初中物理問題儀器的處理方式及教學探討

黃葛鴻

摘 ? 要：儀器本身帶來的系統誤差雖然給教學活動帶來一定的困擾，但如果能利用好，其可取到較好的效果。如：在測量液體密度實驗中，個別量筒存在“調零”的問題，對實驗測量結果造成較大影響。教師在量筒存在問題的基礎上，通過改進實驗引導學生進行二次實驗教學。從校準量筒，至提出實驗改進方案，實現減小實驗測量誤差。學生從發現問題、研究方案、改進實驗、應用課堂的二次實驗，最終提高學生實驗研究的能力。

關鍵詞：儀器問題;二次實驗;測量液體密度;實驗方案改進;科學素養

在測量液體密度實驗教學中，由于少數量筒示數的不準確，學生測量鹽水的密度誤差變大。如圖1所示，量筒放置在電子秤上質量為91.0g（圖a）;往量筒中倒入自來水（為了觀看效果，水中滴入紅色墨水）至10ml的位置（圖b），電子秤示數為98.5g;繼續倒水至20ml的位置（圖c），電子秤的示數為107.9g;倒水至30ml的位置（圖d），電子秤示數為117.7g。前10ml液體的體積測量不準確是本次實驗誤差的其中一個原因。基于此，筆者將量筒的這種現象定義為量筒制作時沒有認真“調零”。學生所測量的實驗數據由于儀器問題而帶來的錯誤對學生各方面造成的負面影響較大。那么我們是將該類型的量筒直接換用還是另有用途呢？

“ ‘二次實驗法”在生物學實驗教學中的應用”[ 1 ]一文中指出，學生在經歷整個實驗探究過程中，發現實驗測量結果存在誤差或不足，教師引導學生進行改進再次實驗，可培養學生的各項綜合能力。在科學研究的過程中難免會遇到一些意想不到的意外，學生采用科學的研究方法分析和解決意外是其往后科研道路的必備品質。筆者認為，在本次量筒的意外事件中，雖然直接給學生換一個精度更高的量筒即可順利完成本節課的教學，達到科學探究的方法的滲透。但是學生僅僅掌握一種方法而在具體突發事件中未及時運用，難免有些紙上談兵。杜威認為科學是一種方法的訓練，教育的目的隨著生活的生長而生長[ 2 ]。因此，一節課的教學目標并不是不變的，它應該是隨著課堂教學的成長而成長出的新的目的。故筆者認為可否在儀器誤差的出現后，引導學生尋找問題進行二次探究，能夠提升學生的科學素養。經課堂的教學實踐研究，筆者以人教版初中物理實驗“測量鹽水的密度” 為例，介紹如何借助量筒本身設計的缺陷，改進實驗探究環節，深入二次實驗探究。學生親自參與至實驗，實驗能力才能夠得以提升，最終落實課程標準，提升學生的科學探究素養[ 3 ]。

1 ?反思數據 發現問題

1.1 ?實驗器材

量筒（10ml～100ml），學生天平，燒杯（100ml），鹽水（80ml）。

1.2 ?誤差的發現

依據教材設計[ 4 ]，學生通過計算得出鹽水密度。部分小組在0.6g/cm3～0.9g/cm3之間，部分小組在1g/cm3左右，引導學生自我反思：質量測量、鹽水體積測量、數據處理、計算結果四個方面是否有誤。

1.3 ?交流與合作

總結小組數據并展示，引導學生發現質量與體積變化的數量上相差較大。思考天平及量筒是否存在問題，提出儀器的檢驗措施。

2 ?研究問題 合理改進

學生分組探究，將物理知識應用到儀器的檢驗中，實現學以致用，提升學生綜合應用能力。

2.1 ?實驗器材

量筒（10ml～100ml），學生天平，燒杯（100ml），水（80ml），膠頭滴管，電子秤。

2.2 ?天平的檢驗

引導學生用天平和電子秤分別測量相同的燒杯。質量相同，說明非天平質量問題。

2.3 ?量筒的檢驗

提出兩種檢驗方案，學生分兩個部分，各采取一種方案進行檢驗，得出相應結論。

（1）增加相同質量，比較體積。實驗方案一：

①將量筒放置在電子秤上，用電子秤稱量其質量;

②將量筒放置在電子秤上，往量筒中加水并用膠頭滴管調整至水的質量增加10g;

③讀出量筒中水的體積，求出增加水的體積;

④重復②③兩個步驟3次。

結論一：第一次量筒中水的體積大于10ml，后面每次水的體積均增加10ml。

（2）增加相同的體積，比較質量。實驗方案二：

①將量筒放置在電子秤上，用電子秤稱量其質量;

②往量筒中加水至10ml刻線處，用電子秤稱量量筒和水的總質量;

③逐次增加10ml水，并測出每次增加水的質量。

結論二：第一次加入10ml的水，增加的質量小于10g，后每次均增加10g。

總結：實驗測量數據錯誤原因在于量筒的缺陷，量筒在10ml刻度線以下體積測量不準確，量筒刻度線在10ml～100ml范圍內測量準確。量筒的此種現象可定義為量筒未“調零”。

2.4 ?提出改進思路

根據以上結論，引導學生得出改進方式。即進行精確測量液體的密度條件為量筒中預先裝入超過10ml的液體，數據記錄表格（以測量水的密度為例）見表1。

表1 ?測量水的密度數據記錄改進表格

2.5 ?教師演示，指明方向

教師演示實驗“用電子秤測量水的密度”，師生共同驗證實驗方案的可行性。明確整個探究環節，強化學生的實驗探究能力，為學生分組實驗做好技術性引導。

3 ?應用改進 及時提升

學生分組探究，依據改進方案重新實驗。提高實驗探究的嚴謹性，減小實驗誤差，訓練科學探究思維。

3.1 ?實驗器材

量筒（10ml～100ml），學生天平，燒杯（100ml），鹽水（80ml）。

3.2 ?設計實驗

改進方案重新設計實驗測量鹽水密度[ 5 ]。設計實驗步驟及數據記錄表格。實驗步驟如下：

① 量筒中倒入部分鹽水，體積為V1;

② 測量燒杯和鹽水的總質量m1;

③ 將燒杯中的鹽水部分倒入量筒中，讀出量筒中鹽水的總體積V2;

④ 測量燒杯和剩余鹽水質量m2;

⑤ 根據公式ρ=（m1-m2）/（V2-V1）求出鹽水密度。

3.3 ?學生數據分析

依據以上步驟，學生實驗測量的數據結果（選取兩組）見表2。

表2 ?學生測量鹽水的密度數據

經改進，班級學生共24個小組，其中18組數據在0.95-1.03之間，6組數據0.8-0.94之間。實驗結果表明，在誤差允許范圍內，大部分學生的實驗測量結果更加接近真實數據，故改進的實驗方案能提升實驗測量結果的精確率，減小實驗的測量誤差。

4 ?結語

改進的實驗研究過程，實驗環節變多，需要記錄的實驗數據增多，對學生的數據分析以及實驗誤差的分析和儀器的綜合應用能力要求較高。部分學生在完成整個完整探究過程存在一定的難度，對學生探究能力提出更高要求。學生經歷發現、反思、交流、研究、改進、應用、提升完整的實驗研究過程，在分析儀器問題和解決問題過程中運用科學的研究的方法，提高了學生嚴謹的科學態度。本次測量實驗，經歷科學研究從發現到問題解決再到應用過程，促進學生養成良好的科學研究方法，提升了學生的科學素養。

參考文獻：

[1] 趙靜，李滿，紅尹爽.“二次實驗法”在生物學實驗教學中的應用[J]. 教學與管理，2015（7）：55-56.

[2]陳峰津.杜威教育思想與教育理論[M].福州：福建教育出版社，2015：72-94.

[3]周 巖. 6種版本教材編排“測量物體的密度”內容的比較[J].實驗教學與儀器，2016（4）10-12.

[4]彭前程.義務教育教科書物理八年級上冊[M].北京：人民教育出版社，2012：118.

[5]陳菊清. 利用天平和量筒測量鹽水密度的誤差分析[J].中小學實驗與裝備，2017，27（4）：6-8.