物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展與實(shí)施

呂黎莉

【摘 要】 物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，大量的物理概念、規(guī)律、原理都是通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、總結(jié)歸納得出的。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為物理教學(xué)的一種重要的方法和手段，它要把研究的物理現(xiàn)象清楚地展示在學(xué)生面前，能引導(dǎo)學(xué)生觀察思考，使學(xué)生認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律“事半功倍”。本文就設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的原則與方法進(jìn)行了研究與探討。

【關(guān)鍵詞】 中學(xué)；物理；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；開展；實(shí)施

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以是要求學(xué)生利用已掌握的知識(shí)和常用儀器所做的自命題的實(shí)驗(yàn)；可以讓學(xué)生進(jìn)行開拓常用儀器的用法，對(duì)原有的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行改良的實(shí)驗(yàn)；也可以由教師給出具體的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生參考文獻(xiàn)，分析最終選擇最為優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)。但是設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)必須遵循一定的原則：

1.科學(xué)性原則

科學(xué)性原則是最根本的設(shè)計(jì)要求，指在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中必須保證實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)該有科學(xué)依據(jù)和正確的方式。物理實(shí)驗(yàn)要真實(shí)、客觀地反映和揭示概念規(guī)律，因此，實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有科學(xué)性。如果實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中沒有科學(xué)的態(tài)度和方法，或者沒有認(rèn)真處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤，例如，在“用單擺測(cè)定重力加速度”實(shí)驗(yàn)中，若不慎形成圓錐擺運(yùn)動(dòng)，在擺角小于5度情況下，測(cè)出的重力加速度的值就會(huì)偏小，教師不能為了達(dá)到教學(xué)目的人為地設(shè)計(jì)有悖于科學(xué)性的實(shí)驗(yàn)。欺騙的行為一旦被揭穿，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生健康的人生態(tài)度會(huì)產(chǎn)生極大的負(fù)面效應(yīng)，因此，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須遵循科學(xué)性原則。

2.安全性原則

安全性是任何工作的前提，在物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，教師及學(xué)生規(guī)范性操作是實(shí)驗(yàn)安全性的重要保障，一是保證實(shí)驗(yàn)儀器的安全，不受損，例如示波器的演示，預(yù)熱，光斑不能太亮，操作時(shí)間不能太長等保證儀器的壽命。二是人的生命安全，特別是電學(xué)實(shí)驗(yàn)我們更加注意安全性原則，一定要規(guī)范的操作，否則一旦發(fā)生事故后悔莫及。

3.探究性原則

物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該體現(xiàn)探究的本質(zhì)特征。探究性原則要求：所設(shè)計(jì)的物理實(shí)驗(yàn)包含的物理規(guī)律常常隱藏在較深的層次，需要學(xué)生去挖掘；實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果之間往往存在較大的距離，需要學(xué)生去跨越；解決問題的方法和途徑一般也不太明確，需要學(xué)生通過嘗試錯(cuò)誤，提出假設(shè)并驗(yàn)證假設(shè)來尋找。

任何一個(gè)概念、定理、定律都經(jīng)歷著由感性到理性的抽象概括過程。在實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，要注意讓學(xué)生在教師引導(dǎo)下參與概念和規(guī)律的構(gòu)建過程，讓學(xué)生親自做實(shí)驗(yàn)。體驗(yàn)、揣摩、模擬，使學(xué)生知其然也知其所以然。例如，在“自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律”、“探究彈力與形變量的關(guān)系”等實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師就要特別注重實(shí)驗(yàn)中對(duì)“科學(xué)方法”和“探究過程”的設(shè)計(jì)，提出充分的探究機(jī)會(huì)，讓學(xué)生“在做中學(xué)”。

4.簡(jiǎn)單性原則

無論是探索某個(gè)現(xiàn)象，還是驗(yàn)證某個(gè)規(guī)律，實(shí)驗(yàn)?zāi)康膽?yīng)盡可能明確，器材方法應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。在實(shí)驗(yàn)器材上使實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)潔，通常有兩種方式：采用現(xiàn)代化設(shè)備或是利用日常用品做實(shí)驗(yàn)，尤其是變廢為寶。如用損壞的卡口白熾燈泡，去掉玻璃泡，在兩根粗金屬絲上加上錫箔，稍加改造，便可制成驗(yàn)電器。

5.主體性原則

物理實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體參與性。沒有學(xué)生的主體參與就沒有實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的產(chǎn)生?，F(xiàn)代教育理論認(rèn)為，“學(xué)生是主體，教師是主導(dǎo)”。學(xué)生的主體參與程度決定教學(xué)的質(zhì)量。在實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，教師應(yīng)做到引導(dǎo)學(xué)生建立正確的物理思維方法、幫助學(xué)生掌握正確的實(shí)驗(yàn)操作技能、引導(dǎo)學(xué)生提出深層次的問題并加以討論，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)部動(dòng)機(jī)，激發(fā)學(xué)生的探究興趣和欲望。教師還應(yīng)做到在實(shí)驗(yàn)探究過程中給學(xué)生留有充分的時(shí)間和空間，讓學(xué)生敢于提出與眾不同的設(shè)計(jì)方案，使學(xué)生積極和有效地參與到實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中，提高探究能力和創(chuàng)新能力。

物理學(xué)從本質(zhì)上說是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立都必須以嚴(yán)格的物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并受到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)除了應(yīng)遵循上述原則外，在方法上也有講究：

1.轉(zhuǎn)換法

物理實(shí)驗(yàn)中常常遇到一些實(shí)驗(yàn)效果不易觀察或不明顯的情況，就要借助于力、熱、聲、光、機(jī)械之間的相互轉(zhuǎn)換，達(dá)到容易觀察或效果明顯的目的。轉(zhuǎn)化的過程主要是依據(jù)等效的思想，也就是從效果相當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比如：彈簧秤將力的大小轉(zhuǎn)換為彈簧的伸長量來觀察。微小的壓強(qiáng)計(jì)是把壓強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為連通器兩邊液面差的變化來觀察。電流表、電壓表是把電流和電壓的大小轉(zhuǎn)化為指針的偏角來觀察。

2.對(duì)比法

人們要認(rèn)識(shí)事物、區(qū)別事物就必須掌握它們的特點(diǎn)，而特點(diǎn)主要是通過對(duì)比得出的。對(duì)比的方法也廣泛地應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中。比如：導(dǎo)出密度概念時(shí)，用同體積不同物質(zhì)的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。認(rèn)識(shí)電流周圍存在磁場(chǎng)時(shí)，把通電導(dǎo)體周圍磁針偏轉(zhuǎn)與磁鐵周圍磁針偏轉(zhuǎn)進(jìn)行對(duì)比。

3.控制變量法

控制變量法指研究幾個(gè)物理量之間的關(guān)系時(shí)，控制其他量不變，每次只研究兩個(gè)物理量之間的關(guān)系所采用的方法。比如：研究壓強(qiáng)與壓力和受力面積的關(guān)系?；瑒?dòng)摩擦力的大小與壓力大小和接觸面的粗糙關(guān)系，電流與電壓和電阻的關(guān)系。

4.放大法

利用擴(kuò)音器、幻燈機(jī)能把微小的聲音或圖象放大。物理實(shí)驗(yàn)中，對(duì)微小量的測(cè)量也常用放大的方法。

5.分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)物理規(guī)律

進(jìn)化論的奠基人達(dá)爾文說：“科學(xué)就是整理事實(shí)”分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)注意兩點(diǎn)：

一是實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的精度要受到測(cè)量儀器分度值的限制，測(cè)量結(jié)果不可能是絕對(duì)準(zhǔn)確的，誤差是不可避免的。為使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)盡量接近真實(shí)值，可以采用對(duì)每個(gè)物理量多測(cè)幾次，求其平均值。

二是要嚴(yán)肅認(rèn)真地對(duì)待每個(gè)實(shí)驗(yàn)，真正做到尊重事實(shí)，不隨便涂改數(shù)據(jù)。有的同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中盲目抄錄課本內(nèi)的實(shí)驗(yàn)表格，對(duì)實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)沒有完全記錄下來，到整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生了問題，無法檢查問題出于何處。

不僅研究物理規(guī)律時(shí)應(yīng)珍惜每一個(gè)原始數(shù)據(jù)，在一切科學(xué)研究工作中，原始材料都是最重要、最珍貴、最可靠的資料。歷史上由于觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與原來的計(jì)算結(jié)果不符而得出重大發(fā)現(xiàn)的事例是不少的，海王星和冥王星的發(fā)現(xiàn)就是這樣的例子。

如何發(fā)現(xiàn)隱藏于資料背后的自然規(guī)律，這確是一門高超的藝術(shù)。從實(shí)驗(yàn)和事實(shí)，只表明了事物的表面現(xiàn)象，而思維才能揭露事物的本質(zhì)。把事實(shí)和思維結(jié)合起來，是一切科學(xué)家共同具有的卓越才能，從現(xiàn)在起，我們就要有意識(shí)地培養(yǎng)這種能力，養(yǎng)成善于總結(jié)，善于分析的習(xí)慣，以便將來在龐雜紛繁的自然大漠中，吹盡狂沙，尋到真金。