實(shí)驗(yàn)教學(xué)

彭正飛

中學(xué)物理中的許多基本概念與規(guī)律，都是在實(shí)驗(yàn)觀察、體驗(yàn)及總結(jié)的基礎(chǔ)上概括出來的.因此，物理實(shí)驗(yàn)在物理概念和規(guī)律的引入、闡述及鞏固中有著不可替代的作用，學(xué)生通過形式各異的實(shí)驗(yàn)，能直觀形象地觀察與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而獲得生動的感性認(rèn)識，建立起正確的物理概念與物理規(guī)律，有效地降低對應(yīng)物理知識的難度和深度.同時(shí)，近年來的高考試題，越來越注重對學(xué)生能力，特別是創(chuàng)新能力的考查.因此，中學(xué)物理教學(xué)的任務(wù)之一，就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.創(chuàng)造力的有無、強(qiáng)弱，不僅影響到學(xué)生在高考中成績的高低，而且還影響到他們將來進(jìn)一步的發(fā)展.

一、應(yīng)用“模擬實(shí)驗(yàn)”手段，增加物理規(guī)律生成的趣味性，降低理解難度.

物理概念、規(guī)律的引入、闡述及總結(jié)消化中，有些物理規(guī)律非常地抽象，學(xué)生對它的認(rèn)知和理解容易出現(xiàn)偏差.有的概念初次接觸感性認(rèn)識不錯，但隨著時(shí)間的延長，概念在腦海里的生成越來越模糊，直至遺忘.為此，教師想方設(shè)法，設(shè)計(jì)一些通俗易懂的生活現(xiàn)象（模擬實(shí)驗(yàn)）加以注釋，以達(dá)到學(xué)生過目不忘之效果.

案例一 本人給學(xué)生講解電容器的概念時(shí)，反復(fù)地給學(xué)生舉例說明，“電容器是用來裝電荷的裝置”類比成“水杯是用來裝水的裝置”，兩者雖然在作用上有很大的區(qū)別，甚至是沒有任何聯(lián)系，但兩者在“裝”各自的對象時(shí)有很大的相似之處.比較兩個高度相同的杯子的裝水本領(lǐng)大小的時(shí)候，一般杯子橫截面積越大，裝水本領(lǐng)也就越高.此時(shí)我們引出：在比較兩個電容器的容納電荷的本領(lǐng)大小時(shí)，一般比較在相同的電壓情況下，兩個電容器裝的電荷越多，容納電荷的本領(lǐng)就越大！進(jìn)而給出關(guān)于電容器電容的概念C=QU.而在解釋完本概念的注意點(diǎn)后，注重給出了如下“模擬實(shí)驗(yàn)”：因?yàn)殡娙萜魇茄b電荷的裝置，本表達(dá)式從象形上觀察，就好像是將一個雞蛋（Q）裝進(jìn)一個杯子（U）中去，然后本人取出了一個雞蛋和杯子，將杯子從正立、側(cè)放、倒置三個角度分三種情況讓某同學(xué)上講臺將雞蛋放進(jìn)杯子中去.要求做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)動作盡量緩慢，提示其他同學(xué)集中注意觀察，當(dāng)雞蛋在三種不同情況進(jìn)入杯口瞬間，“暫?！睂?shí)驗(yàn)學(xué)生的動作，讓班內(nèi)其他同學(xué)觀察雞蛋和杯口的相對位置.得到不管從那個角度考慮，要將“雞蛋”裝進(jìn)杯子，Q與U的相對位置都是QU，從而達(dá)到讓學(xué)生過目不忘的目的和效果.

同時(shí)，電容器第二節(jié)課時(shí)有一內(nèi)容是關(guān)于平行板電容器在“通電”和“斷電”狀態(tài)下，電容器動態(tài)變化時(shí)各物理量的變化問題.當(dāng)電容器通電時(shí)，電壓U不變，板間距離d變大，電場強(qiáng)度E變小，反之亦成立.當(dāng)電容器斷電時(shí)：電容器帶電量Q不變，板間距離d變大或變小，電場強(qiáng)度E都不變.以上結(jié)論用表達(dá)式推導(dǎo)后學(xué)生并無異議.但對于第二種情況，如何讓學(xué)生記憶地更持久呢？本人將平行板電容器內(nèi)的電場強(qiáng)度用電場線定性比較，將電場線統(tǒng)一看成從電容器正極板上的正電荷出發(fā)，終止于負(fù)極板上的負(fù)電荷，同時(shí)假設(shè)每對電荷間產(chǎn)生一根電場線.在這個前提下，假設(shè)原來正、負(fù)極板上1000對電荷，板間存在1000根電場線，從而對應(yīng)某強(qiáng)弱的電場強(qiáng)度E.當(dāng)通電d變大時(shí)，簡單推導(dǎo)得到Q變少，這樣相同面積極板上的電荷數(shù)變少（譬如變成800對），極板間電場線變疏，電場強(qiáng)度E變小，反之亦成立.電容器斷電時(shí)，板間距離d變大（或變?。┑珮O板帶電量Q不變（1000對），這樣電場線僅被拉長（或縮短）了，但電場線的疏密程度是不變的.從而得到電場強(qiáng)度E都不變的結(jié)論.這樣，學(xué)生的記憶深刻，對平行板電容器在電路中的動態(tài)變化有了個較高的感性認(rèn)識，有助于對物理規(guī)律的理解和應(yīng)用.

二、利用“自制實(shí)驗(yàn)”教具，直視物理現(xiàn)象，幫助學(xué)生自主生成物理規(guī)律，增強(qiáng)規(guī)律的可信度.

培養(yǎng)能力是物理教學(xué)的落腳點(diǎn).培養(yǎng)能力首先要講清講透物理概念和物理規(guī)律，對每一個概念和規(guī)律要弄清楚它的內(nèi)涵和外延.弄清來龍去脈，弄清規(guī)律的性質(zhì)，適用條件及注意事項(xiàng)等.而學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常會遇到一些疑難問題，對某些新的物理概念似懂非懂，對某個物理規(guī)律將信將疑，有時(shí)想不通就會產(chǎn)生畏難情緒，影響學(xué)習(xí)效果.訓(xùn)練操作就是要學(xué)生把學(xué)到的知識轉(zhuǎn)化為能力，操作是檢驗(yàn)?zāi)芰Φ年P(guān)鍵，是學(xué)生較薄弱環(huán)節(jié)，也是教師在教學(xué)中要克服的難點(diǎn).學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)是解決這個問題的一個好辦法.

案例二 汽車過拱橋的教學(xué)中，一般地都是通過受力分析，列方程求解，讓學(xué)生知道汽車在“凸”形橋通過要比在“凹” 形橋通過更安全，學(xué)生只是有了個理性認(rèn)識，并沒有感性認(rèn)識.教師可以讓學(xué)生自己制作一個小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能有個更加全面地認(rèn)識.選二根等長的硬度不大的金屬絲，都彎曲成對稱的曲形雙軌（圖1），并固定在支架上，第一步：讓一個直徑比雙軌略大的鋼球從A處滾下，當(dāng)滾到最低點(diǎn)B附近時(shí)突然沖開（圖2），受力側(cè)視圖（圖3）分析，鋼球滾到B處，速度比較大時(shí)，需要的支持力也要比較大，根據(jù)牛頓第三定律可知，鋼球?qū)饘俳z的壓力也比較大，從而沖開金屬絲掉了下去.第二步：首先制作一個硬度大的金屬卡，把B處卡?。▓D4），不讓鋼球從該處掉下.然后讓鋼球在更高的O處滾下，使得 OA和BC高度差相等，使得鋼球到達(dá)C處得速度和第一步中的到達(dá)B處的速度一樣.結(jié)果鋼球不從C處掉下.從而讓學(xué)生有了一個感性認(rèn)識.為了發(fā)揮學(xué)生的主動積極性，教師只要給出材料，實(shí)驗(yàn)裝置可以引導(dǎo)學(xué)生完成，然后以問題的形式引導(dǎo)學(xué)生完成本實(shí)驗(yàn).問題設(shè)置如下：1、本實(shí)驗(yàn)的目的是什么？（證明鋼球在B處對軌道的壓力比在C處大）.2、怎樣證明？（鋼球在B處掉下，在C處能安全通過）.3、我們應(yīng)該選擇怎樣的材料來制作軌道？（硬度不大的金屬絲）.4、實(shí)驗(yàn)中鋼球通過B處和C處的速度要滿足什么條件？（相等）.5、怎樣才能滿足速度相等？（使得OA和BC高度差相等）.6、鋼球既然從B處掉下，又怎么能到達(dá)C點(diǎn)呢？（用東西把B處軌道卡?。?

本實(shí)驗(yàn)從開始設(shè)計(jì)到制作，從演示實(shí)驗(yàn)到觀察現(xiàn)象，從總結(jié)規(guī)律到運(yùn)用理論解決實(shí)際問題，都是學(xué)生親身實(shí)踐.通過耳聽、眼觀、腦想、語言表述和動手操作來完成.借助本實(shí)驗(yàn)可開闊學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和邏輯推理能力，將所學(xué)物理規(guī)律延伸遷移、進(jìn)一步深化與升華.

三、依托學(xué)生實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)要素進(jìn)行改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生概括規(guī)律的能力.

與世界偉大發(fā)明家的杰出創(chuàng)造力相比，中學(xué)生的創(chuàng)新能力十分弱小，他們所進(jìn)行創(chuàng)新思考的事物常常是前人思考過的，教師看來，似乎沒有多少實(shí)際價(jià)值，但決不能漠視這種創(chuàng)新思維的火花.相對于中學(xué)生自己的認(rèn)知水平而言，只要有所創(chuàng)新，那就是一種超越了

.創(chuàng)新的過程，就是不斷超越的過程.所以，作為教師不僅要重視和保護(hù)這種思想的火花，而且應(yīng)有意識地著力培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力.

組織學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的過程中，應(yīng)有意識地引導(dǎo)學(xué)生分析規(guī)定實(shí)驗(yàn)的操作方法，研判其優(yōu)劣，通過對實(shí)驗(yàn)要素的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出更合理的操作方案.

案例三 “研究物體加速度、力、質(zhì)量的關(guān)系”這個實(shí)驗(yàn)中，除了一些基本的實(shí)驗(yàn)要求以外，用控制變量法研究：當(dāng)小車質(zhì)量不變時(shí)，探究加速度和小車受到的力的關(guān)系的時(shí)，將鉤碼通過定滑輪來牽引小車向前運(yùn)動的過程中，只有滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量的條件時(shí)，鉤碼的重力才近似等于小車受到的繩子拉力.同學(xué)們通過整體法和隔離法能基本體會探究過程的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性和合理性.但就實(shí)驗(yàn)而言，理論上講實(shí)驗(yàn)中將鉤碼重力看作細(xì)繩的拉力，本身帶來誤差.怎樣改進(jìn)呢？讓學(xué)生創(chuàng)新思考，提出更好操作方法.經(jīng)過教師引導(dǎo)，有的學(xué)生會說，在繩子和小車連接處，安裝一個力的傳感器，傳感器能夠?qū)⑷魏螘r(shí)候的繩子拉力值直接地告訴我們，這樣只要測量出小車在某拉力F（已讀出）作用下的加速度就可以探究兩者的關(guān)系.經(jīng)過上面同學(xué)的提示，有同學(xué)提出，在沒有傳感器的前提下，我們可以考慮將定滑輪外側(cè)的繩子和一個彈簧秤的一端相連，彈簧秤另一端固定不動.然后在定滑輪與彈簧秤之間放置一個動滑輪，動滑輪用重物“牽引”，這樣，不管鉤碼的重力、加速度如何，理論上講，彈簧秤的示數(shù)一定等于小車受到的繩子拉力值（如圖5）.

最后本人在該同學(xué)方案的基礎(chǔ)上，提出了當(dāng)小車受到拉力不變時(shí)，探究加速度和質(zhì)量關(guān)系過程中，書本建議只要保證鉤碼質(zhì)量不變即可.但由于小車加速度變化的時(shí)候，實(shí)際上繩子的拉力是不一樣的.根據(jù)以上同學(xué)觀點(diǎn)，本人適時(shí)提出用兩輛質(zhì)量不同的小車通過各自定滑輪后由同一個動滑輪（下掛重物）來牽引后，小車運(yùn)動相同時(shí)間進(jìn)行對比的實(shí)驗(yàn)方案，得到同學(xué)們的一致認(rèn)可.并擇時(shí)提供相應(yīng)實(shí)驗(yàn)器材，讓上面提出不同方案的幾個同學(xué)完成該“演示實(shí)驗(yàn)”，取得了理想的效果.通過同一實(shí)驗(yàn)不同要素的變更，學(xué)生對牛頓第二定律的理解及應(yīng)用能力有了較大的提高.

四、增設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)活動課，增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律的能力

教師根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況，有條件有針對性增設(shè)開放性實(shí)驗(yàn)活動課，要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，選取適當(dāng)?shù)膬x器，設(shè)計(jì)出與教材規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方案不一樣的新方案.從而達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生應(yīng)用物理規(guī)律能力的目的.

案例四 完成“用單擺測定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)后，就可以增設(shè)一節(jié)開放性實(shí)驗(yàn)活動課.實(shí)驗(yàn)的目的仍然是測定本地的重力加速度，但不準(zhǔn)再利用單擺進(jìn)行實(shí)驗(yàn).要求學(xué)生參考實(shí)驗(yàn)冊的格式，寫出所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的原理、儀器、步驟以及處理數(shù)據(jù)的方法，并就自己設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、可行性、便利性等進(jìn)行自我評價(jià).實(shí)際教學(xué)中，可以讓三四個學(xué)生組成實(shí)驗(yàn)小組，進(jìn)行合作，共同完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)任務(wù).

以下是部分學(xué)生選用的實(shí)驗(yàn)原理：

五、借助計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件，提供新型實(shí)驗(yàn)平臺，為學(xué)生進(jìn)一步理解物理規(guī)律提供條件.

中學(xué)物理中有些實(shí)驗(yàn)的研究對象太小，需要放大才能演示其規(guī)律，如電子在磁場中的圓周運(yùn)動;有些研究對象則太大，需縮小才方便演示，如天體的運(yùn)動;還有的實(shí)驗(yàn)因過程太快，難于看清楚變化的細(xì)節(jié)，需要放慢其運(yùn)動的速度.為實(shí)現(xiàn)上述目的，借助計(jì)算機(jī)和“仿真物理實(shí)驗(yàn)室3.5”軟件，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，不失為一種有效的途徑.在這樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，雖然模擬實(shí)驗(yàn)可以展示真實(shí)實(shí)驗(yàn)所不能展示的細(xì)節(jié)和規(guī)律，但實(shí)驗(yàn)本身還不是最終目的，我們只是借助這個平臺，通過控制實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力.

案例五 “平拋物體的運(yùn)動”教學(xué)中，為了說明平拋物體豎直方向的運(yùn)動和自由落體的運(yùn)動具有相同規(guī)律的，教材提供的真實(shí)實(shí)驗(yàn)是，用小錘打擊彈性金屬片，使兩個鋼球同時(shí)出發(fā)，分別作平拋運(yùn)動和自由落體運(yùn)動，通過聽到它們落地時(shí)只有一次聲音的現(xiàn)象，判斷它們有相同的規(guī)律.這里是不學(xué)生會問：兩鋼球落地時(shí)只有一次聲音，表示它們在空中運(yùn)動的時(shí)間相等，而僅僅根據(jù)運(yùn)動時(shí)間相等能判定它們的運(yùn)動規(guī)律相同嗎？顯然，那樣的邏輯判斷不充分.讓學(xué)生開動腦筋，設(shè)計(jì)更嚴(yán)密更充分的實(shí)驗(yàn)來證明它.

若想通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)證明是困難的.但是，學(xué)生利用“仿真物理實(shí)驗(yàn)室3.5”所提供的平臺設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可以達(dá)成上述目的.設(shè)置兩個小球，同時(shí)從坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，一個作平拋運(yùn)動，一個作自由落體運(yùn)動，讓電腦顯示任意時(shí)刻兩球的豎直位置.從它們在任意時(shí)刻豎直位移相同，推理出它們確實(shí)具有相同運(yùn)動規(guī)律的結(jié)論.工作完成后的界面如（圖6）所示.

接著，如何研究水平方向的運(yùn)動規(guī)律呢？學(xué)生應(yīng)用類似的方法，設(shè)置第三個小球，當(dāng)然需使它沿水平方向運(yùn)動，并具有和平拋的小球大小相等的水平初速度，只是要注意，在不考慮第三個小球的重力時(shí)，它才能做勻速直線運(yùn)動.也是通過比較兩者任意時(shí)刻的位置，方能得出平拋物體在水平方向做勻速直線運(yùn)動的結(jié)論.工作完成后的界面（如圖7）所示.

教學(xué)實(shí)踐表明，通過對教材規(guī)定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，營造求新求異的課堂學(xué)習(xí)氣氛，使學(xué)生的思維更活躍，想象力更豐富，創(chuàng)新欲望更強(qiáng)烈.雖然有的學(xué)生面對新問題束手無策，有的學(xué)生提出的方案不很科學(xué)，操作起來不甚方便，但是，他們的創(chuàng)新意識得到了培育，創(chuàng)新能力獲得了提高.物理實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)的一個重要環(huán)節(jié)，它有的時(shí)候要“服務(wù)”于物理概念及規(guī)律的呈現(xiàn)，有時(shí)候也要依托物理基本規(guī)律來展示更為精彩的物理實(shí)驗(yàn)，我們應(yīng)該給學(xué)生以全面的機(jī)會，讓實(shí)驗(yàn)服務(wù)于學(xué)生，讓學(xué)生參與、體會甚至創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，是我們在教學(xué)中所追求的更高目標(biāo).