物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提升科學(xué)思維品質(zhì)的實(shí)踐策略

劉振和 張永鋒 李旺

[摘 要]高中物理實(shí)驗(yàn)對(duì)落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)具有非常重要的作用。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，不僅可以幫助學(xué)生鞏固所學(xué)物理知識(shí)，鍛煉科學(xué)思維，還可以提升學(xué)生的思維品質(zhì)，使思維的深刻性、廣闊性、靈活性、批判性和創(chuàng)造性在一定程度都得到培養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]高中物理;實(shí)驗(yàn)教學(xué);科學(xué)思維

[中圖分類號(hào)] ? ?G633.7 ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號(hào)] ? ?1674-6058（2022）17-0046-04

物理實(shí)驗(yàn)在新課程實(shí)施過(guò)程中占有重要的地位，對(duì)提高學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著不可替代的作用。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)形成、深化物理觀念，提升學(xué)生科學(xué)思維品質(zhì)，激發(fā)學(xué)生探究意識(shí)，幫助學(xué)生樹(shù)立正確的科學(xué)態(tài)度都有重要的作用。為此，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中教師應(yīng)注意采取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，以培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性、廣闊性、靈活性、批判性和創(chuàng)造性。

一、理解經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)思維的深刻性

思維的深刻性指的是思考問(wèn)題時(shí)能夠把握本質(zhì)特點(diǎn)和內(nèi)在規(guī)律，能排除表面的、片面的、偶然的干擾因素，能透過(guò)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)事物必然、內(nèi)在、本質(zhì)的聯(lián)系。

經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含著深刻的物理思想和典型的實(shí)驗(yàn)方法。許多教師在教學(xué)中往往注重實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理未做深入的剖析，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)只會(huì)按部就班地進(jìn)行操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的合理性和必要性認(rèn)識(shí)不到位（如，知其然，不知其所以然），而經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的教育功能也沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。新課程理念下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師不僅要讓學(xué)生會(huì)做實(shí)驗(yàn)，更要引導(dǎo)學(xué)生深層次思考，搞清楚為什么要這樣做實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)類比、分析、綜合、推理和論證等過(guò)程，鍛煉思維能力，培養(yǎng)思維的深刻性。

[案例1]對(duì)實(shí)驗(yàn)“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的研究（實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示）。

分析和討論：對(duì)于這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，除了讓學(xué)生掌握具體操作知識(shí)，還要幫助學(xué)生消除困惑，為此，教師要深入挖掘?qū)嶒?yàn)的操作依據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考以下問(wèn)題。

（1）實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是誰(shuí)？

答：小車，注意不是小車和鉤碼組成的系統(tǒng)。

（2）為什么要平衡摩擦力？

答：為了使研究對(duì)象受到的合外力簡(jiǎn)單，即由細(xì)線拉力單獨(dú)充當(dāng)。

（3）怎樣平衡摩擦力？

答：在長(zhǎng)木板無(wú)滑輪的一端墊上小木塊，使其適當(dāng)傾斜，利用小車重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡;平衡摩擦力的標(biāo)準(zhǔn)是小車帶著紙帶恰好可以沿板勻速下滑。

（4）平衡摩擦力時(shí)為什么不能在輕繩的另一端掛托盤(pán)，但是必須讓小車連上紙帶，且讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處于工作狀態(tài)？

答：不掛托盤(pán)是為了使繩對(duì)小車沒(méi)有拉力，此時(shí)小車只受到重力、支持力和阻力。平衡摩擦力使這三個(gè)力的合力為零。實(shí)驗(yàn)時(shí)，小車的合外力就只有繩子拉力了。讓小車連上紙帶，且讓打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處于工作狀態(tài)，這樣就平衡了包括滑動(dòng)摩擦力，紙帶所受的摩擦力在內(nèi)的所有阻力。

（5）細(xì)線為什么必須與木板平行？

答：細(xì)線如果不與木板平行，細(xì)線上的拉力會(huì)在垂直木板方向有分力，小車所受合外力就不等于細(xì)線的拉力。

（6）為什么要求小車質(zhì)量[M]遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量[m]？

答：對(duì)小車和鉤碼組成的系統(tǒng)，由牛頓第二定律有[mg=（M+m）a]，對(duì)小車有[F=Ma]，聯(lián)立可得小車加速度為[a=mM+mg]，細(xì)線上的拉力[F=MM+mmg=mg1+mM]，只有當(dāng)[M?m]時(shí)，才可近似認(rèn)為小車所受的拉力[F]等于[mg]，所以可以通過(guò)測(cè)量鉤碼質(zhì)量，從而得到細(xì)線拉力，即小車所受合外力。

這些看似細(xì)小的問(wèn)題都有著深刻的道理，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生探尋其中的道理，找尋隱藏在現(xiàn)象背后的原因，這樣既解答了學(xué)生的疑惑，也加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生思維的深刻性。

二、多種思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)思維的廣闊性

思維的廣闊性指的是思考問(wèn)題思路開(kāi)闊，不拘泥于一種途徑，可以多方位、多層次地探索問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生多角度思考實(shí)驗(yàn)原理、過(guò)程和處理數(shù)據(jù)的方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生各方面的知識(shí)和技能，深化對(duì)概念、規(guī)律的理解，突破學(xué)生的慣性思維，培養(yǎng)學(xué)生思維的廣闊性。

[案例2]電阻的測(cè)量。

分析和討論：電阻測(cè)量，依據(jù)不同的思路可以有多種方法，教師可指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行梳理，得到以下幾種常用方法。

（1）伏安法：根據(jù)電阻的定義[R=UI]，利用如圖2甲（內(nèi)接法）或乙（外接法）的電路測(cè)量。

（2）歐姆表法：利用歐姆表，根據(jù)閉合電路歐姆定律測(cè)電阻。

（3）替代法：用如圖3所示電路，根據(jù)[Rx]和[R2]可以等效替代測(cè)出[Rx]的阻值。

（4）半偏法：利用如圖4甲所示電路可以測(cè)電流表[G]的電阻，利用如圖4乙所示電路可以測(cè)電壓表[V]的內(nèi)阻。

（5）差值法：用如圖5甲所示電路（應(yīng)知道電壓表[V1]的內(nèi)阻）或圖5乙所示電路（應(yīng)知道電流表[A2]的內(nèi)阻）可以測(cè)量電阻[Rx]的阻值。

（6）電橋法：利用如圖6所示的電路在電橋平衡時(shí)（即電流表讀數(shù)為零）的關(guān)系可以測(cè)量電阻[Rx]的阻值。

教師指導(dǎo)學(xué)生一題多解，幫助學(xué)生對(duì)已經(jīng)獲得的知識(shí)進(jìn)行歸納整理，使學(xué)生打通不同方法的界限。這樣可使學(xué)生的知識(shí)體系變得更加完善和順暢，方便學(xué)生隨時(shí)調(diào)用知識(shí)，從而使學(xué)生能夠站在更高的角度審視問(wèn)題，擴(kuò)展學(xué)生的思維視野。

三、變通使用儀器儀表，培養(yǎng)思維的靈活性

思維的靈活性指研究問(wèn)題時(shí)善于根據(jù)問(wèn)題的變化，及時(shí)調(diào)整思考方向，并且能在不同的思考方向間順暢變通，自如切換。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要指導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)理論和技能，靈活使用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器。

[案例3]用以下器材測(cè)量電阻[Rx]的阻值。

待測(cè)電阻[Rx]，阻值約為600 Ω;電源[E]：電動(dòng)勢(shì)約為6.0 V，內(nèi)阻可忽略不計(jì);電壓表V1，量程為0～500 mV，內(nèi)阻r1=1 kΩ;電壓表V2，量程為0～6 V，內(nèi)阻[r2]約為10 kΩ;電流表A，量程為0～0.6 A，內(nèi)阻[r3]約為1 Ω;定值電阻 [R0=60 Ω];滑動(dòng)變阻器[R]，0～150 Ω;單刀單擲開(kāi)關(guān)S一個(gè)，導(dǎo)線若干。

（1）測(cè)量中要求兩個(gè)電表的讀數(shù)都不小于其量程的1/3，并能測(cè)量多組數(shù)據(jù)，請(qǐng)畫(huà)出測(cè)量電阻[Rx]的實(shí)驗(yàn)電路圖。

（2）若選擇測(cè)量數(shù)據(jù)中的一組來(lái)計(jì)算[Rx]，則由已知量和測(cè)量物理量計(jì)算[Rx]的表達(dá)式為[Rx=] ? ? ? ? ? ? ? ? ，式中各符號(hào)的意義是_____________________。（所有物理量用題中代表符號(hào)表示）

分析和討論：由于題中電流表A量程太大，如果使用該電流表測(cè)量，則示數(shù)小于量程的1/3，測(cè)量誤差太大，所以可以考慮用內(nèi)阻已知的電壓表V1測(cè)電流，但是其量程比較小，只有[IV1=URV1=500×10-31000A=5×10-4A]，這樣的話，電阻[Rx]上的最大電壓為[Um=IV1Rx=5×10-4×600 V=0.3 V]，不到電壓表V2量程的三分之一[13×6 V=2 V ]，所以必須對(duì)電壓表V1這個(gè)“反串”的電流進(jìn)行改裝擴(kuò)容，使其量程增大。把定值電阻[R0]用作分流電阻，這樣電壓表V1就被改裝成量程合適的電流表。結(jié)合其他分析計(jì)算可知，本題應(yīng)該設(shè)計(jì)出如圖7所示的電路，這也是第（1）問(wèn)的答案。

推理可知，待測(cè)電阻的計(jì)算式為[Rx=U2-U1U1（R0+r1）R0r1=（U2-U1）R0r1U1（R0+r1）]，其中[U1]，[U2]分別是電壓表V1，V2的讀數(shù)，這就是第（2）問(wèn)的答案。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，要準(zhǔn)確掌握各器材特點(diǎn)和原理，根據(jù)需要使它們扮演更多的角色。為此，教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生深刻理解實(shí)驗(yàn)原理和方法，打破學(xué)生的慣性思維，培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性。

四、全面評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)思維的批判性

思維的批判性指的是善于獨(dú)立思考，善于質(zhì)疑批判，對(duì)思維過(guò)程和結(jié)果能進(jìn)行評(píng)價(jià)并做必要的修正，善于對(duì)相似或者相近的問(wèn)題進(jìn)行辨析。在物理實(shí)驗(yàn)中，善于對(duì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，舍棄不合理的方案，選擇最佳方案或方法就是思維批判性的表現(xiàn)。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑，審視實(shí)驗(yàn)原理，努力尋找更便捷、科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案。

[案例4]（2020年北京市普通高中學(xué)業(yè)水平等級(jí)考試）用圖8所示的甲、乙兩種方法測(cè)量某電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻（約為1 Ω）。其中[R]為電阻箱，電流表的內(nèi)電阻約為0.1 Ω，電壓表的內(nèi)電阻約為[3 kΩ]。

（1）利用圖8甲所示實(shí)驗(yàn)電路測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)[E]和內(nèi)電阻[r]，所測(cè)量的實(shí)際是圖9中虛線框所示“等效電源”的電動(dòng)勢(shì)[E′]和內(nèi)阻[r′]。若電流表內(nèi)電阻用[RA]表示，請(qǐng)你用E、r和[RA]表示出[E′]，[r′]，并簡(jiǎn)要說(shuō)明理由。

（2）某同學(xué)利用圖像分析甲、乙兩種方法中由電表內(nèi)電阻引起的實(shí)驗(yàn)誤差。在圖10中，實(shí)線是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖得到的[U-I]圖像，虛線是該電源的路端電壓[U]隨電流[I]變化的[U-I]圖像（沒(méi)有電表內(nèi)電阻影響的理想情況）。

在圖10中，對(duì)應(yīng)圖8甲電路分析的[U-I]圖像是 _______________;對(duì)應(yīng)圖8乙電路分析的[U-I]圖像是 _______________。

（3）綜合上述分析，為了減小由電表內(nèi)電阻引起的實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇圖8中的 ? ? ? ? ? ? ? （填“甲”或“乙”）。

分析和討論：（1）將電源和電流表視為等效電源，電源電動(dòng)勢(shì)是電源本身屬性，電流表不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，所以等效電源的電動(dòng)勢(shì)為[E′=E]，而電流表的內(nèi)電阻和電源的內(nèi)電阻作為等效電源的內(nèi)電阻，即[r′=r+RA]。

（2）對(duì)圖8甲電路，考慮電表內(nèi)電阻時(shí)，根據(jù)閉合電路歐姆定律得[E=U+I（r+RA）]，變形得[U=-（r+RA）I+E]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，分析可得[U=-r′I+E]。

從以上分析可知，對(duì)圖8甲電路，兩[U-I]圖像與縱軸截距均為電源電動(dòng)勢(shì)[E]，虛線對(duì)應(yīng)的斜率大小為[r]，實(shí)線對(duì)應(yīng)斜率大小[r′]為（[r+RA]），所以對(duì)應(yīng)圖8甲電路分析的[U-I]圖像是[C]。

對(duì)圖8乙電路，考慮電表內(nèi)阻時(shí)（即虛線對(duì)應(yīng)的真實(shí)情況），根據(jù)閉合電路歐姆定律得：[E=U+I+URVr]，變形得[U=-RVrRV+rI+RVRV+rE]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，分析可得[U=-r′I+E′]。

虛線對(duì)應(yīng)的斜率大小為[r]，實(shí)線對(duì)應(yīng)的斜率大小[r′=RVRV+rr

（3）根據(jù)題中數(shù)據(jù)，[rrA=1 Ω0.1 Ω=10]，[rVr=3000 Ω1 Ω=3000]，在圖8甲電路中，雖然測(cè)量的電源電動(dòng)勢(shì)準(zhǔn)確，但電流表分壓較為明顯，內(nèi)電阻測(cè)量誤差很大;圖8乙電路雖然電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻測(cè)量均偏小，但電壓表內(nèi)電阻很大，分流不明顯，所以電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的測(cè)量誤差較小，所以選擇圖8乙可以減小由電表內(nèi)電阻引起的實(shí)驗(yàn)誤差。

本題答案：（1）[E′=E]，[r′=r+RA]，理由見(jiàn)解析 （2）C A（3）乙

五、重視實(shí)驗(yàn)拓展遷移，培養(yǎng)思維的創(chuàng)造性

思維的創(chuàng)造性指的是思維不拘泥于舊的模式，能另辟蹊徑思考問(wèn)題，思維具有新穎性、獨(dú)特性和發(fā)散性。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生跳出已有思維模式，把所學(xué)習(xí)的核心理論、操作方法大膽地拓展、遷移和組合，從而深化物理觀念，培養(yǎng)探究能力，鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)造性。

[案例5]驗(yàn)證碰撞中的動(dòng)量守恒。

分析和討論：教材提供了“驗(yàn)證碰撞中的動(dòng)量守恒”的多種實(shí)驗(yàn)方案，在教學(xué)中可結(jié)合一些習(xí)題中涉及的情景，對(duì)以前的知識(shí)進(jìn)行組合、拓展和遷移，提出新的實(shí)驗(yàn)方案，以此引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)拓性地思考問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生思維的創(chuàng)造性。

教材中碰撞、平拋方案組合。

如圖11所示，小球1和小球2大小相同，先讓質(zhì)量較大的小球1從斜槽上某一固定高度[A]處由靜止釋放，從斜槽末端[B]處水平拋出后落于[P]點(diǎn);將小球2放于[B]處，再次讓小球1從[A]處無(wú)初速釋放，在[B]處與小球2碰撞后，小球1落于[M]點(diǎn)，小球2落于[N]點(diǎn)，找到[B]點(diǎn)在地面上的投影點(diǎn)[O]，測(cè)出[OM]、[OP]、[ON]的長(zhǎng)度。

分析：如果碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒，則[m1v0=m1v1+m2v2]，設(shè)小球平拋過(guò)程用時(shí)為[t]，則有[m1OPt=m1OMt+m2ONt]，可得[m1·OP=m1·OM+m2·ON]。在具體實(shí)驗(yàn)中，如果有[m1·OP=m1·OM+m2·ON]，即驗(yàn)證了該碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒。

拓展思路1.實(shí)驗(yàn)方法及條件與思路1中相同，讓小球平拋后落在斜面[BC]上，如圖12所示，測(cè)出小球質(zhì)量和[BM]、[BP]和[BN]的長(zhǎng)度。

分析：設(shè)斜面傾角為[θ]，落點(diǎn)到[B]距離為[L]，由平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律有[Lsinθ=12gt2]，[Lcosθ=vt]，聯(lián)立可得[v=gLcos2θ2sinθ∝L]。

若碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒，則[m1v0=m1v1+m2v2]，代入各速度，整理得[m1BP=m1BM+m2BN]。

在實(shí)驗(yàn)中，如有[m1BP=m1BM+m2BN]，則驗(yàn)證了碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒。

拓展思路2.碰撞、平拋和豎直面組合。

如圖13所示，其他條件與思路1相同，但是讓小球平拋后都打在同一豎直面上，這說(shuō)明各平拋過(guò)程的水平位移[x]相同。

分析：根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由[h=12gt2]，[x=vt]聯(lián)立得到[v=xg2h∝1h]。

設(shè)[O]點(diǎn)是與拋出點(diǎn)等高的一點(diǎn)，各次落點(diǎn)分別是[P]、[M]、[N]，[O]點(diǎn)到各點(diǎn)距離為[OP]、[OM]、[ON]。如果碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒，則有[m1v0=m1v1+m2v2]，可得[m1OP=m1OM+m2ON]。

實(shí)驗(yàn)中，若測(cè)得的數(shù)據(jù)滿足[m1OP=m1OM+m2ON]，則驗(yàn)證了碰撞過(guò)程動(dòng)量守恒。

在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)策略，積極引導(dǎo)學(xué)生深入分析實(shí)驗(yàn)原理與過(guò)程、數(shù)據(jù)處理方法以及實(shí)驗(yàn)誤差，不僅可以讓學(xué)生進(jìn)一步理解物理知識(shí)，掌握物理實(shí)驗(yàn)方法，還可以提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)，助力學(xué)生全面成長(zhǎng)。

[ ? 參 ? 考 ? 文 ? 獻(xiàn) ? ]

[1] ?中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2] ?彭聃齡.普通心理學(xué)[M].5版.北京：北京師范大學(xué)出版社，2019.

（責(zé)任編輯 易志毅）