高中物理實(shí)驗(yàn)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)銜接的實(shí)踐與思考

于偉平

(遼寧省葫蘆島市教師進(jìn)修學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125000 )

近年來，很多教師都非常重視研究和改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從理論和實(shí)踐兩方面做了有益的探索。但在現(xiàn)實(shí)中，初中和高中都分別迫于中、高考的壓力，物理實(shí)驗(yàn)都被很多學(xué)校淡化和虛化，無形中把實(shí)驗(yàn)的任務(wù)推給了大學(xué)教師。因此，我們從網(wǎng)絡(luò)上搜索就會(huì)明顯看到，幾乎是大學(xué)教師在談高中物理實(shí)驗(yàn)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)銜接的問題。

筆者從教近30年一直感興趣于物理實(shí)驗(yàn)的研究，實(shí)踐證明大多數(shù)學(xué)生的進(jìn)步與發(fā)展都受益于物理實(shí)驗(yàn)。筆者的一些實(shí)踐有助于高中物理實(shí)驗(yàn)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的銜接。下面就把筆者的部分實(shí)踐活動(dòng)與大家分享。

1 中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)管理細(xì)則的考查制度

根據(jù)實(shí)際需要給學(xué)生制定了一套中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)管理細(xì)則。在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，要花費(fèi)大約兩周的時(shí)間，讓學(xué)生反復(fù)熟悉實(shí)驗(yàn)室管理制度和中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)管理細(xì)則。兩周之后出題考查學(xué)生的掌握情況。比如細(xì)則第3條，實(shí)驗(yàn)前先觀察操作臺(tái)(實(shí)驗(yàn)臺(tái))上的實(shí)驗(yàn)器材，初步檢查儀器的大致數(shù)量和完好情況；第4條，遇到?jīng)]有使用過的或不會(huì)使用的器材，一定等待老師講解完畢方可動(dòng)手操作等等。

為什么以前實(shí)驗(yàn)總不能保證實(shí)驗(yàn)的效果呢？思考之后感覺其中一個(gè)主要原因就是沒有一個(gè)很好的管理制度做約束，因而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重視程度不夠?，F(xiàn)在把實(shí)驗(yàn)考查納入了學(xué)業(yè)水平合格考范圍之后，更應(yīng)該提升中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，這無疑為做好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)提供了基本素養(yǎng)保障。每名學(xué)生必須清楚，從進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室到離開實(shí)驗(yàn)室所做的一切都應(yīng)該是規(guī)范的。實(shí)驗(yàn)管理細(xì)則考查這一過程是保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行和保障人身安全的必要前提，中學(xué)時(shí)有了規(guī)矩并遵守了，到了大學(xué)實(shí)驗(yàn)室該做什么不該做什么就一清二楚。

2 實(shí)驗(yàn)器材的認(rèn)識(shí)和使用培訓(xùn)制度

把實(shí)驗(yàn)器材的認(rèn)識(shí)和一般使用規(guī)則制成微視頻，學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度分層次進(jìn)行視頻和實(shí)物同步培訓(xùn)。比如先培訓(xùn)力學(xué)部分的器材，后培訓(xùn)電學(xué)部分的器材，學(xué)生再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室接觸到實(shí)物就不會(huì)感到特別陌生，并能初步掌握一些使用規(guī)則，節(jié)省了在實(shí)驗(yàn)室講解使用規(guī)則的時(shí)間。實(shí)踐證明，絕大多數(shù)學(xué)生都能掌握所接觸到的器材的使用規(guī)則。

3 中學(xué)物理部分實(shí)驗(yàn)課實(shí)踐內(nèi)容

3.1 幾個(gè)關(guān)鍵概念和數(shù)據(jù)處理

3.1.1 測量

主要掌握直接測量和間接測量。初步看起來測量非常簡單，現(xiàn)實(shí)當(dāng)中學(xué)生是很害怕的。學(xué)生最喜歡正好對(duì)齊情況的讀數(shù)，一旦對(duì)不齊就不敢讀，甚至不會(huì)讀，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中絕大多數(shù)情況是對(duì)不齊的。教學(xué)過程必須把讀數(shù)規(guī)則培訓(xùn)到位，比如測量器材的最小分度問題，這是讀數(shù)準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵點(diǎn)，絕對(duì)不能忽視。例如，毫米刻度尺的最小分度為1 mm，讀數(shù)時(shí)必須要再估讀一位；電表讀數(shù)，先確定量程再看最小分度，包括1分度、2分度、5分度的情況如何讀，必須一清二楚，否則讀數(shù)就是混亂的，讀數(shù)不準(zhǔn)何談結(jié)果準(zhǔn)確。實(shí)際教學(xué)過程中針對(duì)尺類、儀表等讀數(shù)問題會(huì)花費(fèi)較大的氣力進(jìn)行培訓(xùn)，筆者認(rèn)為這是物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

3.1.2 誤差

對(duì)于中學(xué)生而言，一提到誤差頭腦就暈，不想聽到這個(gè)詞，從實(shí)驗(yàn)的角度，又是必須要觸碰的概念。尤其是接觸大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)酥粮憧茖W(xué)研究，必須學(xué)會(huì)誤差分析。

講誤差必須要講清楚幾個(gè)概念：(1)真值和測量值；(2)絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差；(3)系統(tǒng)誤差和偶然誤差。高中階段不要求講系統(tǒng)誤差和偶然誤差，但是講了，學(xué)生頭腦更清醒了。知道了這兩個(gè)誤差是怎么來的，為以后學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)掃清了部分概念上的障礙。

3.1.3 有效數(shù)字

這一部分必須講清楚什么是可靠數(shù)字、可疑數(shù)字和有效數(shù)字。高中階段要求有效數(shù)字，但不要求有效數(shù)字運(yùn)算，它區(qū)別于保留小數(shù)點(diǎn)后幾位問題。在高中階段弄清楚什么是可靠數(shù)字、可疑數(shù)字和有效數(shù)字，進(jìn)入大學(xué)涉及有效數(shù)字運(yùn)算也會(huì)容易接受。高考試題中經(jīng)常對(duì)計(jì)算結(jié)果的有效數(shù)字有要求，所以無論對(duì)高中還是對(duì)大學(xué)都要弄懂這一概念。

3.1.4 數(shù)據(jù)處理

關(guān)于數(shù)據(jù)處理的方法，高中階段最常用的是列表法和作圖法。

(1)列表法是記錄數(shù)據(jù)最常用，也是最有效的方法。建議學(xué)生養(yǎng)成良好的記錄習(xí)慣，記錄數(shù)據(jù)一定要根據(jù)實(shí)際情況制作合理的表格，便于對(duì)比和使用。

(2)作圖法是比較常用的處理數(shù)據(jù)方法，對(duì)學(xué)生的素養(yǎng)要求相對(duì)較高。一般是學(xué)生自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)作圖，然后對(duì)作出的圖像進(jìn)行分析，進(jìn)而得出結(jié)論。也可以將數(shù)據(jù)輸入電腦，利用電腦軟件進(jìn)行處理。近幾年隨著實(shí)驗(yàn)器材的更新、實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步，處理數(shù)據(jù)的方法越來越多，越來越先進(jìn)。

3.2 力學(xué)實(shí)驗(yàn)案例：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，紙帶，復(fù)寫紙，小車，一端附有定滑輪的長木板，小筒，砂，夾子，細(xì)繩，低壓交流電源，導(dǎo)線，天平(帶有一套砝碼)。

實(shí)驗(yàn)原理：探究加速度與外力及小車質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用的基本方法是控制變量法。先控制一個(gè)參量，如保持小車的質(zhì)量不變，討論加速度與力的關(guān)系；再控制小桶和砂的質(zhì)量不變(外力不變)，改變小車質(zhì)量，討論加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)中用小桶和砂的總重力代替小車受到的拉力(實(shí)際上小車受到的拉力要小于小桶和砂的總重力)，存在系統(tǒng)誤差。小桶和砂的總質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量，誤差就越大，反之，小桶和砂的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，誤差就越小。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)是高中教材上比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，其中蘊(yùn)含著很多方法值得研究和掌握。(1)物理學(xué)中研究問題的一種方法-控制變量法；(2)處理紙帶上數(shù)據(jù)求加速度的方法-逐差法；(3)對(duì)小車和小桶和砂的受力分析-整體法和隔離法；(4)誤差分析。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，先進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材不斷更新，筆者又利用氣墊導(dǎo)軌、光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器，在拓展課上再次完成了探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。

筆者的體會(huì)是后面這個(gè)實(shí)驗(yàn)測量加速度的精度較高。另外，由于阻力很小，砝碼質(zhì)量就可以取得較小。若將滑塊與其配重總質(zhì)量在200到600 g范圍內(nèi)取,則砝碼質(zhì)量就可以相應(yīng)地在5到15 g之間取值。這樣就較好地滿足了砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于滑塊的質(zhì)量,那么以砝碼所受重力當(dāng)作滑塊所受拉力的大小所引入的系統(tǒng)誤差就小到可以忽略的程度。

第二種實(shí)驗(yàn)為學(xué)生又打開一條通向“羅馬”的通道，鍛煉了學(xué)生善于變換思維思考問題和解決問題的能力。學(xué)生再進(jìn)入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室就不會(huì)對(duì)氣墊導(dǎo)軌、光電門和數(shù)字計(jì)時(shí)器等器材感到陌生而縮手縮腳。

3.3 電學(xué)實(shí)驗(yàn)案例：電阻的測量

仔細(xì)研究之后，會(huì)發(fā)現(xiàn)不管怎么接電表，內(nèi)阻造成的系統(tǒng)誤差都是真實(shí)存在的。

筆者將惠斯通電橋(高中教材沒有介紹)引入了拓展課堂，強(qiáng)調(diào)等電勢情況下電橋處于平衡(實(shí)際上在畫等效電路圖時(shí)就用到了等電勢知識(shí))，學(xué)生清楚看到此方法避免了電表的接入誤差，這也是在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室精確測量電阻常用的方法。該方法有沒有誤差呢？當(dāng)然有，比如：(1)橋臂電阻存在誤差；(2)受檢測電橋平衡的儀表靈敏度所限，不可能調(diào)到理想的平衡態(tài)而引起的誤差。

4 實(shí)踐思考

(1)物理實(shí)驗(yàn)采用科學(xué)的研究方法，能夠培養(yǎng)學(xué)生具有實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，尊重客觀事實(shí)，忠于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不能有絲毫的弄虛作假行為。

(2)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)操作能力以及創(chuàng)新性思維能力和實(shí)踐能力。

(3)物理實(shí)驗(yàn)并不是一帆風(fēng)順的。他能夠培養(yǎng)學(xué)生具有不怕挫折、堅(jiān)韌不拔的追求科學(xué)的精神，使學(xué)生形成正確的科學(xué)價(jià)值觀。

(4)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生合作、交流的能力，并建立和諧的人際關(guān)系。

高中物理實(shí)驗(yàn)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緊密聯(lián)系，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性和探究性，在思想方法上具有很強(qiáng)的連續(xù)性，所以做好高中物理實(shí)驗(yàn)無疑能夠?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)起到一定的鋪墊作用。