學(xué)會反思在普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的體現(xiàn)

王美玉，袁乃榮，白彥魁

（河北師范大學(xué)a.物理學(xué)院；b.物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，石家莊 050024）

0 引言

普通物理實(shí)驗(yàn)是為物理學(xué)專業(yè)本科生開設(shè)的基礎(chǔ)性物理實(shí)驗(yàn)課程，分為普通物理實(shí)驗(yàn)一和二，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)等部分。其中普通物理實(shí)驗(yàn)一側(cè)重于基礎(chǔ)性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，普通物理實(shí)驗(yàn)二側(cè)重于綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠掌握基本的物理實(shí)驗(yàn)方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，訓(xùn)練學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)思維和分析能力。

最近，師范類專業(yè)認(rèn)證工作在我校展開，物理學(xué)是二級師范認(rèn)證專業(yè)。學(xué)會反思作為師范類專業(yè)認(rèn)證一級指標(biāo)“畢業(yè)要求”下的二級指標(biāo)“學(xué)會發(fā)展”中的一項(xiàng)，要求具有終身學(xué)習(xí)與職業(yè)發(fā)展意識，能適應(yīng)教育和時代發(fā)展需求，根據(jù)自身情況制定學(xué)習(xí)計(jì)劃和職業(yè)發(fā)展規(guī)劃；了解物理學(xué)科基礎(chǔ)教育改革動態(tài)及發(fā)展趨勢；具有一定的反思能力和實(shí)踐體驗(yàn)，能運(yùn)用批判性思維方法，能發(fā)現(xiàn)、分析及解決教育教學(xué)問題。具體分為3個方面：①樹立終身學(xué)習(xí)理念。了解物理學(xué)教師專業(yè)發(fā)展的核心內(nèi)容、發(fā)展階段與路徑方法，能根據(jù)自身情況制定學(xué)習(xí)計(jì)劃和發(fā)展規(guī)劃，形成專業(yè)發(fā)展意識，樹立終身學(xué)習(xí)理念。②了解教育教學(xué)趨勢。了解國內(nèi)外基礎(chǔ)教育課程改革動態(tài)和物理學(xué)科教育的發(fā)展趨勢。③積極反思實(shí)踐體驗(yàn)。初步掌握反思的方法和技能，通過收集信息進(jìn)行自我診斷，并進(jìn)行自我改進(jìn)。能運(yùn)用批判性思維方法，發(fā)現(xiàn)、分析及解決教育教學(xué)問題，具有積極的反思實(shí)踐體驗(yàn)。這其實(shí)對于教師教學(xué)，同樣具有意義。下面以“利用力敏傳感器測量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)”為例來談?wù)剬W(xué)會反思在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體體現(xiàn)。

進(jìn)行液體表面張力系數(shù)測定時，實(shí)驗(yàn)室使用上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司生產(chǎn)的FD-NST-I 型液體表面系數(shù)測定儀，采用基于力敏傳感器的拉脫法。該儀器傳感器靈敏度高，穩(wěn)定性好；測量誤差小，重復(fù)性好；有利于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握力敏傳感器的原理和方法，更有利于學(xué)生觀察整個拉脫過程及其現(xiàn)象。

1 實(shí)驗(yàn)原理

將一干凈干燥的金屬吊環(huán)掛在傳感器上，保持吊環(huán)水平，旋轉(zhuǎn)升降臺大螺帽，緩緩上升液面，當(dāng)?shù)醐h(huán)下沿部分完全浸入液面以下時，反方向轉(zhuǎn)動該螺帽，緩緩下降液面。當(dāng)?shù)醐h(huán)底部與液面平齊或略高時，由于液體表面張力的作用，吊環(huán)的內(nèi)、外壁會帶起一部分液體，吊環(huán)和液面間會形成一環(huán)形液膜。吊環(huán)臨界脫離液體時，液體表面張力為

式中：α為液體表面張力系數(shù)；D1、D2分別為吊環(huán)的內(nèi)徑和外徑。

由于力敏傳感器的輸出電壓一定范圍內(nèi)與外力成正比，即U ＝BF，B為傳感器靈敏度。實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行力敏傳感器定標(biāo)，求得傳感器靈敏度B，再測出吊環(huán)在即將拉脫液面時（F ＝mg ＋f）電壓表讀數(shù)U1，記錄拉脫后（F ＝mg）數(shù)字電壓表的讀數(shù)U2，代入式（1）得：可見，該實(shí)驗(yàn)的核心部分是要準(zhǔn)確測得U1和U2。

2 實(shí)驗(yàn)要求

該實(shí)驗(yàn)設(shè)置為3 學(xué)時，教師講解控制在30 min 以內(nèi)，要求學(xué)生在規(guī)定課時內(nèi)完成兩部分內(nèi)容：儀器的定標(biāo)；觀察拉脫法測液體表面張力的物理過程和現(xiàn)象，并進(jìn)行U1、U2的測量［1］。

講授該實(shí)驗(yàn)時，特別指出在拉脫法測液體表面張力時，吊環(huán)應(yīng)該保持水平，吊環(huán)的水平程度將會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。吊環(huán)偏差1°，測量結(jié)果引入的誤差為0.5%；偏差2°，引入的誤差為1.6%［2-3］。實(shí)驗(yàn)時，將潔凈吊環(huán)下沿部分浸入液面以下，緩慢降低液面，當(dāng)?shù)醐h(huán)下沿部分和液面相平時，繼續(xù)下降液面，注意觀察從液體中拉出液膜到液膜破裂的過程中，電壓表示數(shù)的變化情況。

3 學(xué)生對液體表面張力系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)反思

學(xué)生一般能在正常課時之內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量，要求學(xué)生在課下除了完成實(shí)驗(yàn)報告書寫外，還增加了課程反思，反思部分以書面形式完成，結(jié)合所做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以從以下幾方面來考慮：

①實(shí)驗(yàn)前個人預(yù)習(xí)情況；②實(shí)驗(yàn)課上的聽講情況；③個人實(shí)際操作過程中，使用儀器、記錄數(shù)據(jù)、有沒有和同學(xué)合作等情況，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)哪些困惑和問題需要解決；④實(shí)驗(yàn)課后，整理實(shí)驗(yàn)報告情況，對該實(shí)驗(yàn)的感受和建議等。

認(rèn)真翻閱學(xué)生的書面反思，對于課前預(yù)習(xí)，幾乎所有同學(xué)都能做到對教材中相關(guān)部分進(jìn)行口頭預(yù)習(xí)，一部分同學(xué)還會進(jìn)行預(yù)習(xí)報告的書寫。相應(yīng)地，提前做好預(yù)習(xí)工作的同學(xué)在課上能聽明白老師的理論講解，跟上老師的思路，解決自己在預(yù)習(xí)中存有的疑問。這些是上好實(shí)驗(yàn)課的一個重要前提。

在實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生大部分能按照實(shí)驗(yàn)要求，正確使用實(shí)驗(yàn)儀器，在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，記錄數(shù)據(jù)做到規(guī)范和實(shí)事求是，由于液膜拉斷前后瞬間的電壓值很難捕捉，所以采取2 人合作形式，1 人操作，1 人負(fù)責(zé)觀察電壓表變化和讀數(shù)，甚至利用手機(jī)中的錄像功能當(dāng)場錄制，課后可以根據(jù)需要播放觀看，可見學(xué)生遇到問題還是會積極主動想辦法，這很值得提倡。當(dāng)然，學(xué)生在反思中也提到實(shí)驗(yàn)過程中的一些困惑：

（1）傳感器定標(biāo)后將吊環(huán)掛在傳感器掛鉤上，很多實(shí)驗(yàn)儀器的電壓表顯示負(fù)值，這應(yīng)該是吊環(huán)的質(zhì)量比砝碼盤小的原因。那么實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在小于0 的范圍內(nèi)輸出電壓是否與所加外力成正比？是否有必要使用質(zhì)量大于砝碼盤的吊環(huán)？這個不得而知。

（2）教材中強(qiáng)調(diào)了吊環(huán)要嚴(yán)格水平，說明書中也特別注明吊環(huán)的水平程度將會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。但是實(shí)驗(yàn)時里吊環(huán)的水平調(diào)節(jié)裝置是通過調(diào)節(jié)3根金屬絲來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)時僅僅依靠目測檢查吊環(huán)是否水平，但目測來判斷是有偏差的，這就很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差很大應(yīng)該與此有很大關(guān)系。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)有不少人提出過吊環(huán)的改進(jìn)方案［4-9］，這在一定程度上能提高實(shí)驗(yàn)精度，但是增加了復(fù)雜性，難于實(shí)現(xiàn)。能不能找到一種操作簡單可行的檢測和調(diào)節(jié)吊環(huán)水平的方法？

（3）在觀察液膜被拉起到被拉斷過程中電壓數(shù)的變化情況時，輸出電壓數(shù)值是一個從小到大再變小的過程。在很多實(shí)驗(yàn)教材和文獻(xiàn)中都要求測量液膜拉斷前后瞬間的電壓值作為U1和U2［10-13］。而使用教材中的實(shí)驗(yàn)原理部分暗含的信息是測量拉力最大值對應(yīng)的電壓值和液膜斷裂后拉力即吊環(huán)重力對應(yīng)的電壓值作為U1和U2，文獻(xiàn)［14］中也支持這一結(jié)論。那么U1究竟是取最大電壓Umax還是液膜拉斷前瞬間電壓值呢？同樣，U2究竟是取液膜拉斷后瞬間電壓值還是干燥吊環(huán)對應(yīng)的電壓值呢？對此，老師課上給出的建議是不妨先將這4 種情況下的電壓都記錄下來，課下書寫實(shí)驗(yàn)報告時進(jìn)行理論分析和用測量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算。

課下整理實(shí)驗(yàn)報告時，學(xué)生反思中提到，由于實(shí)驗(yàn)時記錄了最大電壓Umax、液膜拉斷前瞬間電壓值、液膜拉斷后瞬間電壓值、吊環(huán)重力對應(yīng)的電壓值，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，通過查閱相關(guān)資料，整理并加入自己的分析，得出何時讀取U1、U2的結(jié)論，這導(dǎo)致書寫實(shí)驗(yàn)報告所花費(fèi)的時間較長，并且學(xué)生得出的結(jié)論也不統(tǒng)一。學(xué)生普遍感覺該實(shí)驗(yàn)聽老師講時覺得很簡單，實(shí)際操作起來難度還不小，尤其是吊環(huán)調(diào)平和液膜拉斷前后瞬間電壓值的讀取?；ㄙM(fèi)時間長，重復(fù)次數(shù)多，測定結(jié)果誤差比較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿意度低，達(dá)不到預(yù)期。

4 教師對液體表面張力系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)的教學(xué)反思

教學(xué)反思是指教師對教學(xué)活動所涉及的種種問題進(jìn)行多視角、多層面，反復(fù)、深入、認(rèn)真地審視與思考的過程與行為。在教學(xué)反思中，教師通過不斷反省教學(xué)行為、澄清教學(xué)信念、變革教學(xué)生活、塑造教學(xué)風(fēng)格，從而提高教學(xué)效率和個人的教學(xué)能力。因此，教學(xué)反思既是教師教學(xué)生活的重要方面，也是教師教學(xué)能力提高的重要策略［15］。教師自己的教學(xué)經(jīng)歷是反思的主要途徑，除此之外還可以聽取學(xué)生意見，征求學(xué)生建議，對于他們提出的合理性建議去反思，進(jìn)而優(yōu)化教學(xué)。在液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)課上，發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作中比較常見的一個問題，即對力敏傳感器反復(fù)調(diào)零問題。

教材中明確寫著實(shí)驗(yàn)前先對力敏傳感器進(jìn)行定標(biāo)，將砝碼托盤掛上傳感器掛鉤，然后對電壓表進(jìn)行調(diào)零。在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常有學(xué)生掛上吊環(huán)之后，再一次對電壓表進(jìn)行調(diào)零。問及原因，原來掛上吊環(huán)之后電壓表顯示負(fù)值，學(xué)生認(rèn)為不應(yīng)該出現(xiàn)負(fù)值，所以再一次進(jìn)行了調(diào)零。這其實(shí)是不允許的。①力敏傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定是在掛上砝碼盤時進(jìn)行的；②實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)值是以零點(diǎn)標(biāo)定時的狀態(tài)作為參考零點(diǎn)進(jìn)行顯示。如果實(shí)驗(yàn)時掛上吊環(huán)再次調(diào)零，相當(dāng)于把前面的工作全部否定掉，得到的數(shù)據(jù)由于沒有參照基準(zhǔn)而沒有意義。③部分實(shí)驗(yàn)儀器的電壓表顯示負(fù)值，是吊環(huán)的質(zhì)量比砝碼盤小。使用質(zhì)量比砝碼盤小的吊環(huán)，不僅會讓學(xué)生產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在小于0 的范圍內(nèi)輸出電壓是否與所加外力成正比這樣的困惑，還會讓學(xué)生在操作時出現(xiàn)反復(fù)調(diào)零的誤操作。所以在后期實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者和相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作人員對每套儀器配備的吊環(huán)進(jìn)行了檢查或者更換，而且在講授實(shí)驗(yàn)時特別跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，從而避免了這樣的錯誤。

對學(xué)生書面反思中提到的吊環(huán)水平和電壓表最佳讀數(shù)問題，教師和相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作人員也進(jìn)行了相應(yīng)的反思。

針對吊環(huán)的調(diào)平問題，通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際，一個簡單可行的辦法就是在吊環(huán)上表面放置一個輕質(zhì)塑料三角形薄板，在薄板中央放置一個水平儀，來檢查是否水平。考慮到力敏傳感器的受力量程不能超過0.098 N，實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備其他輔助裝置使吊環(huán)豎直懸掛，此時觀察水平儀中的小氣泡，若小氣泡位于水平儀的中央位置，說明已經(jīng)調(diào)好水平。

針對電壓表U1、U2的最佳讀取問題，查閱資料發(fā)現(xiàn)確實(shí)有不少文獻(xiàn)對此進(jìn)行了討論，可以說是眾說紛紜。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)報告上對此問題分析角度不同，也得出不同的結(jié)論。對從液體中拉出液膜到液膜破裂的過程中，輸出電壓數(shù)值從小到大再變小這一現(xiàn)象，在后期的實(shí)驗(yàn)課時，筆者先帶著學(xué)生一起分析在這一過程中吊環(huán)受力情況和液膜形狀變化，最終得出的結(jié)論是應(yīng)該取電壓表最大值電壓作為U1，取液膜拉斷后瞬間電壓值作為U2。這樣消除了實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生的一些疑惑，使得實(shí)驗(yàn)過程更加順利。

5 反思的效果

通過學(xué)生的學(xué)習(xí)反思和教師教學(xué)反思，實(shí)驗(yàn)操作過程中出現(xiàn)的一些實(shí)驗(yàn)問題得到解決或者改進(jìn)，在后期授課時學(xué)生的疑問少了，液體表面張力系數(shù)測量的準(zhǔn)確度提高了，學(xué)生對液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)有了更深一步理解，全面調(diào)動了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情和創(chuàng)造性，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，使?shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)到最佳效果。

綜上所述，通過普通物理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)，讓學(xué)生初步掌握反思的方法和技能，具有積極的反思實(shí)踐體驗(yàn)。同時，根據(jù)學(xué)生的反思反饋，教師及時進(jìn)行教學(xué)反思，就實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生提出的問題和產(chǎn)生的疑惑進(jìn)行解答，促進(jìn)了普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展和建設(shè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)專業(yè)本科培養(yǎng)的目標(biāo)，使學(xué)生達(dá)到了畢業(yè)要求的相應(yīng)指標(biāo)。