高中物理實驗有效教學的思考和實踐

林達彬

摘 要：實驗是物理學科的基礎，加強物理實驗教學是提升物理教學質量、提升學生學科能力素養的重要一環，但平時教學發現，高中物理實驗教學現狀卻不容樂觀，存在不少低效甚至無效的實驗教學現象，本文從“演示實驗的改進、探究實驗的落實、實驗試題的開發”等幾個方面闡述提升高中物理實驗有效教學的途徑，希望從這幾個方面入手進行摸索，不斷提升物理實驗教學的有效性，從而在物理實驗教學中真正培養學生的思維和能力。

關鍵詞：高中物理；實驗；有效教學；思考和探索

中學物理課程目標明確指出：“中學物理教學要注意培養學生的實驗操作技能、思維能力以及運用科學原理和科學研究方法解決物理問題的能力。”在物理教學中讓學生“動手動腦相結合，探究感悟相結合”，使學生能夠主動地獲取物理知識和發展能力，促進學生科學品質和世界觀的形成[1]。中學物理教學以觀察、實驗為基礎早已成為物理教育領域的共識，但是在應試教育影響下，黑板上講實驗、習題中做實驗的現象普遍存在，中學物理實驗教學現狀堪憂，這對物理教育產生了極大的負面影響，許多實驗教學方式是低效的，甚至無效。長此以往，不僅學生不會做實驗，許多物理教師也逐漸喪失設計實驗、開展實驗教學的能力。如何才能扭轉目前物理實驗教學的低效局面，提高高中物理實驗教學的有效性呢？經過不斷的探索發現，可以從演示實驗的改進、學生實驗的挖掘、實驗習題的開發等幾個方面聯合入手，同步推進，以真正發揮實驗教學應有的功能，提出如下優化高中物理實驗教學的幾點思考和實踐。

1 演示實驗的改進

1.1 對教材上演示實驗的加工和處理

實驗是物理課的靈魂，實驗演示能為學生的物理學習創設良好的心境，通過演示實驗能培養學生的科學態度和作風，有利于學生學科素養的形成，能具體形象地展示物理知識的形成和發展過程。

案例一、《自由落體運動》這一課是學生已經學會了勻變速直線運動的基本規律和研究方法后的一節實例課，對《自由落體運動》這節的實驗設計時，一般有以下幾種做法：

一是利用打點計時器、紙帶以及重物進行學生分組實驗研究，首先判定該運動是勻加速直線運動，再根據Δh =gT2算出自由落體加速度。二是利用頻閃照片引導學生通過數據計算分析得出自由落體運動的規律。三是利用傳感器記錄物體的速度，繪制速度圖像，分析圖像自由落體運動的規律。

這些讓學生進行分組探究的活動一般要花掉很多時間。教材中有一幅伽利略“沖淡重力”實驗的插圖，我們若由物理學史出發，再現 “經典實驗”，讓學生除了掌握自由落體運動的規律外，還能體會伽利略研究自由落體運動的思路和方法[2]。

為了模擬伽利略的實驗，我們利用斜面軌道、節拍器、小鐵球做模擬“沖淡重力”實驗，粗略發現了s∝t2的重要規律。這個課本演示實驗的簡單再現把課本中一個插圖如圖1的靜態信息激活了，學生的學習始終處于積極思考的過程中，認知水平得到深化，增強學生學習的熱情。可見，通過對教材上的演示實驗進行適當的加工和處理，簡單的演示也可以得到很好的教學效果。

1.2 巧設隨堂演示實驗

高中學生思維敏捷，對一切新生事物充滿好奇，探秘欲望強烈。教學過程中教師應充分利用這個積極的心理因素，創造條件，有機結合教材內容，巧妙安排現象顯著、趣味性強的演示實驗，學生興意盎然，輕松愉快，課堂效率立竿見影。

例1：在《光的全反射》一課教學中，可以設計如下演示實驗：如圖2，在桌子上放著一枚硬幣，取一個盛滿水的玻璃杯，把玻璃杯壓在硬幣上，這時請學生從杯子的側面看去，發現硬幣不見了。誰也沒有把它拿走，但是從杯口向下望的時侯，硬幣還好好的放在那里。然后趁學生不注意的時候，給玻璃杯底沾上一些水。再請學生來觀察，這時一定會驚奇地發現，透過玻璃杯的側壁，總能看到一個閃亮的硬幣。假如你不說出這個秘密，恐怕誰也沒有辦法再讓硬幣消失！簡單神奇的實驗一下子激起了學生學習光的全反射的熱情。

例2：再如《楞次定律》一課：如圖3，各取一根長1m左右的空心鋁管和塑料管，各拿一塊強磁鐵，分別從兩管的上端釋放，比較這兩塊磁鐵在管中的下落時間。實驗發現通過空心鋁管的磁鐵“非常緩慢”地穿過，而通過塑料管的磁鐵則瞬間通過，學生感到非常驚訝！設疑激趣的實驗效果非常震撼！

2 挖掘學生實驗中的探究功能

案例：在《楞次定律》一課教學中，課堂演示實驗和學生探究實驗是必不可少的。首先要讓學生感到感應電流的方向存在某種規律。可以提出下列問題：（1）感應電流的方向可能與哪些因素有關；（2）實驗要記錄哪些數據？怎樣設計記錄數據的表格？學生實驗后，積累了一些有用的素材后再提問：①能否用自己的語言總結一下實驗的現象或規律？（學生總感覺總結規律很難）；②如果將感應電流的磁場方向標出來，你能否用自己的語言總結實驗結果[3]？

學生在探究過程中始終面臨未知的問題，在教師適當的問題情境設置下，就能在發現的道路中自由行走，這種學習過程充滿趣味。

3 改驗證性實驗為探究性實驗

案例：驗證動量守恒定律。傳統做法是對動量守恒定律進行實驗驗證，本實驗可以大膽地改為探究性實驗。

（1）問題提出：在各種形式碰撞現象中，有沒有隱含著什么樣的共同規律呢？

問題引導：力對物體作用后，會引起哪些物理量發生變化？速度v、動能■mv2、動量mv……

（2）引導：物體之間相互作用后，相互之間有沒有可能在“傳遞”或者“交換”某種東西，而使系統存在某一個不變量呢？如果有的話，這種東西是什么呢？是速度？是動能？是動量？……

（3）猜想：（1）相互碰撞前后，每個物體的速度都發生變化，但有可能總的速度不變，即v1+v2=v1′+v2′；（2）相互碰撞前后，每個物體的動能都發生變化，但有可能總的動能不變，即■m1v12+■m2v22=■m1v1′2+■m2v2′2；（3）相互碰撞前后，每個物體的動量都發生變化，但有可能總的動量不變，即m1v1+m2v2= m1v1′+m2v2′……

（4）實驗方案探討：設計探究上述猜想正確與否的實驗方案，實驗中最困難的是對碰撞前后速度的測量。怎樣解決速度測量的問題？（從學過的知識入手進行思考），可對速度進行間接測量，可行的方法有：打點計時器；擺球在豎直面運動時機械能守恒：測高度h，求速度v；平拋運動：測下落高度h，水平位移s，求速度v；利用氣墊導軌，對做勻速運動的物體，測位移s和時間t，可求得速度v……（課堂上提供氣墊導軌讓學生進行實驗研究）。分四小組進行研究，各自研究不同的碰撞類型，以尋找共同隱含的規律。小組一：完成非完全彈性碰撞的研究；小組二：完成爆炸分離的研究；小組三：完成完全彈性碰撞的研究；小組四：完成完全非彈性碰撞的研究。

（5）結果：（1）有的小組關于碰撞前后兩物體的速度之和不變的猜想不成立；（2）有的小組關于碰撞前后兩物體的動能之和不變的猜想成立；（3）有的小組關于碰撞前后兩物體的動能之和不變的猜想不成立；（4）各小組關于碰撞前后兩物體的動量之和不變的猜想均成立。

通過探究性實驗教學能讓學生親自經歷科學探究的過程，讓學生主動參與整個學習過程，包括解決問題、決策、小組討論、評價等過程，將已有的知識應用到未知的領域，對學生學習力的影響將是終生的。

4 加強實驗習題的開發和拓展

高考物理的能力要求之一是實驗能力。在平時實驗教學中，要重視對實驗習題的開發和拓展，通過創新實驗試題有效提升學生實驗能力。

例1 多用電表歐姆檔的改造——改為電子溫度計，設計如下：

某同學利用滿偏電流為500μA的電流表、熱敏電阻等制作電子溫度計。

（1）制作的實驗過程中需要測出該電流表 的內阻Rg，所用的電路如圖4，主要步驟是：①接通開關S1，調節變阻器R1，使 指針偏轉到滿刻度；②保持R1不變，再接通開關S2，調節電阻箱R2，使 指針偏轉到滿刻度的一半，讀出此時R2的阻值為299.0 Ω，可認為Rg=R2。實驗時，圖4電路中的變阻器R1和電源有下列器材可供選擇：

A.變阻器（0～200 Ω）

B.變阻器（0～20 k Ω）

C.電源（1.5 V，內阻不計）

D.電源（9 V，內阻不計）

為了使測量Rg盡量精確，R1應選 ，電源應選 。（填選項前的字母）

（2）溫度在0～300范圍內，某熱敏電阻的阻值Rt隨溫度t（℃）的變化情況為Rt=200+50t（Ω），把這個熱敏電阻、標準定值電阻、電池、開關與電流表 串聯起來，電路如圖5，電流表 的表盤如圖6。用該熱敏電阻作探頭，將 表盤上的電流刻度值改成對應的溫度值，就制作成簡單的電子溫度計。已知電池的電動勢E=1.5V，內阻r=1.0 Ω，標準定值電阻的阻值R0=2500 Ω，根據（1）中測得的Rg值和閉合電路歐姆定律，得出電流表 表盤上500μA刻度處對應的溫度刻度值是0℃，300μA刻度處對應的溫度刻度值是 ℃。

（3）由于用圖4電路測定電流表 的內阻Rg在原理上存在一定的系統誤差，因而制作的電子溫度計在測量溫度時，測量值比真實值 （填“偏大”或“偏小”）。

[答案：（1）B、D （2）40 （3）偏大]

設計說明：本題以某同學利用電流表、熱敏電阻等制作電子溫度計為試題情境，要求考生能理解有關實驗原理和方法，能控制實驗條件，能運用已學過的相關物理理論、實驗方法和實驗儀器去處理問題，對實驗結論能進行分析和評價，本題主要考查考試大綱中要求的實驗能力中的較高部分。

第（1）題要求考生正確選擇電源和變阻器，主要考查對測量電流表內阻的實驗原理和方法的理解，正確控制實驗條件。第（2）題要求考生根據某熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，將這個熱敏電阻與電流表、電池、開關串聯起來，用該熱敏電阻作探頭，將電流表表盤的電流刻度改成對應的溫度，制作簡單的電子溫度計。考查運用已學過的閉合電路歐姆定律，多用電表（歐姆表）的原理和實驗方法，處理新的問題的能力。第（3）題要求考生根據測定電流表內阻的系統誤差，分析制作的電子溫度計在測量溫度時的誤差。

實驗能力在高考物理中一直占有相當重要的地位。《考試大綱》把實驗能力作為一項考核能力，實驗題在高考物理中所占比例約為13%，表明了對實驗能力考查的重視。該實驗題的命題在兩個方面做了探索，一是打破教材的限制，利用考試大綱和課程標準中所列實驗的原理、方法和器材重新組合新的實驗；二是把實驗的考查重點放在學生對考試大綱規定的實驗器材、測量的原理方法、數據分析和結論獲取的方法的理解上，鑒別考生獨立地解決新問題的能力、“遷移”能力。

例2 電橋平衡測電阻的改造——用非電橋平衡測電阻。設計如下：

某實驗小組利用如下器材粗測電壓表的內阻RV：

一個待測電壓表V，兩個已知阻值的固定電阻R1、R2，一個電阻箱R，電源E（內阻很小）、一個靈敏電流計G、開關S、導線若干。

（1）該小組設計的實驗如圖7，實驗方法如下：

連接好電路，閉合開關S，調節電阻箱的電阻，直到靈敏電流計G的讀數為零，記下此時電阻箱的讀數為R0，則待測電壓表的內阻RV=______。

（2）該小組進一步研究若不提供靈敏電流計G，如何測量RV。改進的實驗方法如下：取固定電阻R1=400Ω，R2=550Ω，電源電動勢E=1.5V。實驗電路改為如圖8，實驗步驟如下：

步驟一、斷開開關S，調節電阻箱電阻R從100-900Ω變化，記錄下電壓表對應的讀數U1，如表1所示；步驟二、閉合開關S，調節電阻箱電阻R從100-900Ω變化，記錄下電壓表對應的讀數U2，如表1所示；步驟三、在坐標紙上并分別做出S斷開和閉合時的U～R圖像。

根據以上步驟，完成下列問題：

①如圖9，S斷開時的U～R圖像a已畫好，請根據表格數據在圖10上畫出S閉合時的U～R圖像b；

②根據a、b兩條圖線可知，開關S閉合時，當R約為________Ω，開關S無電流通過；

③ 測得的RV約為________Ω。（保留三位有效數字）

[答案：（1）■ （2）①如圖10 ②210～240 ③288～330]

對實驗試題的開發和拓展提升學生的解題能力。適當的習題訓練是幫助學生理解鞏固物理知識的重要手段之一。學生碰到有創新性的問題往往無從下手。其主要原因是平時教學缺少對傳統問題的深入思考，疏于拓展，缺少聯想，不會靈活運用已有知識。通過探究性實驗試題的設計、分析，能幫助學生建立起清晰的實驗設計思路，有利于克服片面性，提升解題能力。

5 實驗探究活動的課外延伸

案例：在學完《自由落體運動》一節后，學生理解了在無阻力情況下物體下落的規律。但實際物體下落過程中是會受到一定的阻力的，那么如何利用這一“阻力”呢？我給一個課題讓學生思考：如何讓雞蛋從高空下落到地面又完好無損呢？并組織進行了一次高空落蛋比賽。學生的設計除了給雞蛋做種種的保護措施外，還從如何增大下落過程中的阻力做文章，設計五花八門，創意無限，通過活動把課堂的學習延伸到課外，大大提高了學生學習物理的熱情。

物理實驗是物理教學的根基，加強學生實驗意識教育，加強學生實驗技能的培養，引導學生踏踏實實完成好每一個實驗，不斷改進物理實驗教學的方式方法，追求實驗教學效果的最優化，提升物理實驗教學的有效性，這樣既能開發學生的創新思維，又能培養學生的科學素養。

參考文獻：

[1]閻金鐸，郭玉美.中學物理教學概論[M].北京：高等教育出版社，2009：17.

[2]吳紅娜.再現經典 重溫落體運動規律的歷史探索[J].中學理科園地，2015（4）：24-25.

[3]林一敏.關于科學探究中問題情境創設的研究[J].物理教學探討，2014（2）：25-26.