初中物理問題儀器的處理方式及教學(xué)探討

黃葛鴻

摘 ? 要：儀器本身帶來的系統(tǒng)誤差雖然給教學(xué)活動帶來一定的困擾，但如果能利用好，其可取到較好的效果。如：在測量液體密度實驗中，個別量筒存在“調(diào)零”的問題，對實驗測量結(jié)果造成較大影響。教師在量筒存在問題的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)實驗引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行二次實驗教學(xué)。從校準(zhǔn)量筒，至提出實驗改進(jìn)方案，實現(xiàn)減小實驗測量誤差。學(xué)生從發(fā)現(xiàn)問題、研究方案、改進(jìn)實驗、應(yīng)用課堂的二次實驗，最終提高學(xué)生實驗研究的能力。

關(guān)鍵詞：儀器問題;二次實驗;測量液體密度;實驗方案改進(jìn);科學(xué)素養(yǎng)

在測量液體密度實驗教學(xué)中，由于少數(shù)量筒示數(shù)的不準(zhǔn)確，學(xué)生測量鹽水的密度誤差變大。如圖1所示，量筒放置在電子秤上質(zhì)量為91.0g（圖a）;往量筒中倒入自來水（為了觀看效果，水中滴入紅色墨水）至10ml的位置（圖b），電子秤示數(shù)為98.5g;繼續(xù)倒水至20ml的位置（圖c），電子秤的示數(shù)為107.9g;倒水至30ml的位置（圖d），電子秤示數(shù)為117.7g。前10ml液體的體積測量不準(zhǔn)確是本次實驗誤差的其中一個原因。基于此，筆者將量筒的這種現(xiàn)象定義為量筒制作時沒有認(rèn)真“調(diào)零”。學(xué)生所測量的實驗數(shù)據(jù)由于儀器問題而帶來的錯誤對學(xué)生各方面造成的負(fù)面影響較大。那么我們是將該類型的量筒直接換用還是另有用途呢？

“ ‘二次實驗法”在生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用”[ 1 ]一文中指出，學(xué)生在經(jīng)歷整個實驗探究過程中，發(fā)現(xiàn)實驗測量結(jié)果存在誤差或不足，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行改進(jìn)再次實驗，可培養(yǎng)學(xué)生的各項綜合能力。在科學(xué)研究的過程中難免會遇到一些意想不到的意外，學(xué)生采用科學(xué)的研究方法分析和解決意外是其往后科研道路的必備品質(zhì)。筆者認(rèn)為，在本次量筒的意外事件中，雖然直接給學(xué)生換一個精度更高的量筒即可順利完成本節(jié)課的教學(xué)，達(dá)到科學(xué)探究的方法的滲透。但是學(xué)生僅僅掌握一種方法而在具體突發(fā)事件中未及時運(yùn)用，難免有些紙上談兵。杜威認(rèn)為科學(xué)是一種方法的訓(xùn)練，教育的目的隨著生活的生長而生長[ 2 ]。因此，一節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)并不是不變的，它應(yīng)該是隨著課堂教學(xué)的成長而成長出的新的目的。故筆者認(rèn)為可否在儀器誤差的出現(xiàn)后，引導(dǎo)學(xué)生尋找問題進(jìn)行二次探究，能夠提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。經(jīng)課堂的教學(xué)實踐研究，筆者以人教版初中物理實驗“測量鹽水的密度” 為例，介紹如何借助量筒本身設(shè)計的缺陷，改進(jìn)實驗探究環(huán)節(jié)，深入二次實驗探究。學(xué)生親自參與至實驗，實驗?zāi)芰Σ拍軌虻靡蕴嵘?，最終落實課程標(biāo)準(zhǔn)，提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)[ 3 ]。

1 ?反思數(shù)據(jù) 發(fā)現(xiàn)問題

1.1 ?實驗器材

量筒（10ml～100ml），學(xué)生天平，燒杯（100ml），鹽水（80ml）。

1.2 ?誤差的發(fā)現(xiàn)

依據(jù)教材設(shè)計[ 4 ]，學(xué)生通過計算得出鹽水密度。部分小組在0.6g/cm3～0.9g/cm3之間，部分小組在1g/cm3左右，引導(dǎo)學(xué)生自我反思：質(zhì)量測量、鹽水體積測量、數(shù)據(jù)處理、計算結(jié)果四個方面是否有誤。

1.3 ?交流與合作

總結(jié)小組數(shù)據(jù)并展示，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)質(zhì)量與體積變化的數(shù)量上相差較大。思考天平及量筒是否存在問題，提出儀器的檢驗措施。

2 ?研究問題 合理改進(jìn)

學(xué)生分組探究，將物理知識應(yīng)用到儀器的檢驗中，實現(xiàn)學(xué)以致用，提升學(xué)生綜合應(yīng)用能力。

2.1 ?實驗器材

量筒（10ml～100ml），學(xué)生天平，燒杯（100ml），水（80ml），膠頭滴管，電子秤。

2.2 ?天平的檢驗

引導(dǎo)學(xué)生用天平和電子秤分別測量相同的燒杯。質(zhì)量相同，說明非天平質(zhì)量問題。

2.3 ?量筒的檢驗

提出兩種檢驗方案，學(xué)生分兩個部分，各采取一種方案進(jìn)行檢驗，得出相應(yīng)結(jié)論。

（1）增加相同質(zhì)量，比較體積。實驗方案一：

①將量筒放置在電子秤上，用電子秤稱量其質(zhì)量;

②將量筒放置在電子秤上，往量筒中加水并用膠頭滴管調(diào)整至水的質(zhì)量增加10g;

③讀出量筒中水的體積，求出增加水的體積;

④重復(fù)②③兩個步驟3次。

結(jié)論一：第一次量筒中水的體積大于10ml，后面每次水的體積均增加10ml。

（2）增加相同的體積，比較質(zhì)量。實驗方案二：

①將量筒放置在電子秤上，用電子秤稱量其質(zhì)量;

②往量筒中加水至10ml刻線處，用電子秤稱量量筒和水的總質(zhì)量;

③逐次增加10ml水，并測出每次增加水的質(zhì)量。

結(jié)論二：第一次加入10ml的水，增加的質(zhì)量小于10g，后每次均增加10g。

總結(jié)：實驗測量數(shù)據(jù)錯誤原因在于量筒的缺陷，量筒在10ml刻度線以下體積測量不準(zhǔn)確，量筒刻度線在10ml～100ml范圍內(nèi)測量準(zhǔn)確。量筒的此種現(xiàn)象可定義為量筒未“調(diào)零”。

2.4 ?提出改進(jìn)思路

根據(jù)以上結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生得出改進(jìn)方式。即進(jìn)行精確測量液體的密度條件為量筒中預(yù)先裝入超過10ml的液體，數(shù)據(jù)記錄表格（以測量水的密度為例）見表1。

表1 ?測量水的密度數(shù)據(jù)記錄改進(jìn)表格

2.5 ?教師演示，指明方向

教師演示實驗“用電子秤測量水的密度”，師生共同驗證實驗方案的可行性。明確整個探究環(huán)節(jié)，強(qiáng)化學(xué)生的實驗探究能力，為學(xué)生分組實驗做好技術(shù)性引導(dǎo)。

3 ?應(yīng)用改進(jìn) 及時提升

學(xué)生分組探究，依據(jù)改進(jìn)方案重新實驗。提高實驗探究的嚴(yán)謹(jǐn)性，減小實驗誤差，訓(xùn)練科學(xué)探究思維。

3.1 ?實驗器材

量筒（10ml～100ml），學(xué)生天平，燒杯（100ml），鹽水（80ml）。

3.2 ?設(shè)計實驗

改進(jìn)方案重新設(shè)計實驗測量鹽水密度[ 5 ]。設(shè)計實驗步驟及數(shù)據(jù)記錄表格。實驗步驟如下：

① 量筒中倒入部分鹽水，體積為V1;

② 測量燒杯和鹽水的總質(zhì)量m1;

③ 將燒杯中的鹽水部分倒入量筒中，讀出量筒中鹽水的總體積V2;

④ 測量燒杯和剩余鹽水質(zhì)量m2;

⑤ 根據(jù)公式ρ=（m1-m2）/（V2-V1）求出鹽水密度。

3.3 ?學(xué)生數(shù)據(jù)分析

依據(jù)以上步驟，學(xué)生實驗測量的數(shù)據(jù)結(jié)果（選取兩組）見表2。

表2 ?學(xué)生測量鹽水的密度數(shù)據(jù)

經(jīng)改進(jìn)，班級學(xué)生共24個小組，其中18組數(shù)據(jù)在0.95-1.03之間，6組數(shù)據(jù)0.8-0.94之間。實驗結(jié)果表明，在誤差允許范圍內(nèi)，大部分學(xué)生的實驗測量結(jié)果更加接近真實數(shù)據(jù)，故改進(jìn)的實驗方案能提升實驗測量結(jié)果的精確率，減小實驗的測量誤差。

4 ?結(jié)語

改進(jìn)的實驗研究過程，實驗環(huán)節(jié)變多，需要記錄的實驗數(shù)據(jù)增多，對學(xué)生的數(shù)據(jù)分析以及實驗誤差的分析和儀器的綜合應(yīng)用能力要求較高。部分學(xué)生在完成整個完整探究過程存在一定的難度，對學(xué)生探究能力提出更高要求。學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、反思、交流、研究、改進(jìn)、應(yīng)用、提升完整的實驗研究過程，在分析儀器問題和解決問題過程中運(yùn)用科學(xué)的研究的方法，提高了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。本次測量實驗，經(jīng)歷科學(xué)研究從發(fā)現(xiàn)到問題解決再到應(yīng)用過程，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)研究方法，提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙靜，李滿，紅尹爽.“二次實驗法”在生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 教學(xué)與管理，2015（7）：55-56.

[2]陳峰津.杜威教育思想與教育理論[M].福州：福建教育出版社，2015：72-94.

[3]周 巖. 6種版本教材編排“測量物體的密度”內(nèi)容的比較[J].實驗教學(xué)與儀器，2016（4）10-12.

[4]彭前程.義務(wù)教育教科書物理八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：118.

[5]陳菊清. 利用天平和量筒測量鹽水密度的誤差分析[J].中小學(xué)實驗與裝備，2017，27（4）：6-8.