高中物理實驗有效教學(xué)的思考和實踐

林達(dá)彬

摘 要：實驗是物理學(xué)科的基礎(chǔ)，加強物理實驗教學(xué)是提升物理教學(xué)質(zhì)量、提升學(xué)生學(xué)科能力素養(yǎng)的重要一環(huán)，但平時教學(xué)發(fā)現(xiàn)，高中物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀卻不容樂觀，存在不少低效甚至無效的實驗教學(xué)現(xiàn)象，本文從“演示實驗的改進(jìn)、探究實驗的落實、實驗試題的開發(fā)”等幾個方面闡述提升高中物理實驗有效教學(xué)的途徑，希望從這幾個方面入手進(jìn)行摸索，不斷提升物理實驗教學(xué)的有效性，從而在物理實驗教學(xué)中真正培養(yǎng)學(xué)生的思維和能力。

關(guān)鍵詞：高中物理；實驗；有效教學(xué)；思考和探索

中學(xué)物理課程目標(biāo)明確指出：“中學(xué)物理教學(xué)要注意培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作技能、思維能力以及運用科學(xué)原理和科學(xué)研究方法解決物理問題的能力。”在物理教學(xué)中讓學(xué)生“動手動腦相結(jié)合，探究感悟相結(jié)合”，使學(xué)生能夠主動地獲取物理知識和發(fā)展能力，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)品質(zhì)和世界觀的形成[1]。中學(xué)物理教學(xué)以觀察、實驗為基礎(chǔ)早已成為物理教育領(lǐng)域的共識，但是在應(yīng)試教育影響下，黑板上講實驗、習(xí)題中做實驗的現(xiàn)象普遍存在，中學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀堪憂，這對物理教育產(chǎn)生了極大的負(fù)面影響，許多實驗教學(xué)方式是低效的，甚至無效。長此以往，不僅學(xué)生不會做實驗，許多物理教師也逐漸喪失設(shè)計實驗、開展實驗教學(xué)的能力。如何才能扭轉(zhuǎn)目前物理實驗教學(xué)的低效局面，提高高中物理實驗教學(xué)的有效性呢？經(jīng)過不斷的探索發(fā)現(xiàn)，可以從演示實驗的改進(jìn)、學(xué)生實驗的挖掘、實驗習(xí)題的開發(fā)等幾個方面聯(lián)合入手，同步推進(jìn)，以真正發(fā)揮實驗教學(xué)應(yīng)有的功能，提出如下優(yōu)化高中物理實驗教學(xué)的幾點思考和實踐。

1 演示實驗的改進(jìn)

1.1 對教材上演示實驗的加工和處理

實驗是物理課的靈魂，實驗演示能為學(xué)生的物理學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)良好的心境，通過演示實驗?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和作風(fēng)，有利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的形成，能具體形象地展示物理知識的形成和發(fā)展過程。

案例一、《自由落體運動》這一課是學(xué)生已經(jīng)學(xué)會了勻變速直線運動的基本規(guī)律和研究方法后的一節(jié)實例課，對《自由落體運動》這節(jié)的實驗設(shè)計時，一般有以下幾種做法：

一是利用打點計時器、紙帶以及重物進(jìn)行學(xué)生分組實驗研究，首先判定該運動是勻加速直線運動，再根據(jù)Δh =gT2算出自由落體加速度。二是利用頻閃照片引導(dǎo)學(xué)生通過數(shù)據(jù)計算分析得出自由落體運動的規(guī)律。三是利用傳感器記錄物體的速度，繪制速度圖像，分析圖像自由落體運動的規(guī)律。

這些讓學(xué)生進(jìn)行分組探究的活動一般要花掉很多時間。教材中有一幅伽利略“沖淡重力”實驗的插圖，我們?nèi)粲晌锢韺W(xué)史出發(fā)，再現(xiàn) “經(jīng)典實驗”，讓學(xué)生除了掌握自由落體運動的規(guī)律外，還能體會伽利略研究自由落體運動的思路和方法[2]。

為了模擬伽利略的實驗，我們利用斜面軌道、節(jié)拍器、小鐵球做模擬“沖淡重力”實驗，粗略發(fā)現(xiàn)了s∝t2的重要規(guī)律。這個課本演示實驗的簡單再現(xiàn)把課本中一個插圖如圖1的靜態(tài)信息激活了，學(xué)生的學(xué)習(xí)始終處于積極思考的過程中，認(rèn)知水平得到深化，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情?？梢?，通過對教材上的演示實驗進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ず吞幚恚唵蔚难菔疽部梢缘玫胶芎玫慕虒W(xué)效果。

1.2 巧設(shè)隨堂演示實驗

高中學(xué)生思維敏捷，對一切新生事物充滿好奇，探秘欲望強烈。教學(xué)過程中教師應(yīng)充分利用這個積極的心理因素，創(chuàng)造條件，有機結(jié)合教材內(nèi)容，巧妙安排現(xiàn)象顯著、趣味性強的演示實驗，學(xué)生興意盎然，輕松愉快，課堂效率立竿見影。

例1：在《光的全反射》一課教學(xué)中，可以設(shè)計如下演示實驗：如圖2，在桌子上放著一枚硬幣，取一個盛滿水的玻璃杯，把玻璃杯壓在硬幣上，這時請學(xué)生從杯子的側(cè)面看去，發(fā)現(xiàn)硬幣不見了。誰也沒有把它拿走，但是從杯口向下望的時侯，硬幣還好好的放在那里。然后趁學(xué)生不注意的時候，給玻璃杯底沾上一些水。再請學(xué)生來觀察，這時一定會驚奇地發(fā)現(xiàn)，透過玻璃杯的側(cè)壁，總能看到一個閃亮的硬幣。假如你不說出這個秘密，恐怕誰也沒有辦法再讓硬幣消失！簡單神奇的實驗一下子激起了學(xué)生學(xué)習(xí)光的全反射的熱情。

例2：再如《楞次定律》一課：如圖3，各取一根長1m左右的空心鋁管和塑料管，各拿一塊強磁鐵，分別從兩管的上端釋放，比較這兩塊磁鐵在管中的下落時間。實驗發(fā)現(xiàn)通過空心鋁管的磁鐵“非常緩慢”地穿過，而通過塑料管的磁鐵則瞬間通過，學(xué)生感到非常驚訝！設(shè)疑激趣的實驗效果非常震撼！

2 挖掘?qū)W生實驗中的探究功能

案例：在《楞次定律》一課教學(xué)中，課堂演示實驗和學(xué)生探究實驗是必不可少的。首先要讓學(xué)生感到感應(yīng)電流的方向存在某種規(guī)律?？梢蕴岢鱿铝袉栴}：（1）感應(yīng)電流的方向可能與哪些因素有關(guān)；（2）實驗要記錄哪些數(shù)據(jù)？怎樣設(shè)計記錄數(shù)據(jù)的表格？學(xué)生實驗后，積累了一些有用的素材后再提問：①能否用自己的語言總結(jié)一下實驗的現(xiàn)象或規(guī)律？（學(xué)生總感覺總結(jié)規(guī)律很難）；②如果將感應(yīng)電流的磁場方向標(biāo)出來，你能否用自己的語言總結(jié)實驗結(jié)果[3]？

學(xué)生在探究過程中始終面臨未知的問題，在教師適當(dāng)?shù)膯栴}情境設(shè)置下，就能在發(fā)現(xiàn)的道路中自由行走，這種學(xué)習(xí)過程充滿趣味。

3 改驗證性實驗為探究性實驗

案例：驗證動量守恒定律。傳統(tǒng)做法是對動量守恒定律進(jìn)行實驗驗證，本實驗可以大膽地改為探究性實驗。

（1）問題提出：在各種形式碰撞現(xiàn)象中，有沒有隱含著什么樣的共同規(guī)律呢？

問題引導(dǎo)：力對物體作用后，會引起哪些物理量發(fā)生變化？速度v、動能■mv2、動量mv……

（2）引導(dǎo)：物體之間相互作用后，相互之間有沒有可能在“傳遞”或者“交換”某種東西，而使系統(tǒng)存在某一個不變量呢？如果有的話，這種東西是什么呢？是速度？是動能？是動量？……

（3）猜想：（1）相互碰撞前后，每個物體的速度都發(fā)生變化，但有可能總的速度不變，即v1+v2=v1′+v2′；（2）相互碰撞前后，每個物體的動能都發(fā)生變化，但有可能總的動能不變，即■m1v12+■m2v22=■m1v1′2+■m2v2′2；（3）相互碰撞前后，每個物體的動量都發(fā)生變化，但有可能總的動量不變，即m1v1+m2v2= m1v1′+m2v2′……

（4）實驗方案探討：設(shè)計探究上述猜想正確與否的實驗方案，實驗中最困難的是對碰撞前后速度的測量。怎樣解決速度測量的問題？（從學(xué)過的知識入手進(jìn)行思考），可對速度進(jìn)行間接測量，可行的方法有：打點計時器；擺球在豎直面運動時機械能守恒：測高度h，求速度v；平拋運動：測下落高度h，水平位移s，求速度v；利用氣墊導(dǎo)軌，對做勻速運動的物體，測位移s和時間t，可求得速度v……（課堂上提供氣墊導(dǎo)軌讓學(xué)生進(jìn)行實驗研究）。分四小組進(jìn)行研究，各自研究不同的碰撞類型，以尋找共同隱含的規(guī)律。小組一：完成非完全彈性碰撞的研究；小組二：完成爆炸分離的研究；小組三：完成完全彈性碰撞的研究；小組四：完成完全非彈性碰撞的研究。

（5）結(jié)果：（1）有的小組關(guān)于碰撞前后兩物體的速度之和不變的猜想不成立；（2）有的小組關(guān)于碰撞前后兩物體的動能之和不變的猜想成立；（3）有的小組關(guān)于碰撞前后兩物體的動能之和不變的猜想不成立；（4）各小組關(guān)于碰撞前后兩物體的動量之和不變的猜想均成立。

通過探究性實驗教學(xué)能讓學(xué)生親自經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，讓學(xué)生主動參與整個學(xué)習(xí)過程，包括解決問題、決策、小組討論、評價等過程，將已有的知識應(yīng)用到未知的領(lǐng)域，對學(xué)生學(xué)習(xí)力的影響將是終生的。

4 加強實驗習(xí)題的開發(fā)和拓展

高考物理的能力要求之一是實驗?zāi)芰ΑＴ谄綍r實驗教學(xué)中，要重視對實驗習(xí)題的開發(fā)和拓展，通過創(chuàng)新實驗試題有效提升學(xué)生實驗?zāi)芰Α?/p>

例1 多用電表歐姆檔的改造——改為電子溫度計，設(shè)計如下：

某同學(xué)利用滿偏電流為500μA的電流表、熱敏電阻等制作電子溫度計。

（1）制作的實驗過程中需要測出該電流表 的內(nèi)阻Rg，所用的電路如圖4，主要步驟是：①接通開關(guān)S1，調(diào)節(jié)變阻器R1，使 指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度；②保持R1不變，再接通開關(guān)S2，調(diào)節(jié)電阻箱R2，使 指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的一半，讀出此時R2的阻值為299.0 Ω，可認(rèn)為Rg=R2。實驗時，圖4電路中的變阻器R1和電源有下列器材可供選擇：

A.變阻器（0～200 Ω）

B.變阻器（0～20 k Ω）

C.電源（1.5 V，內(nèi)阻不計）

D.電源（9 V，內(nèi)阻不計）

為了使測量Rg盡量精確，R1應(yīng)選 ，電源應(yīng)選 。（填選項前的字母）

（2）溫度在0～300范圍內(nèi)，某熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t（℃）的變化情況為Rt=200+50t（Ω），把這個熱敏電阻、標(biāo)準(zhǔn)定值電阻、電池、開關(guān)與電流表 串聯(lián)起來，電路如圖5，電流表 的表盤如圖6。用該熱敏電阻作探頭，將 表盤上的電流刻度值改成對應(yīng)的溫度值，就制作成簡單的電子溫度計。已知電池的電動勢E=1.5V，內(nèi)阻r=1.0 Ω，標(biāo)準(zhǔn)定值電阻的阻值R0=2500 Ω，根據(jù)（1）中測得的Rg值和閉合電路歐姆定律，得出電流表 表盤上500μA刻度處對應(yīng)的溫度刻度值是0℃，300μA刻度處對應(yīng)的溫度刻度值是 ℃。

（3）由于用圖4電路測定電流表 的內(nèi)阻Rg在原理上存在一定的系統(tǒng)誤差，因而制作的電子溫度計在測量溫度時，測量值比真實值 （填“偏大”或“偏小”）。

[答案：（1）B、D （2）40 （3）偏大]

設(shè)計說明：本題以某同學(xué)利用電流表、熱敏電阻等制作電子溫度計為試題情境，要求考生能理解有關(guān)實驗原理和方法，能控制實驗條件，能運用已學(xué)過的相關(guān)物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，對實驗結(jié)論能進(jìn)行分析和評價，本題主要考查考試大綱中要求的實驗?zāi)芰χ械妮^高部分。

第（1）題要求考生正確選擇電源和變阻器，主要考查對測量電流表內(nèi)阻的實驗原理和方法的理解，正確控制實驗條件。第（2）題要求考生根據(jù)某熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，將這個熱敏電阻與電流表、電池、開關(guān)串聯(lián)起來，用該熱敏電阻作探頭，將電流表表盤的電流刻度改成對應(yīng)的溫度，制作簡單的電子溫度計。考查運用已學(xué)過的閉合電路歐姆定律，多用電表（歐姆表）的原理和實驗方法，處理新的問題的能力。第（3）題要求考生根據(jù)測定電流表內(nèi)阻的系統(tǒng)誤差，分析制作的電子溫度計在測量溫度時的誤差。

實驗?zāi)芰υ诟呖嘉锢碇幸恢闭加邢喈?dāng)重要的地位?！犊荚嚧缶V》把實驗?zāi)芰ψ鳛橐豁椏己四芰Γ瑢嶒烆}在高考物理中所占比例約為13%，表明了對實驗?zāi)芰疾榈闹匾?。該實驗題的命題在兩個方面做了探索，一是打破教材的限制，利用考試大綱和課程標(biāo)準(zhǔn)中所列實驗的原理、方法和器材重新組合新的實驗；二是把實驗的考查重點放在學(xué)生對考試大綱規(guī)定的實驗器材、測量的原理方法、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論獲取的方法的理解上，鑒別考生獨立地解決新問題的能力、“遷移”能力。

例2 電橋平衡測電阻的改造——用非電橋平衡測電阻。設(shè)計如下：

某實驗小組利用如下器材粗測電壓表的內(nèi)阻RV：

一個待測電壓表V，兩個已知阻值的固定電阻R1、R2，一個電阻箱R，電源E（內(nèi)阻很小）、一個靈敏電流計G、開關(guān)S、導(dǎo)線若干。

（1）該小組設(shè)計的實驗如圖7，實驗方法如下：

連接好電路，閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱的電阻，直到靈敏電流計G的讀數(shù)為零，記下此時電阻箱的讀數(shù)為R0，則待測電壓表的內(nèi)阻RV=______。

（2）該小組進(jìn)一步研究若不提供靈敏電流計G，如何測量RV。改進(jìn)的實驗方法如下：取固定電阻R1=400Ω，R2=550Ω，電源電動勢E=1.5V。實驗電路改為如圖8，實驗步驟如下：

步驟一、斷開開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱電阻R從100-900Ω變化，記錄下電壓表對應(yīng)的讀數(shù)U1，如表1所示；步驟二、閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)電阻箱電阻R從100-900Ω變化，記錄下電壓表對應(yīng)的讀數(shù)U2，如表1所示；步驟三、在坐標(biāo)紙上并分別做出S斷開和閉合時的U～R圖像。

根據(jù)以上步驟，完成下列問題：

①如圖9，S斷開時的U～R圖像a已畫好，請根據(jù)表格數(shù)據(jù)在圖10上畫出S閉合時的U～R圖像b；

②根據(jù)a、b兩條圖線可知，開關(guān)S閉合時，當(dāng)R約為________Ω，開關(guān)S無電流通過；

③ 測得的RV約為________Ω。（保留三位有效數(shù)字）

[答案：（1）■ （2）①如圖10 ②210～240 ③288～330]

對實驗試題的開發(fā)和拓展提升學(xué)生的解題能力。適當(dāng)?shù)牧?xí)題訓(xùn)練是幫助學(xué)生理解鞏固物理知識的重要手段之一。學(xué)生碰到有創(chuàng)新性的問題往往無從下手。其主要原因是平時教學(xué)缺少對傳統(tǒng)問題的深入思考，疏于拓展，缺少聯(lián)想，不會靈活運用已有知識。通過探究性實驗試題的設(shè)計、分析，能幫助學(xué)生建立起清晰的實驗設(shè)計思路，有利于克服片面性，提升解題能力。

5 實驗探究活動的課外延伸

案例：在學(xué)完《自由落體運動》一節(jié)后，學(xué)生理解了在無阻力情況下物體下落的規(guī)律。但實際物體下落過程中是會受到一定的阻力的，那么如何利用這一“阻力”呢？我給一個課題讓學(xué)生思考：如何讓雞蛋從高空下落到地面又完好無損呢？并組織進(jìn)行了一次高空落蛋比賽。學(xué)生的設(shè)計除了給雞蛋做種種的保護(hù)措施外，還從如何增大下落過程中的阻力做文章，設(shè)計五花八門，創(chuàng)意無限，通過活動把課堂的學(xué)習(xí)延伸到課外，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情。

物理實驗是物理教學(xué)的根基，加強學(xué)生實驗意識教育，加強學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生踏踏實實完成好每一個實驗，不斷改進(jìn)物理實驗教學(xué)的方式方法，追求實驗教學(xué)效果的最優(yōu)化，提升物理實驗教學(xué)的有效性，這樣既能開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，又能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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