèn)識(shí)到原有的認(rèn)知存在局限性、存在缺點(diǎn)及適用條件，困惑的產(chǎn)生才有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新動(dòng)機(jī).當(dāng)然，學(xué)生的創(chuàng)新活動(dòng)不可能是憑空產(chǎn)生，因此教師應(yīng)及時(shí)提供知識(shí)原型啟發(fā)學(xué)生，使他們經(jīng)模仿、聯(lián)想再造出新的事物.這一過程中，學(xué)生掌握的研究方法（即科學(xué)方法和創(chuàng)新技法）就會(huì)發(fā)揮巨大的作用.