理論聯系實踐培養學生物理實驗思維能力

在中學物理實驗教學中，有這樣的一道試題：

某實驗小組采用圖1所示的裝置探究“恒力做功與動能改變的關系”，在平衡摩擦力后，實驗過程中還應滿足鉤碼的質量m遠小于小車的質量M，這樣做的主要原因是

A.方便減小小車的速度

B.防止小車運動時加速度過大

C.防止拉小車的細線在實驗過程中拉斷

D.確保小車受到的合外力與鉤碼的重力近似相等

受測試的大部分同學均能選出正確的D選項。此題考查的知識點屬于魯科版《必修2》教材的學生分組實驗“恒力做功與動能改變的關系”有關實驗原理的兩個重要知識點之一。

過后，一位同學提出質疑，認為B選項也符合題意要求，理由是：

本實驗平衡摩擦后，細線對小車的拉力就成為小車受到的合外力，不借助其它儀器直接測出此拉力難度大，于是考慮用鉤碼的重力代替。對鉤碼受力分析后得到F=mg-ma，由式中可知只有當加速度a很小時，才有F≈mg，即小車受到的合外力與鉤碼的重力近似相等。如果m不能遠小于M，會導致加速度a過大，造成較大的實驗誤差。因此，B選項也符合題意的要求，故符合題意的答案應為B、D。

粗看學生的整個分析、推理過程，未發現有明顯不妥之處。B選項所述是否屬于“主要原因”之一呢？我讓該同學把當時在實驗室得到的紙帶拿出，提醒他算一算實驗過程中小車運動的加速度大小，并留意實驗時所測小車的質量及所掛鉤碼質量。

學生很快完成了我布置的任務。實驗時他用到的小車質量205.9g，當分別掛上10g、20g的鉤碼時，由紙帶得到小車運動的加速度大小分別為0.55m/s2、0.94m/s2。從兩次實驗可以發現，掛10g鉤碼時，M≈20m；掛20g鉤碼時，M≈10m。顯然，所掛鉤碼質量增大，小車的加速度也會增大。但本實驗由于受m遠小于M的制約，所掛鉤碼質量不能無限地增大。實驗中掛20g的鉤碼時就已經不滿足m遠小于M的前提要求，此時0.94m/s2的加速度仍是個較小的值。

而后，我讓該同學自己再分析，本題中的B選項是否符合題意？他恍然大悟：在滿足m遠小于M前提下進行實驗時，小車的加速度是比較小的，不可能達到較大的加速度。可見小車的加速度不會成為影響本實驗F≈mg的主要因素。

回顧自己為該同學解惑的過程，感觸不少，也對當前中學物理實驗教學有了一些新的思考。

一、教師要努力提高自身的物理實驗思維能力

對物理實驗，教師首先要吃透實驗原理，掌握實驗的關鍵和操作要點。在實驗器材和裝置的選擇、尋找替代方面，自己首先動手去做實驗，并將過程和效果與理論進行比較。教師要想向學生講清、講透實驗原理，就必須自己對實驗原理有更深層次的認識。實驗原理不僅僅指實驗目的中所要說明的物理道理，它是實驗方法、實驗裝置和器材、實驗過程、實驗結果分析等所依據的物理道理。原理分析中所涉及的許多情況、因素和信息，往往要靠自己去尋找、收集、探究、試驗。

此次面對學生提出的質疑，我會讓學生把實驗室得到的數據再做處理和分析，是建立在自己也親自做過本實驗的前提下的，在實驗中也發現了小車加速度比較小的事實，于是才可以自如地引導他去分析、思考并最終解決困惑。當前的實驗教學中存在的問題是不少教師對演示實驗能講則不演示、學生分組實驗能講則不做或讓學生在實驗室放任自流，走過場。教師未親自做過實驗，對實驗過程中可能出現的問題甚至突發情況沒有預見性，學生實驗的效果也就大打折扣。長此以往，勢必大大淡化實驗在物理教學中的作用，減弱學生對物理學習的興趣。更別談可以通過實驗培養學生操作技能，發展學生非智力因素。

二、教師要注重對學生實驗思維能力的培養

教育部頒布的《考試大綱》對物理學科的實驗能力明確要求：“能明確實驗目的，能理解實驗原理和方法，能控制實驗條件，會使用儀器，會觀察、分析實驗現象，會記錄、處理實驗數據，并得出結論，對結論進行分析和評價；能發現問題、提出問題，并制定解決方案；能運用已學過的物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，包括簡單的設計性實驗”。因此，中學物理教學對學生實驗思維能力的培養就應當從上述方面入手。

1.重視對實驗原理的教學

《普通高中物理課程標準》指出：物理實驗是高中物理教學中的重要內容。在高中物理教學中，應該重視學生對物理實驗的理解。在進行學生實驗時，應該讓學生在明確實驗目的、理解實驗原理的前提下獨立操作實驗。

在實驗課堂教學實施的過程中，有的教師對實驗原理的講解往往只是“蜻蜓點水”，簡單帶過。而把重點都放在教會學生在實驗室如何進行實驗操作、如何記錄數據、如何得到實驗結果上。他們認為，學物理只要記住實驗原理、現象和結論就行了，重要的是能夠運用公式解題。所以學生的實驗過程更多是照著老師所述重復一遍，無需做更多的思考。事實上，實驗原理往往決定實驗裝置的設計、實驗器材的選取，大致關聯出實驗步驟如何進行。這一連串的因果關系就能形成學生對實驗的整體認識，對學生實驗思維能力的培養是有益的。

只有學生對實驗原理深入理解，才能認識到實驗中的關鍵點，才能對實驗得到的結果進行分析。對前面所舉試題的質疑，可以看出該同學能利用牛頓第二定律進行分析，從而得到他的觀點，就是建立在對實驗原理理解基礎上的運用。

2.注重對學生分析能力的培養

在實驗教學中對學生分析能力的培養主要體現在對實驗原理的理解和實驗結果的分析方面。

在對實驗原理的理解過程中，要引導學生充分利用已有知識，合理設計實驗裝置、選擇實驗器材，尋找獲得理想效果的實驗條件。無論對定量實驗還是定性實驗，在分析原理時，應有“量”的意識，能做定量或半定量分析的不要輕易放棄。定性分析固然簡明、快捷，但在許多情況下，僅僅停留在定性分析的基礎上是不夠的。該同學認為B選項符合題意要求，他的分析更多是利用理論知識在定性方面進行分析，而后教師引導其聯系實際進行的定量分析，可以發現加速度在本實驗中并不是主要原因。通過此次經歷，該同學對實驗原理的理解勢必又更進一步，從加速度角度對本實驗進行分析也能更深入理解本實驗之所以容易出現較大誤差的原因是與加速度較小有關。

《普通高中物理課程標準》指出：重視學生實驗技能的提高，使學生能正確使用高中物理實驗項目中的儀器和工具，獲得較準確的實驗信息。學生把實驗獲得的信息演繹、歸納成結論，只動腦不動手和只動手不動腦都是不正確的。

不少教師多年形成的“師為主、生為輔”的灌輸實驗教學方式，使得學生的實驗過程只是為了完成老師交待要做的事情，對實驗中出現的誤差或是不合理的結果不會進行思考、尋找原因，甚至拼湊實驗數據應付了事。于是，表面上學生經歷了實驗的過程，但能力卻絲毫沒有提高。“有經驗”的教師更是把每個實驗的關鍵部分不斷對學生進行“記憶式”強化，讓學生臨場應試時照搬照套。該同學所提出的問題，體現出理論與實際的矛盾，如何引導學生對出現的問題進行分析，是教師在教學中要多探索的問題。

近幾年高考命題堅持新題不難、難題不怪，試題求新求變的步伐從沒有停止，重視和加強學生實驗能力的培養是課程改革的方向。教師應重視平時對學生進行物理實驗原理的理解以及實驗分析能力的培養和滲透，使學生在不同階段得到各種能力的培養和提高。只要持之以恒，通過長時間積累，學生的實驗能力必能得到較大的提高。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2011.

[2]教育部考試中心.2012年普通高等學校招生全國統一考試大綱（理科·課程標準實驗版）[S].北京：高等教育出版社，2012.

[3]王力邦.中學物理教師的學習與思考[M].科學出版社，2009.