實驗故障在物理實驗教學中的積極作用

郝大鵬 陳華 尋之朋

摘要：實驗故障在實驗教學中除具有負面影響外，還常常具有積極的作用。本文在對實驗故障進行分類的基礎上，對各種實驗故障的正面及負面作用進行了較詳細地分析，并給出了如何有效利用實驗故障提高學生的實驗技能和分析解決問題能力的教學方法。

關鍵詞：實驗教學；實驗故障；物理實驗

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）52-0278-02

一、引言

物理實驗教學是物理教學的重要組成部分，通過物理實驗不但可以加深學生對物理知識的理解，同時可以鍛煉學生的動手能力和分析解決問題的能力。因而，物理實驗教學對本科生的基礎物理教學及后續的專業實驗教學都起到重要的作用。在物理實驗教學中，各種實驗故障經常發生。實驗故障的發生直接影響了實驗的教學進度，從而影響了對實驗現象的觀察和對實驗數據的測量。在實驗教學中教師總是采取各種必要的措施來盡量減少實驗故障的發生幾率，而在對學生的評價中也更傾向于正面評價實驗中沒有出現任何故障的學生。雖然從實際測量的角度來講，實驗故障應該盡量避免，但是從教學的角度來講，實驗故障起到的作用并非全是負面的。從一定程度上來講，實驗故障反而能使學生更好地深入理解該實驗，更能培養學生分析解決問題的能力。因而，從教育、教學的角度來講，積極地有效利用實驗故障是提高實驗教學質量的一個重要途徑。本文結合作者在實驗教學中的經驗和積極利用實驗故障促進實驗教學的嘗試就物理實驗中的實驗故障在教學中的積極作用進行闡述，重點闡述對實驗故障的分類方法和如何有效利用實驗故障的教學方法。

二、實驗故障的分類和特點

為更好地說明實驗故障對實驗教學的作用有必要對實驗教學中的常見故障進行分類。根據不同的特點，可以采用不同的分類方法。首先根據實驗故障產生的原因進行分類，實驗故障的產生原因可以分為儀器故障、操作失誤、環境影響和虛假故障等。顧名思義儀器故障是由于儀器本身出現故障造成實驗中斷或實驗現象出現異常。在基礎物理實驗中，出現儀器故障最多的是電磁學部分的實驗，在電磁學實驗中最常見的儀器故障則是所用導線的斷裂或接觸不良，如高阻直流電勢差計實驗或霍爾效應測量螺線管磁場等。當然還有些是由于實驗儀器本身出現了這樣那樣的問題造成的，在任課教師準備充分的情況下，儀器狀態通常較好，出現這種問題的可能性較小。因操作失誤造成的實驗故障出現的概率也是很大的，這主要是由于學生接觸實驗儀器較少，對實驗操作不夠熟練。而最主要的原因在于部分學生課前預習不充分，對實驗原理、實驗內容及實驗步驟都不熟悉，加之“野蠻操作”就容易做出錯誤操作。操作失誤是應該通過課前預習和實驗中教師的講解盡量避免的，而且由操作失誤引起的實驗故障通過仔細檢查操作或重新開始全部操作能夠比較快地得到排除。周圍環境也會對某些光學或聲學實驗產生顯著的影響。例如在全息照相實驗中實驗臺的穩定性起到關鍵性作用，如果在實驗中有同學碰到了實驗臺使得實驗臺發生輕微的震動，此時對全息圖像的觀察和拍攝就會受到影響?；蛘咴诼晫W實驗中周圍的噪聲可能對實驗造成不可預知的影響。以上分類中的虛假故障并不是真正的實驗故障，而是因為學生對實驗原理、實驗現象和實驗結果不熟悉，得到了實驗結果而不能辨識，或者對實驗操作的精細程度沒有客觀的認識，對儀器的調節缺乏足夠的耐心。這種現象多出現在光學實驗中，光學實驗對光路的調節有較高的要求，需要學生有較好的實驗操作技能基礎和足夠的耐心。例如在邁克耳遜干涉儀實驗中，如果學生沒有對固定反射鏡的方位進行精確調節，無論怎么調節螺旋手輪均觀測不到合適的干涉圖像。而在分光計測量三棱鏡折射率實驗中，由于分光計的調節步驟比較多，如果學生在前邊的步驟中調節不到位，則后邊就觀察不到正確的現象，整個實驗調節只能中斷并重新開始。根據實驗故障的現象特點同樣可以對實驗故障進行分類。我們可以將實驗故障分為定量故障和定性故障。定量故障主要是指在出現實驗故障時所表現出來的現象不明顯，如果不仔細觀察或不熟悉正確的實驗現象可能會被忽略。學生完成了全部的實驗內容而得到的結果卻出現問題，大部分都是此類故障所引起的。這類實驗故障的產生原因有學生操作不規范引起的，也有實驗儀器本身的問題引起的。對于實驗儀器的問題，在實驗前的準備階段實驗教師應重點排查，將實驗儀器維護到最佳狀態。另外一種則是現象非常明顯的故障，我們稱之為定性故障。這主要表現為該有的實驗現象沒有出現或者出現的現象明顯不同于預期。這類故障主要表現為在實驗中儀器現象異?；蛘咴诠鈱W實驗中觀察不到任何現象等。這類故障比較容易發現，也是發現后需要立即解決的實驗故障。

三、不同類型實驗故障在實驗教學中的作用

在實驗教學中，以上各分類的實驗故障所起到的作用也是不同的，可以說是千差萬別的。實驗故障對實驗教學除具有影響教學進度等負面的影響外還具有積極的正面作用。這主要表現在，出現因儀器故障造成的實驗故障后，學生在積極解決實驗故障過程中必須能夠深入理解實驗原理，并進一步熟悉實驗儀器。從微觀上來講通過對實驗故障的排除能夠加深對實驗原理的理解和對實驗儀器的熟悉；而從宏觀上來講，則為學生提供了一個難得的鍛煉機會，對培養學生分析問題和解決問題的能力極其重要。不管是微觀上的作用還是宏觀上的作用都是一帆風順的正常實驗步驟所無法提供的。對于操作失誤做成的實驗故障則應該在教學中盡量避免，雖然這類實驗故障也能起到一定的積極的作用，但是操作失誤往往容易損害實驗儀器或對學生的安全造成傷害，所以必須設法避免。對于環境因素產生的實驗故障有些不容易排除，但是通過對現象和產生原因的分析卻能很好的鍛煉學生的分析能力，因而也具有一定的積極意義。在實驗中出現的虛假故障則是由于學生對實驗儀器的調節認識不足或馬虎造成的，這類故障的出現具有更多的負面影響，從實驗教學的角度很難找到其積極的意義，因而應盡量避免。在學生報告這類故障后，任課老師應對學生進行必要的指導，建議他們多思考并更加仔細地對待實驗，對于這類問題的解決應主要依賴于學生的實驗能力，要避免老師越俎代庖。從實驗故障的現象分類上來說，定性實驗故障相比定量實驗故障對實驗教學和學生培養更具有積極的意義。這主要是因為定性實驗故障從現象上非常明顯，在出現故障后學生能及時發現并設法排除這些故障，在排除故障過程中能夠從中學到更多的知識。而對于定量故障則難于發揮出積極的作用，定量故障對實驗教學的影響幾乎是負面的。這是因為，第一，定量故障的現象不明顯，僅和正常實驗現象有細微的差異或和正確的結果有較小的偏差。出現定量故障時學生通常難于及時發現，不能引起學生的注意。第二，這種實驗故障對學生觀察實驗現象和測量實驗數據都具有一定的負面影響。因而在實驗教學中定量故障是應該努力避免的。

四、如何在實驗教學中恰當處理實驗故障

為在實驗教學中取得良好的教學效果，任課教師應盡量避免在實驗中出現定量實驗故障，尤其是具有較小差異的實驗故障。這類故障需要根據產生的原因分別進行排除。首先定量故障主要是由于儀器本身沒有調零或者儀器元器件老化、損壞等因素造成的，在實驗之前應對每一組儀器進行校準，對實驗全程的操作進行重復或采用較簡單的方法對關鍵的實驗現象或實驗數據進行核對，在實驗前消除實驗儀器出現定量故障的隱患。學生的操作失誤也是產生定量故障的重要原因，這主要是由于個別學生實驗操作不夠仔細或存在誤操作所引起的。在實驗教學中應強調按照正確的操作步驟進行操作，并提醒學生仔細認真。而對于環境因素引起的故障也多屬于定量故障，由于環境很多時候難于改變，應在實驗前盡量消除。而我們所說的虛假故障則大多屬于定性故障，定性故障相比定量故障具有更明顯的正面作用。由于定性故障對實驗教學具有明顯的正面影響，在實驗教學中應注意利用這些定性故障來培養學生的分析和解決問題的能力。要有效利用定性實驗故障需要根據定性故障產生的原因注意以下幾點。一是強調課前預習，正常實驗教學要求學生做好課前預習，而要做到能夠排除實驗故障對課前預習的要求更高，要求學生通過課前預習理解實驗原理并對實驗儀器的操作有所了解。遇到問題能否順利解決也就成為檢驗課前預習效果的重要指標。二是實驗過程中要求學生認真操作并仔細觀察每一步的實驗現象，及時發現可能出現的實驗故障。當學生將實驗故障報告給任課老師時，應首先判斷實驗故障的類型和產生原因。如果僅僅是虛假故障，這時候應該明確告訴學生實驗儀器的調節是需要耐心和一定實驗技能的，要根據實驗步驟仔細認真地進行每一步調節，不能有急躁的心理。此時學生可能會希望老師幫其排除實驗故障，作為老師應該鼓勵學生依靠自己的能力進行解決?？梢詫W生進行啟發性指導，從以下幾點對學生進行啟發：你是如何確定出現了實驗故障的；你能確定你的操作過程沒有問題嗎；環境因素有沒有可能對實驗結果產生影響；如果是儀器故障你覺得根據故障現象判斷可能出問題的是哪些部分；你對以上實驗故障產生原因的判斷依據是什么；對故障每一種可能的產生原因，你覺得可以采取什么樣的方法進行排除。學生通過對這些問題的思考和回答將極大的加深對實驗原理的理解和對實驗儀器的熟悉。在學生拿出可行的解決方案后，鼓勵學生按照既定方案嘗試排除實驗故障。對學習確有困難的學生，教師可以幫助他們調節儀器或排查故障，但在做每一步操作的同時應該給該學生講解操作的原理。將教師排查實驗故障的思路告訴該學生，能有利于培養學生自主完成后續實驗的能力。在實驗故障排除并順利完成實驗后，要求學生在實驗報告中對實驗中出現的故障和排除過程進行較詳細的總結。為保證學生在實驗報告中能如實地總結實驗中遇到的問題和解決過程，老師首先應該強調實驗故障的發現和排除對提高實驗技能的重要作用，另外還可以通過一定的分數杠桿來調動學生的積極性。通過在實驗報告中的總結可以使學生將自己解決實驗故障的思考過程和處理方法系統化，有利于后續實驗的學習。

五、討論和結論

在實驗教學中，實驗故障并非總是起到負面的作用。本文通過實驗故障的分類說明了有些實驗故障是可以起到積極作用的。實驗故障在很大程度上可以說是實驗中不可避免的問題，傳統觀念上教師在準備實驗中總是盡量避免實驗故障的發生，而學生也將實驗故障看作是實驗失敗，在出現了實驗故障后比較緊張，或強烈依賴于任課教師來解決。我們對實驗故障進行較詳細的分類后發現，實驗故障并不都是壞事，有些實驗故障的出現和排除對實驗教學可以說起到了非常正面的作用，或者說其對實驗教學的獨特作用是正常實驗過程所沒有的。要想在實驗教學中盡可能地利用實驗故障培養學生良好的實驗習慣和分析解決問題的能力，首要的任務就是對實驗故障進行詳細的分類，根據不同類型的實驗故障的特點分析其對實驗教學的作用。在此基礎上，對實驗故障采取差別化處理，對定量故障而言，在實驗準備前盡量消除；而對定性故障，在實驗中出現后可不急于幫助學生排除，而是鼓勵學生自主分析問題，提出故障解決方案。要做到這一點，首先要嚴格要求學生課前預習，另外在實驗過程中要求學生手腦并用，及時發現實驗中出現的不正?，F象。

總之在實驗教學中對于實驗故障要做到合理分類、區別處理、適當引導。在這些措施的保障下，實驗故障的正面影響才能夠更好地發揮出來。

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