淺談高職物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

孟霞

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部，四川 成都 610065）

淺談高職物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)

孟霞

（四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部，四川 成都 610065）

物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科的根基，學(xué)生應(yīng)具備基本的物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)能力。著重總結(jié)和探討學(xué)生應(yīng)在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)具備的實(shí)驗(yàn)方法、觀察推理能力、想象力、提問創(chuàng)新能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力及其在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，幫助學(xué)生建立起基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)所需的綜合能力，并通過課堂實(shí)踐解決實(shí)際的物理實(shí)驗(yàn)問題，以說明以上能力培養(yǎng)的必要性和有效性。

物理實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)方法；綜合能力；實(shí)踐

從伽利略的自由落體實(shí)驗(yàn)，到法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，再到密立根的油滴實(shí)驗(yàn)，這些聲名顯赫的物理實(shí)驗(yàn)為現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，是實(shí)踐為物理理論的發(fā)展開拓了先驅(qū)。而回到當(dāng)代物理教學(xué)，學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)著重停留在物理理論，不想動(dòng)手，不愿動(dòng)手，實(shí)驗(yàn)基本能力往往匱乏。筆者反思多年的教學(xué)經(jīng)歷，根據(jù)學(xué)生出現(xiàn)的問題，系統(tǒng)化總結(jié)概括出學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)需要具備的基本能力，幫助學(xué)生克服對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的盲區(qū)和恐懼，激勵(lì)其產(chǎn)生興趣，扭轉(zhuǎn)當(dāng)前理論和實(shí)踐不同步的被動(dòng)局面。

1 理論基礎(chǔ)和計(jì)算能力

基本物理公式的掌握是進(jìn)行實(shí)踐的基礎(chǔ)，物理實(shí)驗(yàn)源于教材而高于教材，要清楚公式由來的歷史背景和具體實(shí)驗(yàn)方法，更要掌握公式中具體物理量的含義，并對(duì)實(shí)踐有著指導(dǎo)性作用。有時(shí)當(dāng)實(shí)驗(yàn)沒有思路時(shí)，應(yīng)先從理論開始分析，理清頭緒，再進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作。當(dāng)實(shí)驗(yàn)存在多變量時(shí)，需建立方程組，進(jìn)行基本的計(jì)算，得出結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)方法

合適的物理實(shí)驗(yàn)方法是實(shí)驗(yàn)成功不可或缺的條件，現(xiàn)代物理與好的實(shí)驗(yàn)方法息息相關(guān)，下面對(duì)物理實(shí)驗(yàn)中的教學(xué)方法一一介紹:

2.1 控制變量法

對(duì)于多變量的物理實(shí)驗(yàn)，要探知變量間關(guān)系時(shí)，需一次只改變一個(gè)變量，其他變量保持不變，將多變量問題轉(zhuǎn)換為獨(dú)立變量問題，即獨(dú)立變量變化只會(huì)造成因變量的變化。例如要探知滑動(dòng)摩擦力和壓力的關(guān)系，那么就要保持其中的接觸面粗糙程度不變，這時(shí)的壓力是獨(dú)立變量，摩擦力是因變量，壓力的改變引起摩擦力的改變。要探知摩擦力和粗糙程度的關(guān)系，那么就要保持壓力不變，這時(shí)的粗糙程度是獨(dú)立變量，摩擦力是因變量。但當(dāng)變量為非獨(dú)立變量，這種方法不成立，例如電場強(qiáng)度公式E=F/q，F(xiàn)和q均為非獨(dú)立變量，E是電場自身屬性，和F沒有關(guān)系。

2.2 圖表和公式法

對(duì)于抽象的物理現(xiàn)象，學(xué)生往往無從下手，而此時(shí)構(gòu)建圖表進(jìn)行形象化，充分運(yùn)用模型等手段，再輔之?dāng)?shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，讓學(xué)生能很快掌握物理現(xiàn)象中隱藏的本質(zhì)數(shù)學(xué)規(guī)律。遇到實(shí)際物理問題時(shí)，學(xué)生應(yīng)能畫出受力圖、電路圖或者光路圖等，并能根據(jù)圖示進(jìn)行具體的分析和計(jì)算，將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，將數(shù)字與圖形結(jié)合起來，將物理規(guī)律變化用圖像來表達(dá)。

2.3 平均法

如何測量一張紙的厚度，如何測量金屬絲的直徑，這些看似棘手的問題用平均法解決就顯得異常簡單。把相同厚度的若干張紙疊在一起，除以張數(shù)，就可以得到每張紙的厚度。將金屬絲密集纏繞在柱體的表面上，用直尺量出金屬絲在柱體上的長度，再除以金屬絲的匝數(shù)，就可以得到金屬絲的直徑。另外，在電阻測量中，為了減小測量誤差，也需要用到平均法。

2.4 轉(zhuǎn)換法

如何測量小方塊的體積？如何測量滑動(dòng)摩擦力的大?。棵鎸?duì)這些我們無法直觀測量到的物理量，將抽象轉(zhuǎn)化為具體，轉(zhuǎn)變思維實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要。將小方塊放入一杯水里，排出水的體積就是小方塊的體積。找一方塊，用彈簧拉著方塊在測量地面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么彈簧的讀數(shù)就是摩擦力的大小。

2.5 其他方法

排除法、遞推法、反推法、歸納法、對(duì)比法等。如實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證銅、鋅能導(dǎo)電，鋁也能導(dǎo)電，可用歸納法得出金屬可以導(dǎo)電。比較電壓表和電流表的不同時(shí)，需用到比較法。

3 觀察推理能力和想象能力

觀察推理能力是推動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的基礎(chǔ)，伽利略通過發(fā)現(xiàn)斜面越光滑，球滾得越遠(yuǎn)，提出了斜面實(shí)驗(yàn)，即鋼珠從光滑的斜面下滑，如果運(yùn)動(dòng)過程無損耗，則其必然到達(dá)同樣高度的光滑斜面，如果沒有相同高度斜面或者斜面變成水平面，小球會(huì)保持運(yùn)動(dòng)下去。牛頓在他的斜面理想實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，觀察物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，經(jīng)過理性邏輯的塑造和分析，循序漸進(jìn)，推理得出了牛頓第一定律。同樣，當(dāng)蘋果落在牛頓頭上時(shí)，牛頓沒有忽視這個(gè)現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)物體失去支撐一定會(huì)落下，從而發(fā)現(xiàn)萬有引力定律。

觀察簡單的生活也能推導(dǎo)得出深刻的物理現(xiàn)象，將響著鈴聲的手機(jī)放進(jìn)袋子里，逐漸抽空里面的空氣，手機(jī)的的聲音逐漸變小，往里面注入空氣，手機(jī)的聲音會(huì)變大，可見聲音不能在真空中傳播。打雷時(shí)先看到閃電再聽到聲音，說明光在空氣中的傳播速度大于聲音在空氣中的傳播速度。將棍子插進(jìn)水里，發(fā)現(xiàn)棍子沒有發(fā)生彎曲，這是由于光的折射原理產(chǎn)生的。類似的現(xiàn)象還有很多，在物理課堂中，應(yīng)引導(dǎo)和幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中的自然現(xiàn)象，并從科學(xué)的角度進(jìn)行解釋，從而推導(dǎo)出其中的物理規(guī)律，提高學(xué)生的物理敏感度。

想象是物理實(shí)驗(yàn)中不可或缺的步驟，對(duì)學(xué)生形象思維的培養(yǎng)至關(guān)重要。要學(xué)會(huì)將抽象的物理現(xiàn)象具體化，比如在經(jīng)過摩擦力課堂教學(xué)后，應(yīng)激發(fā)學(xué)生的想象，沒有摩擦力的世界是什么樣的?我們還能走路嗎？是否就能輕易的搬動(dòng)很重的東西?在教完圓周運(yùn)動(dòng)后，也可引導(dǎo)學(xué)生想象，如果地球停止自轉(zhuǎn)會(huì)發(fā)生什么情況。如果熱力學(xué)第一第二定律不成立，永動(dòng)機(jī)是不是可以發(fā)明出來？通過這種形式的教學(xué)，不僅讓學(xué)生開拓了抽象-形象思維，同時(shí)也激發(fā)了對(duì)物理的想象空間和興趣。

4 提問創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

問題無處不在，改變引導(dǎo)學(xué)生探究問題的實(shí)驗(yàn)，不僅可以極大提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣，更可以形成深刻印象，對(duì)學(xué)生授之以魚、授之以漁。提問分為被動(dòng)提問和主動(dòng)提問兩種，被動(dòng)提問是在實(shí)驗(yàn)初期，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)還不太了解時(shí)，老師對(duì)學(xué)生進(jìn)行提問，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，被動(dòng)提問是在實(shí)驗(yàn)中后期，學(xué)生已對(duì)實(shí)驗(yàn)有了一定熟悉，主動(dòng)提出一些實(shí)驗(yàn)中難以發(fā)現(xiàn)或需要注意的問題。創(chuàng)新是提問的升華，如果學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題有進(jìn)一步研究的價(jià)值，那么創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)就可以展開，給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰砀蟮奶岣摺?/p>

在具備一定物理理論基礎(chǔ)和基本能力后，學(xué)生也需要應(yīng)能舉一反三，設(shè)計(jì)自己的物理實(shí)驗(yàn)，不僅可動(dòng)手來解釋物理現(xiàn)象和規(guī)律，更可以提升動(dòng)手能力，學(xué)以致用，將理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，解決生活或工作中的實(shí)際問題。這是需要通過練習(xí)來達(dá)到。

5 課堂實(shí)踐

5.1 設(shè)計(jì)題

設(shè)計(jì)題1：給出一個(gè)石塊，石塊的形狀不規(guī)則，現(xiàn)在想知道石塊的密度，請(qǐng)問需要什么器材且器材盡量的少？如何進(jìn)行測量？

本題是一道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題，難點(diǎn)在于不告知器材和步驟，需要學(xué)生自己進(jìn)行推理和設(shè)計(jì)，考察了學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。首先學(xué)生需要結(jié)合物理理論，得知測量密度需要哪些物理量，然后進(jìn)行相關(guān)量的推理和思考，再實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，用相關(guān)器材進(jìn)行測量。由數(shù)學(xué)公式(1)得出，密度是由物體質(zhì)量和體積得出的，選取天平和砝碼得出物理的質(zhì)量，難點(diǎn)在于石塊體積不規(guī)則難以得出。這時(shí)就可運(yùn)用轉(zhuǎn)換法，準(zhǔn)備量筒和水，將石塊放入量筒中，其體積就轉(zhuǎn)換成水的體積的變化量。

設(shè)計(jì)題2：醫(yī)院分為值班區(qū)和病人區(qū)兩部分，為讓醫(yī)生及時(shí)知曉病人的情況，需在病區(qū)設(shè)計(jì)按鈕，要求病人按床邊的開關(guān)后，值班區(qū)的鬧鈴就響，且對(duì)應(yīng)的燈開始亮。

本題的難點(diǎn)在于實(shí)踐和理論結(jié)合，設(shè)計(jì)電路需要符合實(shí)際發(fā)生的情況，考察了學(xué)生的提問創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。根據(jù)本題的說明可先將電路分成兩個(gè)區(qū)域，如下圖所示，開關(guān)應(yīng)該設(shè)置在病人區(qū)，對(duì)應(yīng)的電源設(shè)置在值班區(qū)，問題在于病床1的病人按下開關(guān)后，如何觸動(dòng)警報(bào)和只亮一個(gè)燈。單獨(dú)的串聯(lián)或并聯(lián)電路顯然都不可行，每次都觸動(dòng)警報(bào)需要的是串聯(lián)電路，但每次只亮一個(gè)燈需要的是并聯(lián)電路，推理得知需要串并聯(lián)電路結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)。如圖所示，每個(gè)病床的燈和開關(guān)并聯(lián)再和燈串聯(lián)起來。

圖1 設(shè)計(jì)題2電路圖

設(shè)計(jì)題3：有一個(gè)天平，九個(gè)砝碼，其中一個(gè)砝碼比另八個(gè)要輕一些，問至少要稱幾次才能將輕的那個(gè)找出來？

此題與物理知識(shí)無關(guān)，重在純粹鍛煉學(xué)生的想象能力和實(shí)驗(yàn)方法。此題學(xué)生應(yīng)該的思考到此題要用到排除法，難點(diǎn)是如何進(jìn)行排除的問題。有三點(diǎn)可以意識(shí)到：1天平的作用是比較兩邊的輕重；2天平兩邊的砝碼數(shù)量必須平衡，否則無法進(jìn)行比較；3次數(shù)要盡量的少，所以每次比較的效率都要較高。那么如何比較才能保證最高的效率？如果是分成四個(gè)兩份，那么如果問題出在4個(gè)那一份里面，后面還需要比較2次。但如果是分成三個(gè)三份，那么無論哪三份出問題，后面只需再比較一次就可以得出結(jié)論。通過有邏輯有步驟的推理和思考，可引導(dǎo)同學(xué)較為輕松的得出答案。

設(shè)計(jì)題4：給出一個(gè)阻值為R的電阻、一個(gè)開關(guān)S、若干電線、電源、一塊電壓表（該電壓表盤面上有刻度但無刻度值；電壓表裝上后不能拆下來），現(xiàn)需要用這幾個(gè)元件組成電路，測量未知電阻的阻值，請(qǐng)問如何設(shè)計(jì)？

本題的設(shè)計(jì)難度在于電壓表沒有明確的刻度，不能直接給出未知電阻的阻值，單憑此電壓表肯定沒有辦法做到，故而需要尋找另外的線索。注意到題中給出了已知電阻，抓住電源不變的特點(diǎn)，那么就可以通過比較法獲取未知電阻的阻值，給出設(shè)計(jì)圖如圖所示：

圖2 設(shè)計(jì)題4電路圖

5.2 分析題

分析題1:在下圖的電路中，閉合S后，燈泡L1和L2都未發(fā)亮，電流表A指針基本沒動(dòng)，而電壓表V指針有顯著偏轉(zhuǎn)，請(qǐng)問電路何處出現(xiàn)了問題？

圖3 分析題1電路圖

此題重在考驗(yàn)學(xué)生的推理能力，這個(gè)也是物理實(shí)驗(yàn)的基本能力之一，遇到電路故障時(shí)要學(xué)會(huì)通過現(xiàn)象對(duì)電路進(jìn)行剖析，列出可能的故障原因，用排除法找出原因并解決。如題所述，當(dāng)S閉合后，電壓表指數(shù)有偏轉(zhuǎn)，說明回路電源→a→b→電源是導(dǎo)通的，故排除了電流表未接入回路、燈泡L2未接入情況，那么ab回路間可能出現(xiàn)以下兩種情況：

（1）若L1和ab正常連接，那么電流從電源到電流表并串聯(lián)兩個(gè)燈，燈泡正常發(fā)光，電流表A指針也應(yīng)有完整偏轉(zhuǎn)；（2）若L1斷線，那么電流經(jīng)過電壓表回到電源，由于電壓表內(nèi)阻較大，導(dǎo)致兩個(gè)燈沒有亮，電流表無明顯指數(shù)，而電壓表相當(dāng)于接到電源兩邊，有顯著偏轉(zhuǎn)，符合圖示現(xiàn)象。從而這樣層層排除篩選，一個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的找，找出電路的故障。

析題2:物理實(shí)驗(yàn)得出的電源U/I如下圖曲線1所示，P/I如下圖曲線2所示，試根據(jù)曲線求得電源內(nèi)阻？測得電源的輸出功率為120時(shí)，那么電源輸出電壓是?

本題考驗(yàn)的是學(xué)生的理論基礎(chǔ)、圖表分析能力和推理能力。表中兩條曲線分別表示電流變化引起電壓和功率變化，由物理公式R=得，R=（50-25）/（5-0）=5。結(jié)合圖，當(dāng)輸出功率為120時(shí)電流為4，由公式P=UI得U=120/4=30。

6 結(jié)論

物理無處不在，培養(yǎng)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)綜合能力是高職物理教育的重要內(nèi)容，討論了物理實(shí)驗(yàn)中需要用到的數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，通過數(shù)道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題和分析題具體探討了培養(yǎng)這些能力的思路，即解釋生活中的物理現(xiàn)象將理論與實(shí)踐相聯(lián)系，可鍛煉學(xué)生觀察能力并激發(fā)學(xué)生興趣；通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題和分析題可培養(yǎng)學(xué)生的想象、設(shè)計(jì)及分析能力，鞏固學(xué)生的物理知識(shí)。

實(shí)踐證明，清晰掌握必備的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ⒚鞔_實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手能力提高都有著較大裨益，能提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效率和價(jià)值。

[1]徐冬梅.淺談物理實(shí)驗(yàn)堆學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)[J].中學(xué)課程輔導(dǎo)，2015.

[2]李新強(qiáng).優(yōu)化教學(xué)方法，培養(yǎng)物理實(shí)驗(yàn)綜合能力[J].無錫教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.

[3]趙艷艷.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及改進(jìn)措施研究[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2011.

[4]田明麗.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].西南師范大學(xué)，2005.

On Cul tivating Students'Comprehensive Ability in Physics Experiment inHigher Vocational Colleges

MENGXia
(SichuanWater Conservancy Vocat ional and Technical Col lege,Chengdu Sichuan 610065)

Physical experiment is the foundation of physics, students should have the basic physical experiment technical ability. This paper summarizes and explores the experimental methods that students should have in physics experiments, the ability of observing and reasoning, imagination, questioning, experiment design and its application in physics experiment. In order to help students build comprehensive ability required by the basic physics experiments. Use theclassroom practice to solve practical problems of physical experiments, to illustrate the necessity and effectiveness of those capacity-building.

Physics Experiment;Experimental Method; Comprehensive Ability; Practice

G718.5

A

1672-2094(2016)06-0119-04

責(zé)任編輯：張隆輝

2016-09-02

孟霞(1964-)，女，山西運(yùn)城人，四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)師。