物理設計性實驗的開展與實施

呂黎莉

【摘 要】 物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，大量的物理概念、規律、原理都是通過實驗發現、總結歸納得出的。物理實驗教學作為物理教學的一種重要的方法和手段，它要把研究的物理現象清楚地展示在學生面前，能引導學生觀察思考，使學生認識物理概念和規律“事半功倍”。本文就設計性實驗的原則與方法進行了研究與探討。

【關鍵詞】 中學；物理；設計性實驗；開展；實施

設計性實驗可以是要求學生利用已掌握的知識和常用儀器所做的自命題的實驗；可以讓學生進行開拓常用儀器的用法，對原有的實驗儀器進行改良的實驗；也可以由教師給出具體的實驗目的，學生參考文獻，分析最終選擇最為優化的實驗。但是設計物理實驗必須遵循一定的原則：

1.科學性原則

科學性原則是最根本的設計要求，指在物理實驗設計過程中必須保證實驗的設計不出現科學性錯誤，實驗方案應該有科學依據和正確的方式。物理實驗要真實、客觀地反映和揭示概念規律，因此，實驗的設計應該具有科學性。如果實驗設計中沒有科學的態度和方法，或者沒有認真處理實驗數據，就會出現科學性錯誤，例如，在“用單擺測定重力加速度”實驗中，若不慎形成圓錐擺運動，在擺角小于5度情況下，測出的重力加速度的值就會偏小，教師不能為了達到教學目的人為地設計有悖于科學性的實驗。欺騙的行為一旦被揭穿，對培養學生健康的人生態度會產生極大的負面效應，因此，物理實驗教學必須遵循科學性原則。

2.安全性原則

安全性是任何工作的前提，在物理實驗設計中，教師及學生規范性操作是實驗安全性的重要保障，一是保證實驗儀器的安全，不受損，例如示波器的演示，預熱，光斑不能太亮，操作時間不能太長等保證儀器的壽命。二是人的生命安全，特別是電學實驗我們更加注意安全性原則，一定要規范的操作，否則一旦發生事故后悔莫及。

3.探究性原則

物理實驗應該體現探究的本質特征。探究性原則要求：所設計的物理實驗包含的物理規律常常隱藏在較深的層次，需要學生去挖掘；實驗條件和結果之間往往存在較大的距離，需要學生去跨越；解決問題的方法和途徑一般也不太明確，需要學生通過嘗試錯誤，提出假設并驗證假設來尋找。

任何一個概念、定理、定律都經歷著由感性到理性的抽象概括過程。在實驗的教學設計中，要注意讓學生在教師引導下參與概念和規律的構建過程，讓學生親自做實驗。體驗、揣摩、模擬，使學生知其然也知其所以然。例如，在“自由落體運動規律”、“探究彈力與形變量的關系”等實驗的教學設計中，教師就要特別注重實驗中對“科學方法”和“探究過程”的設計，提出充分的探究機會，讓學生“在做中學”。

4.簡單性原則

無論是探索某個現象，還是驗證某個規律，實驗目的應盡可能明確，器材方法應盡可能簡單。在實驗器材上使實驗簡潔，通常有兩種方式：采用現代化設備或是利用日常用品做實驗，尤其是變廢為寶。如用損壞的卡口白熾燈泡，去掉玻璃泡，在兩根粗金屬絲上加上錫箔，稍加改造，便可制成驗電器。

5.主體性原則

物理實驗強調學生的主體參與性。沒有學生的主體參與就沒有實驗探究活動的產生。現代教育理論認為，“學生是主體，教師是主導”。學生的主體參與程度決定教學的質量。在實施實驗教學的過程中，教師應做到引導學生建立正確的物理思維方法、幫助學生掌握正確的實驗操作技能、引導學生提出深層次的問題并加以討論，從而激發學生學習的內部動機，激發學生的探究興趣和欲望。教師還應做到在實驗探究過程中給學生留有充分的時間和空間，讓學生敢于提出與眾不同的設計方案，使學生積極和有效地參與到實驗活動中，提高探究能力和創新能力。

物理學從本質上說是一門實驗科學，物理規律的發現和物理理論的建立都必須以嚴格的物理實驗為基礎，并受到實驗的檢驗。設計物理實驗除了應遵循上述原則外，在方法上也有講究：

1.轉換法

物理實驗中常常遇到一些實驗效果不易觀察或不明顯的情況，就要借助于力、熱、聲、光、機械之間的相互轉換，達到容易觀察或效果明顯的目的。轉化的過程主要是依據等效的思想，也就是從效果相當的角度進行實驗。比如：彈簧秤將力的大小轉換為彈簧的伸長量來觀察。微小的壓強計是把壓強的變化轉化為連通器兩邊液面差的變化來觀察。電流表、電壓表是把電流和電壓的大小轉化為指針的偏角來觀察。

2.對比法

人們要認識事物、區別事物就必須掌握它們的特點，而特點主要是通過對比得出的。對比的方法也廣泛地應用在物理實驗中。比如：導出密度概念時，用同體積不同物質的質量進行對比。認識電流周圍存在磁場時，把通電導體周圍磁針偏轉與磁鐵周圍磁針偏轉進行對比。

3.控制變量法

控制變量法指研究幾個物理量之間的關系時，控制其他量不變，每次只研究兩個物理量之間的關系所采用的方法。比如：研究壓強與壓力和受力面積的關系。滑動摩擦力的大小與壓力大小和接觸面的粗糙關系，電流與電壓和電阻的關系。

4.放大法

利用擴音器、幻燈機能把微小的聲音或圖象放大。物理實驗中，對微小量的測量也常用放大的方法。

5.分析實驗結果，總結物理規律

進化論的奠基人達爾文說：“科學就是整理事實”分析實驗結果時注意兩點：

一是實驗中測量的精度要受到測量儀器分度值的限制，測量結果不可能是絕對準確的，誤差是不可避免的。為使實驗數據盡量接近真實值，可以采用對每個物理量多測幾次，求其平均值。

二是要嚴肅認真地對待每個實驗，真正做到尊重事實，不隨便涂改數據。有的同學在實驗中盲目抄錄課本內的實驗表格，對實驗原始數據沒有完全記錄下來，到整理實驗數據時發生了問題，無法檢查問題出于何處。

不僅研究物理規律時應珍惜每一個原始數據，在一切科學研究工作中，原始材料都是最重要、最珍貴、最可靠的資料。歷史上由于觀測和實驗數據與原來的計算結果不符而得出重大發現的事例是不少的，海王星和冥王星的發現就是這樣的例子。

如何發現隱藏于資料背后的自然規律，這確是一門高超的藝術。從實驗和事實，只表明了事物的表面現象，而思維才能揭露事物的本質。把事實和思維結合起來，是一切科學家共同具有的卓越才能，從現在起，我們就要有意識地培養這種能力，養成善于總結，善于分析的習慣，以便將來在龐雜紛繁的自然大漠中，吹盡狂沙，尋到真金。