對改進一個經典實驗裝置的探索與思考

蔡孝文 周新雅 周 行 陳昊然

(江西師范大學物理與通信電子學院 江西 南昌 330022)

在物理實驗教學中，不少實驗裝置經過改進后確實有著良好的教學效果，可改進這些實驗裝置的同時也引發出一系列奈人尋味的問題．針對這一現象，以改進“經典的測量滑動摩擦力大小實驗裝置”為例，深入研究改進與創新設計過程中出現的新情況、新問題，思考把改進創新后的裝置直接用到教學實踐中去的合理性、有效性，并基于核心素養提出一些建議，以期踐行實驗教學的“興利除弊”．

1 教材上的實驗裝置

滬粵2012版物理教材上測量滑動摩擦力大小的實驗如圖1所示，該實驗的實驗原理為：由學生手拉彈簧測力計帶動木塊做勻速直線運動，處于平衡狀態時，彈簧測力計的示數等于滑動摩擦力的大小．

圖1 測滑動摩擦力大小

若按照教材上的實驗裝置和步驟做實驗，一是難使木塊做勻速直線運動；二是不易讀準彈簧測力計上的讀數．因此，一些教師對此實驗進行了如下幾方面的改進．

2 對滑動摩擦力大小測量實驗的改進措施

改進一:勻速拉測力計——電動機

該方法是在圖1裝置難使木塊做勻速直線運動的基礎上進行改進的，把手拉彈簧測力計改成電動機拉彈簧測力計．這屬于“遷就”性改進，實際上并未從根本上解決圖1實驗裝置中存在的問題，反而增加了實驗器材和成本，實驗裝置如圖2 所示.

圖2 電動機——測滑動摩擦力大小

改進二:不用勻速拉——固定測力計-使接觸面動

針對圖1 裝置的缺點進行改進，實驗裝置如圖3所示，將彈簧測力計的一端固定住，另一端勾著小木塊，使位于小木塊下方的長木板向左運動，小木塊就相對于長木板做水平向右運動．因此小木塊所受到的滑動摩擦力方向水平向左，與相對運動方向相反．木塊相對于地面保持靜止[1]，處于平衡狀態，根據水平方向上的二力平衡，彈簧測力計的示數大小就是木塊所受到的滑動摩擦力的大小．

圖3 固定測力計——測滑動摩擦力大小

改進評析，如表1所示.

表1 改進二中的優缺點比較

改進三:通過傳送帶勻速運動，豎直使用測力計

針對改進二中的缺點，對實驗裝置再進一步的改進，實驗裝置如圖4所示.

圖4 傳送帶——測滑動摩擦力大小

將彈簧測力計的上端豎直固定在鐵架臺上，下端勾著小木塊，再把小木塊放在勻速轉動的水平傳送帶上，使傳送帶勻速向左轉動，木塊就相對于傳送帶做水平向右運動．因此木塊所受到的滑動摩擦力方向水平向左，與相對運動方向相反．木塊相對于地面保持靜止，處于平衡狀態，根據水平方向上的二力平衡，彈簧測力計的示數大小就是木塊所受到的滑動摩擦力的大小[2]．

改進評析，如表2所示.

表2 改進三中的優缺點比較

改進四:固定力傳感器

在中學物理教學中測量力的工具常用彈簧測力計.可它只能粗略地測量滑動摩擦力的大小．傳感器的出現為中學師生的實驗研究帶來了新的研究手段，并擴大了研究領域[3]．用力學傳感器代替彈簧測力計來研究摩擦力,使力的測量精度得到較大改善,為中學教師和學生研究摩擦力帶來了方便．實驗裝置圖5和圖6就是安裝了力傳感器，同時其他部分也都得到改進，解決了改進三中所述的問題，是近乎完美的存在．其實驗原理也是依據二力平衡，力傳感器傳入電腦中的數據等于摩擦力的大小．

圖5 力傳感器——測滑動摩擦力的大小

圖6 力傳感器(電動傳送帶)——測滑動摩擦力的大小

優點：應用DIS不需要勻速拖拉物體；讀數容易；不存在測力計水平時與外殼之間的摩擦、校零誤差等問題；不需要應用定滑輪；能動態顯示f圖．

改進后存在的問題：

(1)如果改為DIS，“過程與方法”目標難體現．學生體會不到其中力的變化，只有數字的改變，砍柴前磨好刀給學生和教磨刀法讓學生親歷磨刀過程是有所不同的；

(2)圖像動態變化使圖像問題復雜化；

(3)傳感器費用比較貴，各學校配備不到位；

(4)直接用彈簧測力計測力簡單明了，改用傳感器連接計算機使操作變復雜，有些教師不愿用，甚至不會用；傳感器內部結構神秘，其中包含了什么，說不清道不明，有些教師放棄用；

從上述一系列的改進分析可知，教師不斷地改進實驗裝置以期可以解決實驗中出現的問題，使實驗更合理化、科學化，卻不知在追求實驗裝置的完美性的過程中漸漸背離了教學的“初心”——化繁為簡的原則．一直以來初中物理教學過程中都重視“簡化”思想，以期能讓學生融入教學探究過程中，在發現問題、解決問題中掌握物理知識，進而使學生的學科素養得到全方面的培養．因此，教師把多功能的、復雜的教具直接用到實踐教學中去是不恰當的．那實驗課如何才能更有效地進行教學呢，下面就根據上述的分析對實驗教學提出一些建議，以期能夠為今后的教學提供一些參考．

3 基于核心素養對實驗教學的建議

3.1 不能剝奪學生體驗 親歷過程的權利

教師在設計實驗時，應該精益求精，爭取更好的實驗效果，但不能把最好的直接展現給學生，剝奪他們的體驗權、思考權．

從物理觀念素養的角度來看，學生只有親身體驗過發現知識的全過程，才能深刻地感悟到物理知識中所蘊含的觀點、規律、方法、本質及其思想等，進而才能將相關物理知識綜合以及內化為觀念[4]，最終促進自己的物理觀念素養的培養．因此，教師的教和學生的學都應該循序漸進，教師不要急于給學生總結，而應該讓學生自己去感悟、體驗、總結知識[5]．

從科學思維素養的角度來看，讓學生融入實驗設計或改進的過程中，并令學生表達出自己設計或改進的依據，從而讓學生體會“設計有方、改進有法”的思想，可使學生的思維得到開發，進而促進學生科學思維的培養．

從科學探究素養來看，其內容當中就提到“初中階段的物理課程理應讓學生親歷實驗設計、探究的全過程，讓學生從其中學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題和解決問題的能力，進而形成適應終身學習和社會發展的能力”．因此要重視學生在學習過程中的探究過程，使學生的“學科能力”得到良好的發展．

【例1】對于測量滑動摩擦力大小的實驗，許多教師有著近乎完美的改進，可為什么不添加到修訂后的教材中去替換掉原有的呢？經過研究調查可以發現幾乎所有的教材都保留著原有的實驗裝置，如表3 所示.

表3 教材中實驗裝置的比較

很明顯教材上的實驗裝置存在一些缺陷，可為什么這么多的教材依然把它保留在課本上呢？經過研究調查發現不改有利于探究教學——不剝奪學生自己經歷思考的過程，讓知識完整的一步步呈現，而非躍進式的大而全的交予學生；同時留給了師生足夠的改進、創新思維發育生長的空間，俗稱教學中的“留白”，為學生的科學思維的發展打下了堅實的基礎．麥克斯韋說過儀器的教育性與儀器的復雜程度成反比，因此要適當的因陋就簡，返璞歸真[4]．

3.2 要在繼承的基礎上勇于創新

縱觀核心素養理念可知，學生要在掌握基礎知識與技能的前提下，才能將它們進行升華，從而形成自身的能力．因此對于課本中的學生實驗或演示實驗，要倡導在繼承的基礎上勇于創新改變定式思維，換個角度和思維去設計也許會收到意想不到的效果．

【例2】對使用傳感器的態度

隨著時代的發展，傳感器的使用越來越普遍，隱隱有著勢不可擋的趨勢，這是否意味著力傳感器可以取代彈簧測力計呢？通過上面對改進四的分析，可發現取代彈簧測力計并不可行的，那是否意味著力傳感器不適合在中學物理教學上應用呢？經過研究調查發現力傳感器在中學物理教學上是有其重要教學價值的，但要合理運用它．例如可以在教學過程中同步對比使用，既保留了傳統，又可引導學生進行創新．

4 小結

綜上所述，在實驗教學過程中教師要倡行“做中學”的教學思想，要讓學生參入實驗設計、操作的全過程，而不是直接將完美的實驗呈現給學生．因此要盡量使實驗器材簡單化，讓學生能夠體驗實驗的每一個步驟、思考每一個問題，一步步的掌握物理知識與技能．同時在這些基礎上再引導學生進行實驗改進，才可更好地培養學生的創新能力．當然要做到這些，對新、老教師的要求都是比較高的，為了達到更好的教學效果，教師們應不斷地提高自身專業能力，活到老，學到老．