不同實驗教學方法的探討

摘要：隨著教學改革的推進和信息化技術的不斷成熟，為了提升課堂教學的效率，大家都在探索將新的技術引進中學理科的課堂教學中。本文就是用不同的實驗方法嘗試性地進行比較如何提高高中物理中牛頓第二定律的，我們將教學效率的感覺說出來與大家商討。

關鍵詞：牛頓第二定律；數字化實驗室；課堂效率

中圖分類號：G632.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）04-0257-03

2005年教育部開始實行的高中課程改革，是一次全面提高學生的科學素養，滿足全體學生的終身發展需求作為培養目標的改革。新課改中的物理教學是著力于讓學生在學習初步的物理知識與技能的過程中，經歷基本的科學探究過程，受到科學態度和科學精神的熏陶，從而提高全體學生的科學素養、促進學生的全面發展。為更好地實現教改目標，我們認為要在教學理念、教學方法和教學儀器等方面必須做一定的探究和改進，為此我們申請并確立了進行“運用現代技術，提升高中實驗教學效率的實踐研究”的課題探究。先進的教學體系和合理的教學內容安排是取得高質量教學效果的前提，但是教學目的能否實現還在于有沒有先進的教學方法和教學手段。在高中物理實驗教學中，根據不同內容的特點要建立以學生為中心，實現以學生自我訓練為主的教學模式，特別在演示和驗證性實驗中，對經典實驗按照實驗原理要求，采用適當的技術、方法和手段，便于學生學習實驗基礎知識和操作技術，理解理論教學內容和實驗設計者的原創思想。我們將牛頓第二定律、牛頓第三定律、氣體的等溫變化和氣體的等容變化等一系列內容作為一個一個探究單元，利用數字化實驗設備和利用傳統的實驗設備分別進行比較，用不同的教學設備在同一教學內容中得到的不同的效果。本文我們僅以牛頓第二定律的教學為例來簡單談談我們的實驗教學方法和教學感受。

牛頓第二定律是本章的重點也是高中物理的重點內容。牛頓第二定律關系式是分析解決運動學問題的基礎，闡明了物體的加速度跟力和質量間的定量關系，它是在實驗基礎上建立起來的重要定律，所以這一節課的關鍵是要做好實驗，探究牛頓第二定律。我們主要是用控制變量法，即當質量不變的情況下，探究加速度與力的關系，在力相同的情況下探究加速度與質量的關系。在高中階段的物理教學中這兒是首次引入控制變量的科學思維方法。本節的教學目標是：知識目標：①理解加速度與力和質量的關系；②知道得到牛頓第二定律的實驗過程；③理解牛頓第二定律的內容，知道定律的確切含義；④能運用牛頓第二定律解答相關問題；能力目標：培養學生的實驗能力、分析能力和解決問題的能力；德育目標：使學生知道物理中研究問題時常用到的一種科學方法——控制變量法。從書上本節的內容和要求來看，做好實驗是本節課的主要內容和得出結論的唯一途徑，只有精確的實驗數據才能自然地產生結論。所以要上好這堂課，做好實驗是關鍵。要想得出好的實驗數據，就得選擇好的實驗器材和設計好實驗過程。為此，我們在這節課前，課題組的老師經過了充分的討論設計，選出了在物理成績、對物理的理解、掌握能力各方面差不多的三個高一班級進行嘗試比較。高一（6）班用牛頓第二定律演示儀來做這兩個實驗探索，高一（3）班是用軌道、小車和火花式打點計時器等傳統儀器來完成實驗，高一（5）班是用我們數字化實驗室的那套儀器來做這兩個實驗。

實驗教學預設：高一（6）班用牛頓第二定律演示儀。其原理是利用上、下兩輛小車同時從速度為零開始加速運動在相同時間內所移動的距離S（S=？搖，運動時間t相同）來比較加速度a（？搖=？搖）。所用儀器是：牛頓第二定律演示儀、天平及砝碼、鉤碼50克×10的1盒、鉤碼10克×2的1盒、鉤碼20克×2的1盒。因為小車的質量接近200克，掛著小桶的質量接近10克。且由實驗器材本身（如長度等）因素的限制，我們只能測三種數據，本實驗中為了比較方便比較我們只能以100克的倍數來改變質量，以10克力的倍數來改變拉力的大小，進行粗略地比較。第一部分實驗是掛了相同的鉤碼（即拉力相同的情況下，探究加速度與質量的關系），而在小車中不放、放入兩個50克和四個50克的鉤碼，進行實驗得出數據。在高一（3）班中，我們用了軌道小車及打點計時器來做實驗，所用的實驗器材是：打點計時器、軌道小車、天平及砝碼、鉤碼50克×10的1盒、鉤碼10克×2的1盒、鉤碼20克×2的1盒、米尺、紙帶和電源。在這節課中，為了節約時間，老師將班級的學生分成兩大組，一組學生專門探究質量相同時加速度與力的關系，另一組學生探究在拉力相同的情況下，加速度與質量的關系。高一（5）班是用我們數字化實驗室的那套儀器按要求來做這兩個實驗。儀器是手持主機、導軌、小車、位移傳感器和2克鉤碼若干。

通過這三堂課，我們發現影響完成課堂教學的任務和學生掌握知識的程度不同的主要差別在于：實驗（操作及數據處理）的時間、實驗得出的依據數據的充分性和實驗誤差等方面，下面我們將這三堂課的結果在這幾方面作一個粗略的比較：

從上表中可以看出：高一（3）班用傳統的儀器做實驗，雖然所得出的數據要比高一（6）班精確些，但由于學生要花大量的時間在處理數據上，并且在學生的測量長度等一些環節中產生的誤差比用傳感器直接測高一（5）班的實驗大，故實驗雖然取了5組數據，所得的圖線效果也不夠理想，沒有高一（5）班的精確，因此結論比較粗糙，而且這節課到實驗結論時是匆匆得出的，沒有時間總結和訓練。因此整節課就顯得匆忙和粗糙，教學效果不夠理想，在學生的課后作業中反應比較明顯。高一（6）班的實驗雖然花時間不是很長，但在實驗前老師用在實驗原理的說明、數據的讀取和處理以及說明利用位移求加速度的鋪墊上也要花去很大一部分時間，整節課時間也比較緊。另外，由于實驗過程中，上、下兩個小桶及重物也要產生加速度這個誤差不同，還有小車的運動距離比較不能很精確等造成誤差較大，同時實驗時由于器材和原理等原因使得實驗次數有限（三組數據），三組數據就無法用圖線來直觀地描述加速度與和力及質量的關系，使結論的可信度降低。這節課學生基本只是知道了實驗原理，而對真正從實驗中能得出的結論印象并不深，對實驗的結論缺乏可信度，只是強迫接受老師講的結論，這樣就離新教材的要探究出這個規律目的有一定的距離了。高一（5）班我們采用數字化實驗室的那套儀器來上課，因為引入了傳感器，數據的采集就比較精確，傳感器直接與計算機連接，所以處理數據和作圖的任務就交給了計算機，這樣大大節省了讀數、計算和作圖的時間，另外用得出的數據，利用計算機可以直接擬合曲線，當質量相等時加速度與拉力得到了一條正比圖線，直接能說明，在質量相等時加速度與力成正比；當拉力相同時得出加速度與質量的數據擬合的是一條類似于雙曲線形狀的曲線，再將加速度與質量的倒數進行擬合，結果得出的是一條正比例曲線，則說明加速度與質量成反比關系。從實驗采集數據到擬合曲線到得出實驗結論，整個完整的過程只花去了不到一刻鐘的時間。以往時間很緊的一節課，用現代化實驗室來完成實驗，探究實驗做得詳細、清晰，得出的實驗結論直觀形象、可信度高，探究出的實驗結論給學生印象深刻，課堂現代氣息濃厚，調動了學生參與的熱情。這節課“在培養學生在控制變量方面的探究能力”這個目的真正能夠很好地達到，忽略的是數據處理這個過程，從而讓老師有充實的時間講解例題，還可以讓學生在課堂上完成一些練習。

從三個班級的課比較來看，我們感覺到用數字化實驗設備完成這堂課有以下優勢：①時間的優勢；②減小誤差的優勢；③實驗結論的可信度和直觀性有所提高；④實驗條理清晰目的達成度高；⑤老師對教學內容有寬余的時間把握，學生也有多余時間訓練，⑥引入先進理念。三個班級同樣的教學內容完成后，從作業上和后來跟蹤考試的反饋情況來看，用數字化設備上課的班級，不管是對知識點的理解方面還是對內容的掌握方面都是最好的，所以從這可以看出，只要我們合理地運用現代技術，確實能夠提升實驗教學效率。

由此可以看出，利用現代的實驗教學設置，改進和補充原來的教學方法，能更好地激發學生的學習興趣，提高學習效率，幫助學生形成良好的科學素養，養成實事求是的科學態度。