關(guān)于高中物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬利江

（余姚市第七中學(xué) 浙江寧波 315400）

關(guān)于高中物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

馬利江

（余姚市第七中學(xué) 浙江寧波 315400）

以觀摩寧波市高中物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比賽后的體會(huì)及個(gè)人多年積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析和研究了新課程標(biāo)準(zhǔn)、近年來高考趨向和實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，進(jìn)而論述了高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在新課程改革形勢下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要意義以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)的某些問題．

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 設(shè)計(jì) 問題 案例

物理學(xué)是一門自然科學(xué)，更是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科．高中物理教學(xué)應(yīng)以實(shí)驗(yàn)教學(xué)為基礎(chǔ)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)造性思維和解決實(shí)際問題的創(chuàng)新意識(shí)和能力．

1 為何需要實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1．1 現(xiàn)行教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)手段的單一性

在現(xiàn)行的中學(xué)物理教材中安排了很多演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)和課外趣味實(shí)驗(yàn)，但都手段單一．比如學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，教材從實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、儀器、操作步驟到注意事項(xiàng)，寫得面面俱到．教師只需按教材花一定的時(shí)間講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、注意事?xiàng)等，然后學(xué)生照著現(xiàn)成的步驟，用同樣的儀器、同樣的方法做同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，最后得出同一個(gè)結(jié)論．對(duì)教師來說，這樣做不利于自身實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力的提高、實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段的多樣化和實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究意識(shí)的深化．對(duì)于學(xué)生來說，不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新能力，不利于發(fā)展學(xué)生創(chuàng)造性思維和解決實(shí)際問題的創(chuàng)新意識(shí)和能力．

1．2 現(xiàn)行教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和器材的時(shí)代局限性

在現(xiàn)行的教材中很多演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案和器材是在幾十年前設(shè)計(jì)形成的，固然有其存在的科學(xué)性和普適性，但有些方案和器材已經(jīng)顯得落后于時(shí)代的發(fā)展、社會(huì)科技的進(jìn)步和教學(xué)方法的革新，在新時(shí)代和新課改背景下需要有更好的實(shí)驗(yàn)方案，更先進(jìn)、更精確的器材來替代．

1．3 高考風(fēng)向標(biāo)的因素

雖然新的教育改革在一定程度上削弱了高考的“一考定終身”的作用，但目前來說，高考仍起到主體作用．分析近年全國各地高考實(shí)驗(yàn)題，其特征為：實(shí)驗(yàn)題很少直接考查教材中的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方案、器材和實(shí)驗(yàn)步驟、注意事項(xiàng)等，而偏重于在沒有超出考綱規(guī)定的前提下，創(chuàng)設(shè)新的實(shí)驗(yàn)方案，引入新的器材，設(shè)立新的實(shí)驗(yàn)條件等，來考查學(xué)生的創(chuàng)新能力、理解能力和處理新問題的能力．這也就要求教師在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中注重自身和學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的提高．

2 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的問題

2．1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)原則

為了使設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)得起考驗(yàn)、經(jīng)得起推敲，得到大眾的認(rèn)同，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：（1）實(shí)驗(yàn)原理的科學(xué)性；（2）實(shí)驗(yàn)方案的新穎性；（3）實(shí)驗(yàn)條件的可操作性；（4）實(shí)驗(yàn)過程的簡潔方便性；（5）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的明顯直觀性；（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性．

2．2 出現(xiàn)的問題

隨著中學(xué)物理教學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的作用越來越為人們所認(rèn)識(shí)，并引起很多物理教師的關(guān)注．而且有關(guān)這方面的研究及成果不斷出現(xiàn)，然而從總的情況看，目前實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究仍然是初步的，還有一些理論和實(shí)踐上的問題有待探討．比如，有些教師是為了體現(xiàn)自身在行動(dòng)上已在創(chuàng)新的這一目的，但在實(shí)際操作過程中表現(xiàn)為重理論輕實(shí)踐，重改變輕創(chuàng)新，重形式輕行動(dòng)．而有些教師確實(shí)參與了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，總體上能體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)的新穎性、可操作性、明顯直觀性等原則，但在一些細(xì)節(jié)上往往忽略了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和精確性．這也是以后廣大設(shè)計(jì)者需要關(guān)注的地方．

2．3 案例分析

下面呈現(xiàn)的兩個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例，是在寧波市物理教研室組織的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及操作比賽中參賽教師提供的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)．

實(shí)驗(yàn)1：測量玻璃的折射率實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)方案及處理：利用一支激光筆和一把透明的刻度尺，將一條形玻璃磚平放于桌面上，在其背后緊貼一透明刻度尺，如圖1（a）所示．用激光筆斜射玻璃磚正對(duì)面，在玻璃磚前后表面形成了兩個(gè)光斑，用相機(jī)在玻璃磚正前方記錄光斑的位置，如圖1（b）所示．不改變玻璃磚和激光筆的位置和照射方向，移除玻璃磚記錄激光筆直射的斑點(diǎn)，如圖1（c）．在（b）、（c）圖中用筆圈出光斑位置，標(biāo)注光斑編號(hào)，讀取光斑的位置，考慮光斑大小，讀數(shù)時(shí)采用中間位置讀取．測出玻璃磚前后面間的厚度，用方框表示玻璃磚，方框?qū)挾鹊扔诓ＡТu厚度，按照剛才的讀數(shù)標(biāo)出3個(gè)光斑的位置A，B，C，連接A，B兩點(diǎn)和A，C兩點(diǎn)，過A點(diǎn)作垂直虛線AD，如圖2．隨后量取AB線段、AC線段的長度L1，L2及圖中BD線段、CD線段的長度L3，L4．玻璃的折射率為

圖1

圖2

實(shí)驗(yàn)2：探究“加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系”

設(shè)計(jì)方案及處理：將帶有輕定滑輪的軌道一端墊起，把質(zhì)量為M的小車通過細(xì)繩與質(zhì)量為m的一個(gè)鉤碼跨過定滑輪相連，調(diào)整軌道傾角，直至輕推小車使其向下勻速運(yùn)動(dòng)．然后保持軌道傾角不變，取下鉤碼，將小車與紙帶相連，接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，靜止釋放小車，使小車向下做加速運(yùn)動(dòng)．由紙帶求出加速度．

多次改變鉤碼個(gè)數(shù)為2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)……重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟．

用鉤碼的重力代替小車受到的合力，列表填入每次實(shí)驗(yàn)的合外力與加速度的數(shù)值，利用a- F圖像得出小車加速度與力的關(guān)系．

分析上面兩個(gè)案例，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都是對(duì)教材中的學(xué)生實(shí)驗(yàn)加以創(chuàng)改．改變了教材中的實(shí)驗(yàn)原理、儀器、操作步驟等，具有一定的新穎性、創(chuàng)造性和可操作性．比如實(shí)驗(yàn)1相比教材實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）比原有的插針法更為便捷，可視性更強(qiáng)．（2）避免了原有教材實(shí)驗(yàn)因?qū)W生操作過程中易帶來的誤差．（3）實(shí)驗(yàn)器材獲得方便，都是身邊容易得到的器物．（4）在感官上更為直接，學(xué)生確實(shí)體會(huì)到光在玻璃種發(fā)生了折射．而實(shí)驗(yàn)2的優(yōu)點(diǎn)在于不要求鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，且不用平衡摩擦力，直接運(yùn)用“替代法”得到小車所受到的合力．

兩個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中存在的問題：

實(shí)驗(yàn)1主要問題在于光斑位置的確定．由于激光筆光束的局限性，現(xiàn)場看到在刻度尺上的光斑大小有3 mm左右．當(dāng)要記錄光斑位置時(shí)，設(shè)計(jì)者先用黑筆圈出光斑的大概位置，然后讀數(shù)采用中間位置讀取．此做法主觀誤差很大，給實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性帶來影響．筆者認(rèn)為改進(jìn)方案可以如下：

措施1：把激光筆由點(diǎn)狀光源變成線狀光源．在激光筆前放置一根直徑2 mm左右的透明玻璃柱，激光束透過玻璃柱后即能得到線狀激光．改進(jìn)后得到的光線位置記錄如圖3所示．

圖3

措施2：改直接用黑筆圈光斑為用圓規(guī)畫圓圈光斑，圓心即為光斑的中心位置．

以上兩種方案在設(shè)計(jì)者原有創(chuàng)設(shè)方案的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)，不但沒有增加操作難度，但對(duì)減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)精確性和說服力上有了很大的提高．

實(shí)驗(yàn)2問題：（1）輕推小車使其勻速下滑，靠眼睛直接觀察就予以確定，這違反了實(shí)驗(yàn)操作的科學(xué)性，與高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求是相違背的．（2）兩次小車運(yùn)動(dòng)所受阻力有差異，勻速下滑時(shí)小車直掛鉤碼，不連紙帶，加速下滑時(shí)帶動(dòng)紙帶運(yùn)動(dòng)，而紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔之間存在阻力，這對(duì)于認(rèn)為加速時(shí)小車受到的合力等于勻速時(shí)鉤碼的重力有一定的誤差．降低了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性．可改進(jìn)措施：

措施1：可在軌道上間隔一定距離放置兩個(gè)光電門，利用固定在小車上的遮光片兩次通過光電門的遮光時(shí)間t1和t2，來確定是否勻速．加速下滑時(shí)不用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，也可利用遮光片兩次通過光電門的遮光時(shí)間t1和t2，遮光片寬度d及兩光電門間距L，來求得加速度a．

措施2：在小車尾部上下錯(cuò)位平行連接細(xì)繩和紙帶，紙帶在細(xì)繩下方并穿過計(jì)時(shí)器限位孔，使得小車在兩次運(yùn)動(dòng)中都拖動(dòng)紙帶運(yùn)動(dòng)，如圖4．

改進(jìn)后，可以使得原設(shè)計(jì)中暴露的原則性錯(cuò)誤得以消除，提高了實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和精確性，符合高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求．而且引入傳感器，可加深學(xué)生對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和實(shí)際應(yīng)用能力．

圖4

3 結(jié)束語

新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)高中物理實(shí)驗(yàn)有了更高的要求，要能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐技能和創(chuàng)新能力．在平時(shí)的教學(xué)過程中教師本身要重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，更新教學(xué)觀念和創(chuàng)新教學(xué)方法，敢于在教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上積極主動(dòng)地設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、自制實(shí)驗(yàn)器材．并且能設(shè)計(jì)出體現(xiàn)時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的與時(shí)俱進(jìn)和可持續(xù)發(fā)展．但在創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中務(wù)必注重創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)所遵循的幾個(gè)原則，在不斷的提升和再思考中完善實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)經(jīng)得起各種考驗(yàn)．

2014- 05- 05）