例談多種變換培養學生的實驗能力

高考實驗題本著來源于教材而不拘泥于教材的原則，通過各種變換后呈現給學生。所以，教師可在課堂中對現有實驗進行些變換創新，以此為契機，發散學生的思維，培養其實驗能力，進而形成創新意識。

下面筆者就以測量玻璃的折射率為例做些變換。此實驗原理在教材上采用的是插針法，器材有：玻璃磚、白紙、木板、圖釘、大頭針、刻度尺、量角器、鉛筆等，光路原理如圖1。只要用量角器量出i和r的角度，根據公式n=sini/sinr，便可計算出折射率n。

一 變換實驗器材，培養實驗遷移能力

變換1：上述實驗中，如果給定一塊兩表面相互平行的玻璃磚，其中一個表面bb′是鍍銀表面，光線不能通過。現要測定此玻璃磚的折射率，請簡述實驗步驟并寫出作圖步驟（其他器材不變）。

解析：如圖1，在aa′一側觀察P1、P2（經aa′折射、bb′反射，再經aa′折射后）的像，在適當位置插上大頭針P3，讓P3擋住P1、P2的像；再插上大頭針P4讓它擋住P1、P2的像和P3，畫出光路圖，根據公式便可算出n。

教材用的是透明平行玻璃磚，而上述變法則把透明玻璃磚變換成反射式玻璃磚，其實驗方法和原理是一樣的，但靈活性增強了。通過變換，培養了學生對實驗方法和原理的理解能力和遷移能力，增強了思維的敏捷性。

二 變換實驗方法，培養綜合應用能力

變換2：用半圓形玻璃磚測定玻璃折射率的方法如下：（1）如圖2所示，不改變入射光的方向和位置，讓玻璃磚以O點為軸逆時針轉到從玻璃磚平面一側恰好看不到出射光為止。（2）用鉛筆描出此時玻璃磚直徑的位置，移去玻璃磚測出玻璃磚轉過的角度β，則玻璃的折射率n為多少？

解析：這是利用光的全反射現象測定玻璃折射率的方法。當入射角i增大到等于某值時剛好沒有光線射出，此時的入射角i即玻璃的臨界角，也就是玻璃磚平面轉過的角度β。由全反射規律可得n=1/sinβ。

上述變換打破了用插針方法來確定光路的思維，而是利用全反射原理來確定折射光路。學生必須靈活應用所學的知識去理解實驗原理，才能順利解題，此過程培養了學生綜合應用知識的能力。

三 變換數據處理方法，培養數學應用物理的能力

變換3：學生在做“測量玻璃的折射率”實驗時，如果器材中沒有量角器只有圓規，則如何算出折射率n？

解析：如圖1，只要以圖中點O為圓心，OO′為半徑畫圓，交ON于B點，交ON′于D點，用刻度尺量出AB、DO′長度，則折射率n=AB/DO′。

這樣，實驗數據的處理方法用直角三角形的邊與邊對應關系替代了三角函數，避免了沒有數學用表和量角器時無法計算的尷尬。學生通過積極思考，充分應用數學知識，也較容易得出此法。變換實驗培養了學生靈活處理實驗數據的能力，進而形成較強的實驗能力。

四 變換實驗要求，培養創新設計能力

變換4：請學生設計一種可以測量各種透明介質折射率的實驗器材，簡述設計原理。

經過課后交流與討論，學生設計了一種測量液體折射率的儀器，其設計原理如下：如圖3所示，在一圓盤上過其圓心O作兩條互相垂直的直徑BC、EF，在半徑OA線上放一小激光源S；每次測量時讓圓盤的BFC部分豎直浸入液體中，而后在圖中右上方區域接收沿OA方向折射出的激光。學生通過計算，預先在圓周EC部分刻好了折射率的值，這樣只要根據出射激光所在的位置，就可直接讀出液體折射率的值。

上述實驗的原理與操作方法與測量玻璃折射率一樣，只不過這里是測量各種透明液體的折射率，更重要的一點在于，它是可直接讀出折射率的一種簡易測量裝置。所以這種變換不僅是實驗設計的開放性拓展，更是實驗方式的變革，很好地培養了學生的實驗設計能力。

五 變換評價體系，培養批判質疑能力

變換5：同學們做完實驗后，討論交流本實驗有何優缺點，并試著提出改進的方案。

生1：我覺得這個實驗器材較多。

生2：我覺得實驗中有幾個地方很難做完美：一是大頭針必須豎直地插進木板；二是同時透過玻璃磚觀察第四枚大頭針要正好完全擋住前三枚大頭針……

生3：老師，我剛剛有個發現，能很好解決上面幾個缺點。我們知道理論上出射光線應與入射光線平行，所以可先在桌面上鋪一張白紙，在白紙上用直尺、三角板畫兩條錯位的平行線，標上箭頭代表入射光線和出射光線，然后將玻璃磚放在兩平行線錯位的地方，透過玻璃磚觀察，并同時沿順時針或逆時針旋轉玻璃磚，直到兩平行線看起來成一條直線，再確定玻璃磚的位置，找出入射點O，出射點O′，連接OO′，過O點作法線NN′。用量角器量出入射角和折射角，代入公式便可……

高考的實驗題得分率一直很低，究其原因是學生沒有形成良好的思維能力與實驗能力。在實驗教學過程中，我們應充分發揮其教學功能，有針對性地做些變換，能更好地激發學生的思維，形成實驗能力與創新意識。

〔責任編輯：肖薇〕