回歸學(xué)科本源 反思實(shí)驗(yàn)教學(xué)

楊軍

[摘 要]根據(jù)《上海市中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)（試行稿）》，結(jié)合《上海市高中物理學(xué)科教學(xué)基本要求（試驗(yàn)本）》，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的窘迫現(xiàn)狀、演示實(shí)驗(yàn)的傳承作用、學(xué)生實(shí)驗(yàn)的能力培養(yǎng)、 DIS實(shí)驗(yàn)的科技前瞻等幾個(gè)方面入手，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出改進(jìn)的建議，并在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行積極嘗試和總結(jié)，旨在使學(xué)生能夠從物理實(shí)驗(yàn)中得到更多的思維鍛煉和能力培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]物理；實(shí)驗(yàn)；高考新政

中學(xué)物理是物理學(xué)的一部分，物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用及最一般規(guī)律的學(xué)科，它是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。幾乎所有的物理概念、物理規(guī)律都來(lái)源于實(shí)驗(yàn)，同時(shí)又被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)后才能成立。要學(xué)好物理必須做好實(shí)驗(yàn)，要教好物理必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

一、高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的窘迫現(xiàn)狀

在高中的各門基礎(chǔ)課程中，物理課在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、思維品質(zhì)與創(chuàng)新能力方面具有重要意義，而物理實(shí)驗(yàn)課更是在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)方面發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。但是隨著高考新政的實(shí)施，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)陷入了十分窘迫的境況。一方面，高考新政正在逐漸扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)教育導(dǎo)致的弊端和唯分?jǐn)?shù)論的人才培養(yǎng)觀，并試圖減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)壓力；另一方面，考試與評(píng)價(jià)方式的改變（如物理實(shí)驗(yàn)技能的考查不計(jì)入任何高校招生分?jǐn)?shù)），以及課時(shí)的大幅度削減，也使一些學(xué)生和家長(zhǎng)，甚至包括一些教育界的領(lǐng)導(dǎo)和教師對(duì)物理的態(tài)度發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變，走向了另一個(gè)極端，認(rèn)為物理不再重要了，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課的忽視則更加嚴(yán)重。面對(duì)這樣的局面，需要重新思考物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意義，與時(shí)俱進(jìn)，探索通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的新途徑。

二、發(fā)揮物理演示實(shí)驗(yàn)的傳承作用

演示實(shí)驗(yàn)最主要的功能是傳承，通過(guò)示范和學(xué)習(xí)，把最基本的物理思想和科學(xué)方法傳遞給學(xué)生。但物理演示實(shí)驗(yàn)不應(yīng)只傳承其方法，還應(yīng)傳承其精神。很多經(jīng)典實(shí)驗(yàn)至今仍舊閃耀著智慧的光芒，在友善地喚醒學(xué)生的科技意識(shí)，照亮一代又一代青年學(xué)子攀登科學(xué)高峰的長(zhǎng)路。但物理課本上的多數(shù)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，從方法到過(guò)程、從儀器到裝置、從數(shù)據(jù)到結(jié)論、從圖像到公式等都太圓滿無(wú)缺了，使人覺(jué)得科學(xué)家只要靈光一現(xiàn)便會(huì)誕生一個(gè)偉大的定律，久而久之，物理學(xué)家便被集體神話了，那些在實(shí)驗(yàn)中所經(jīng)歷的茫然無(wú)措的摸索、單調(diào)枯燥的重復(fù)、一次又一次的失敗都被忽略了。因此，在實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有必要根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容，拓展介紹物理學(xué)史，使學(xué)生了解每一個(gè)成功實(shí)驗(yàn)背后真實(shí)的演變過(guò)程以及科學(xué)家所歷經(jīng)的千難萬(wàn)苦，在此基礎(chǔ)上再通過(guò)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的演示和學(xué)習(xí)，逐漸滲透物理思想和方法，把物理實(shí)驗(yàn)的精髓傳承下去。

以伽利略研究勻加速直線運(yùn)動(dòng)的羊皮紙實(shí)驗(yàn)為例。伽利略一開(kāi)始在斜面上做實(shí)驗(yàn)，后來(lái)改為斜槽，斜槽不光滑，最后才想出貼羊皮紙的辦法，讓實(shí)心銅球從斜槽上滾下。當(dāng)時(shí)尚無(wú)鐘表，無(wú)法精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，為解決這一問(wèn)題，他先是以自己的脈搏計(jì)時(shí)，結(jié)果不理想；后來(lái)又改為用音樂(lè)的節(jié)拍，還是不行；最后才想出一個(gè)“水鐘”的記時(shí)法。即用一個(gè)較大的容器穩(wěn)定地滴水，不斷用天平稱量水的質(zhì)量來(lái)計(jì)算時(shí)間，測(cè)出銅球在斜槽上的位置與時(shí)刻，不斷改變斜槽的角度，反復(fù)實(shí)驗(yàn)上百次，最終才得出結(jié)論：物體沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)，這種科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法直到現(xiàn)在仍然在物理研究中被廣泛應(yīng)用。

每一個(gè)規(guī)律的得來(lái)都是科學(xué)家千錘百煉的結(jié)果，演示實(shí)驗(yàn)更是要遵循這個(gè)事實(shí)。并非所有的演示實(shí)驗(yàn)都一定要成功，有些實(shí)驗(yàn)受客觀因素影響較大，比如“摩擦起電實(shí)驗(yàn)”受天氣、溫度、空氣濕度的影響都很大，即便事先對(duì)電羽、橡膠棒、絲綢、毛皮等進(jìn)行了必要的烘干處理，如遇潮濕惡劣天氣也會(huì)使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，有時(shí)候甚至完全不能成功。這時(shí)一定要讓學(xué)生知道，實(shí)驗(yàn)失敗是很正常的，并與學(xué)生充分分析原因，再給學(xué)生播放一些事先錄制好的視頻或錄像資料。

當(dāng)涉及分子、原子等物理學(xué)的微觀領(lǐng)域，一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)如“粒子散射實(shí)驗(yàn)”等，無(wú)法在課堂上演示，也可以借助掛圖和教材把原理、器材、方法、步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等一一介紹給學(xué)生，使學(xué)生領(lǐng)略其中的物理思想。如果能輔以仿真實(shí)驗(yàn)課件，將會(huì)使效果更好。只有讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)了思想，掌握了方法，才能指導(dǎo)學(xué)生做好物理實(shí)驗(yàn)。

三、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/p>

學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究物理規(guī)律，要著重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、控制變量、嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范地觀察現(xiàn)象和記錄數(shù)據(jù)，建立不怕失敗的堅(jiān)定信念，發(fā)展去偽存真的辨析能力，磨煉研究意志，提高思維品質(zhì)。

例如，在“一定質(zhì)量的氣體溫度不變時(shí)壓強(qiáng)與體積關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)測(cè)得的六組P（壓強(qiáng)）、V（體積）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用計(jì)算機(jī)先畫出“P-V”圖像，但該圖像為雙曲線，無(wú)法直觀看出二者之間的比例關(guān)系。這時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生改變坐標(biāo)軸，畫“P-1/V”的圖象，通過(guò)計(jì)算機(jī)擬合可得到一條直線，這說(shuō)明P與1/V成正比，從而歸納出“一定質(zhì)量的氣體在溫度不變的條件下，壓強(qiáng)與體積成反比的結(jié)論”。理論上這根直線應(yīng)該通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，但幾乎所有的小組都沒(méi)有過(guò)原點(diǎn)。這時(shí)，可以讓學(xué)生充分討論，集思廣益，最后發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)時(shí)輸入的體積是通過(guò)注射器上的刻度得到的，并沒(méi)有包含連接注射器與壓強(qiáng)傳感器的小軟管的體積，直線在橫軸上的截距應(yīng)該就是小軟管中體積的倒數(shù)。把小軟管的體積減去后再重新輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)擬合出來(lái)的直線基本上都能過(guò)原點(diǎn)了。

為了在課時(shí)被削減的情況下，充分地上好實(shí)驗(yàn)課，教師們可以從以下幾方面進(jìn)行嘗試。一是采用單元教學(xué)法，把相關(guān)聯(lián)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組合成一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)；二是開(kāi)放學(xué)校實(shí)驗(yàn)室，事先分好組，充分利用課外活動(dòng)時(shí)間做實(shí)驗(yàn)；三是把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容同科技節(jié)等社團(tuán)活動(dòng)有機(jī)結(jié)合，既豐富多彩又學(xué)以致用；四是改變作業(yè)方式，把一些小實(shí)驗(yàn)以作業(yè)的方式布置給學(xué)生，讓學(xué)生以作品或?qū)嶒?yàn)報(bào)告的方式上交?？傊?，只要學(xué)生有興趣，辦法總是可以想出來(lái)的，時(shí)間也是可以擠出來(lái)的。

四、重視傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代科技的結(jié)合

最新的《上海市高中物理學(xué)科教學(xué)基本要求（試驗(yàn)本）》中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)中的DIS（Digital Information System，數(shù)字化信息系統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)數(shù)量有所減少，但課本中大多數(shù)演示實(shí)驗(yàn)仍然以DIS的形式出現(xiàn)，DIS引領(lǐng)物理實(shí)驗(yàn)新潮流的本質(zhì)沒(méi)有改變，這是因?yàn)槠鋼碛袀鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法比擬的強(qiáng)大的科技優(yōu)勢(shì)。

一是強(qiáng)大的物理圖像描繪功能。如驗(yàn)證牛頓第三定律的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)方法是用兩個(gè)彈簧秤來(lái)完成，學(xué)生的觀測(cè)在左邊的示數(shù)和右邊的示數(shù)之間來(lái)回往復(fù)，有時(shí)難免顧此失彼，觀測(cè)得不夠細(xì)致也不夠全面。如果用DIS實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，用兩個(gè)傳感器代替彈簧秤，作用力、反作用力的大小和方向等將實(shí)現(xiàn)同步詳盡記錄，這樣作用力和反作用力的關(guān)系就能一目了然了（見(jiàn)圖1）。同理，在學(xué)習(xí)“振動(dòng)和波”的時(shí)候，對(duì)于聲波的振動(dòng)圖像，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能依靠感覺(jué)記憶，稍縱即逝，難以準(zhǔn)確記錄。而利用聲傳感器記錄聲波振動(dòng)圖像，聲波音頻變化的大小（橫軸）和振幅強(qiáng)弱的變化過(guò)程（縱軸）可以非常直觀形象地呈現(xiàn)出來(lái)（見(jiàn)圖2）。

二是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與處理功能。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的主要工作是裝配儀器、規(guī)范操作、正確測(cè)量、精準(zhǔn)讀數(shù)、列表、描點(diǎn)、畫圖等具體事務(wù)，沒(méi)有空閑進(jìn)行推理想象，缺乏思維深度，從而影響了探究的效果。而DIS實(shí)驗(yàn)中，這些單調(diào)瑣碎的工作都由計(jì)算機(jī)代替了，把學(xué)生解放出來(lái)進(jìn)行推理判斷、誤差分析、修正和改良等。例如研究物體自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，研究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系等，可見(jiàn)DIS實(shí)驗(yàn)的效率優(yōu)勢(shì)。

三是高度的精確性與靈敏度。以 “電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的新課學(xué)習(xí)為例，學(xué)生們對(duì)于“導(dǎo)線切割地磁場(chǎng)磁感線是否能產(chǎn)生感應(yīng)電流”很感興趣，由于地磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電流很微弱，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中往往要興師動(dòng)眾，用幾十米的導(dǎo)線在室外進(jìn)行，調(diào)試很多次，才能使靈敏的電流計(jì)做出反應(yīng)。而DIS電流傳感器的靈敏度級(jí)別非常高，即使在室內(nèi)使用單匝線圈在地磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，也能清晰地捕捉并記錄感應(yīng)電流的變化。如用位移傳感器測(cè)教室的長(zhǎng)度時(shí)，可以精確到1厘米。

綜上所述，面臨新形勢(shì)，面對(duì)新挑戰(zhàn)，物理教師要把在物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)還給學(xué)生，引導(dǎo)他們積極探索、勇于創(chuàng)新，體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣，領(lǐng)悟物理實(shí)驗(yàn)的意義，在動(dòng)手動(dòng)腦中提升思維品質(zhì)和科學(xué)素養(yǎng)。這是學(xué)生全面發(fā)展的需要，更是社會(huì)發(fā)展的需要。

（責(zé)任編輯 郭向和）