學會反思在普通物理實驗教學中的體現

王美玉，袁乃榮，白彥魁

（河北師范大學a.物理學院；b.物理國家級實驗教學示范中心，石家莊 050024）

0 引言

普通物理實驗是為物理學專業本科生開設的基礎性物理實驗課程，分為普通物理實驗一和二，實驗內容包括力學、熱學、電磁學和光學等部分。其中普通物理實驗一側重于基礎性和驗證性實驗，普通物理實驗二側重于綜合性和設計性實驗。通過該課程的學習，使學生能夠掌握基本的物理實驗方法，提高學生的科學素養，訓練學生基本實驗技能、科學思維和分析能力。

最近，師范類專業認證工作在我校展開，物理學是二級師范認證專業。學會反思作為師范類專業認證一級指標“畢業要求”下的二級指標“學會發展”中的一項，要求具有終身學習與職業發展意識，能適應教育和時代發展需求，根據自身情況制定學習計劃和職業發展規劃；了解物理學科基礎教育改革動態及發展趨勢；具有一定的反思能力和實踐體驗，能運用批判性思維方法，能發現、分析及解決教育教學問題。具體分為3個方面：①樹立終身學習理念。了解物理學教師專業發展的核心內容、發展階段與路徑方法，能根據自身情況制定學習計劃和發展規劃，形成專業發展意識，樹立終身學習理念。②了解教育教學趨勢。了解國內外基礎教育課程改革動態和物理學科教育的發展趨勢。③積極反思實踐體驗。初步掌握反思的方法和技能，通過收集信息進行自我診斷，并進行自我改進。能運用批判性思維方法，發現、分析及解決教育教學問題，具有積極的反思實踐體驗。這其實對于教師教學，同樣具有意義。下面以“利用力敏傳感器測量液體表面張力系數實驗”為例來談談學會反思在實驗教學中的具體體現。

進行液體表面張力系數測定時，實驗室使用上海復旦天欣科教儀器有限公司生產的FD-NST-I 型液體表面系數測定儀，采用基于力敏傳感器的拉脫法。該儀器傳感器靈敏度高，穩定性好；測量誤差小，重復性好；有利于學生學習和掌握力敏傳感器的原理和方法，更有利于學生觀察整個拉脫過程及其現象。

1 實驗原理

將一干凈干燥的金屬吊環掛在傳感器上，保持吊環水平，旋轉升降臺大螺帽，緩緩上升液面，當吊環下沿部分完全浸入液面以下時，反方向轉動該螺帽，緩緩下降液面。當吊環底部與液面平齊或略高時，由于液體表面張力的作用，吊環的內、外壁會帶起一部分液體，吊環和液面間會形成一環形液膜。吊環臨界脫離液體時，液體表面張力為

式中：α為液體表面張力系數；D1、D2分別為吊環的內徑和外徑。

由于力敏傳感器的輸出電壓一定范圍內與外力成正比，即U ＝BF，B為傳感器靈敏度。實驗前先進行力敏傳感器定標，求得傳感器靈敏度B，再測出吊環在即將拉脫液面時（F ＝mg ＋f）電壓表讀數U1，記錄拉脫后（F ＝mg）數字電壓表的讀數U2，代入式（1）得：可見，該實驗的核心部分是要準確測得U1和U2。

2 實驗要求

該實驗設置為3 學時，教師講解控制在30 min 以內，要求學生在規定課時內完成兩部分內容：儀器的定標；觀察拉脫法測液體表面張力的物理過程和現象，并進行U1、U2的測量［1］。

講授該實驗時，特別指出在拉脫法測液體表面張力時，吊環應該保持水平，吊環的水平程度將會影響實驗結果的精確度。吊環偏差1°，測量結果引入的誤差為0.5%；偏差2°，引入的誤差為1.6%［2-3］。實驗時，將潔凈吊環下沿部分浸入液面以下，緩慢降低液面，當吊環下沿部分和液面相平時，繼續下降液面，注意觀察從液體中拉出液膜到液膜破裂的過程中，電壓表示數的變化情況。

3 學生對液體表面張力系數測定實驗的學習反思

學生一般能在正常課時之內完成實驗數據的測量，要求學生在課下除了完成實驗報告書寫外，還增加了課程反思，反思部分以書面形式完成，結合所做實驗內容，可以從以下幾方面來考慮：

①實驗前個人預習情況；②實驗課上的聽講情況；③個人實際操作過程中，使用儀器、記錄數據、有沒有和同學合作等情況，實驗中出現哪些困惑和問題需要解決；④實驗課后，整理實驗報告情況，對該實驗的感受和建議等。

認真翻閱學生的書面反思，對于課前預習，幾乎所有同學都能做到對教材中相關部分進行口頭預習，一部分同學還會進行預習報告的書寫。相應地，提前做好預習工作的同學在課上能聽明白老師的理論講解，跟上老師的思路，解決自己在預習中存有的疑問。這些是上好實驗課的一個重要前提。

在實驗操作過程中，學生大部分能按照實驗要求，正確使用實驗儀器，在規定時間內完成規定的實驗內容，記錄數據做到規范和實事求是，由于液膜拉斷前后瞬間的電壓值很難捕捉，所以采取2 人合作形式，1 人操作，1 人負責觀察電壓表變化和讀數，甚至利用手機中的錄像功能當場錄制，課后可以根據需要播放觀看，可見學生遇到問題還是會積極主動想辦法，這很值得提倡。當然，學生在反思中也提到實驗過程中的一些困惑：

（1）傳感器定標后將吊環掛在傳感器掛鉤上，很多實驗儀器的電壓表顯示負值，這應該是吊環的質量比砝碼盤小的原因。那么實驗數據在小于0 的范圍內輸出電壓是否與所加外力成正比？是否有必要使用質量大于砝碼盤的吊環？這個不得而知。

（2）教材中強調了吊環要嚴格水平，說明書中也特別注明吊環的水平程度將會影響實驗結果的精確度。但是實驗時里吊環的水平調節裝置是通過調節3根金屬絲來實現，實驗時僅僅依靠目測檢查吊環是否水平，但目測來判斷是有偏差的，這就很難達到實驗的要求。該實驗結果誤差很大應該與此有很大關系。查閱相關文獻資料，發現有不少人提出過吊環的改進方案［4-9］，這在一定程度上能提高實驗精度，但是增加了復雜性，難于實現。能不能找到一種操作簡單可行的檢測和調節吊環水平的方法？

（3）在觀察液膜被拉起到被拉斷過程中電壓數的變化情況時，輸出電壓數值是一個從小到大再變小的過程。在很多實驗教材和文獻中都要求測量液膜拉斷前后瞬間的電壓值作為U1和U2［10-13］。而使用教材中的實驗原理部分暗含的信息是測量拉力最大值對應的電壓值和液膜斷裂后拉力即吊環重力對應的電壓值作為U1和U2，文獻［14］中也支持這一結論。那么U1究竟是取最大電壓Umax還是液膜拉斷前瞬間電壓值呢？同樣，U2究竟是取液膜拉斷后瞬間電壓值還是干燥吊環對應的電壓值呢？對此，老師課上給出的建議是不妨先將這4 種情況下的電壓都記錄下來，課下書寫實驗報告時進行理論分析和用測量數據進行誤差計算。

課下整理實驗報告時，學生反思中提到，由于實驗時記錄了最大電壓Umax、液膜拉斷前瞬間電壓值、液膜拉斷后瞬間電壓值、吊環重力對應的電壓值，在進行數據處理時，通過查閱相關資料，整理并加入自己的分析，得出何時讀取U1、U2的結論，這導致書寫實驗報告所花費的時間較長，并且學生得出的結論也不統一。學生普遍感覺該實驗聽老師講時覺得很簡單，實際操作起來難度還不小，尤其是吊環調平和液膜拉斷前后瞬間電壓值的讀取。花費時間長，重復次數多，測定結果誤差比較大，實驗結果滿意度低，達不到預期。

4 教師對液體表面張力系數測定實驗的教學反思

教學反思是指教師對教學活動所涉及的種種問題進行多視角、多層面，反復、深入、認真地審視與思考的過程與行為。在教學反思中，教師通過不斷反省教學行為、澄清教學信念、變革教學生活、塑造教學風格，從而提高教學效率和個人的教學能力。因此，教學反思既是教師教學生活的重要方面，也是教師教學能力提高的重要策略［15］。教師自己的教學經歷是反思的主要途徑，除此之外還可以聽取學生意見，征求學生建議，對于他們提出的合理性建議去反思，進而優化教學。在液體表面張力系數實驗課上，發現學生操作中比較常見的一個問題，即對力敏傳感器反復調零問題。

教材中明確寫著實驗前先對力敏傳感器進行定標，將砝碼托盤掛上傳感器掛鉤，然后對電壓表進行調零。在實驗過程中，經常有學生掛上吊環之后，再一次對電壓表進行調零。問及原因，原來掛上吊環之后電壓表顯示負值，學生認為不應該出現負值，所以再一次進行了調零。這其實是不允許的。①力敏傳感器的零點標定是在掛上砝碼盤時進行的；②實驗測得的數值是以零點標定時的狀態作為參考零點進行顯示。如果實驗時掛上吊環再次調零，相當于把前面的工作全部否定掉，得到的數據由于沒有參照基準而沒有意義。③部分實驗儀器的電壓表顯示負值，是吊環的質量比砝碼盤小。使用質量比砝碼盤小的吊環，不僅會讓學生產生實驗數據在小于0 的范圍內輸出電壓是否與所加外力成正比這樣的困惑，還會讓學生在操作時出現反復調零的誤操作。所以在后期實驗教學中，筆者和相關實驗工作人員對每套儀器配備的吊環進行了檢查或者更換，而且在講授實驗時特別跟學生強調這一點，從而避免了這樣的錯誤。

對學生書面反思中提到的吊環水平和電壓表最佳讀數問題，教師和相關實驗工作人員也進行了相應的反思。

針對吊環的調平問題，通過查閱相關的文獻，結合實驗室實際，一個簡單可行的辦法就是在吊環上表面放置一個輕質塑料三角形薄板，在薄板中央放置一個水平儀，來檢查是否水平。考慮到力敏傳感器的受力量程不能超過0.098 N，實驗室準備其他輔助裝置使吊環豎直懸掛，此時觀察水平儀中的小氣泡，若小氣泡位于水平儀的中央位置，說明已經調好水平。

針對電壓表U1、U2的最佳讀取問題，查閱資料發現確實有不少文獻對此進行了討論，可以說是眾說紛紜。在學生實驗報告上對此問題分析角度不同，也得出不同的結論。對從液體中拉出液膜到液膜破裂的過程中，輸出電壓數值從小到大再變小這一現象，在后期的實驗課時，筆者先帶著學生一起分析在這一過程中吊環受力情況和液膜形狀變化，最終得出的結論是應該取電壓表最大值電壓作為U1，取液膜拉斷后瞬間電壓值作為U2。這樣消除了實驗課上學生的一些疑惑，使得實驗過程更加順利。

5 反思的效果

通過學生的學習反思和教師教學反思，實驗操作過程中出現的一些實驗問題得到解決或者改進，在后期授課時學生的疑問少了，液體表面張力系數測量的準確度提高了，學生對液體表面張力系數實驗有了更深一步理解，全面調動了學生的實驗熱情和創造性，培養了學生的實驗能力，使實驗教學達到最佳效果。

綜上所述，通過普通物理實驗課程學習，讓學生初步掌握反思的方法和技能，具有積極的反思實踐體驗。同時，根據學生的反思反饋，教師及時進行教學反思，就實驗過程中學生提出的問題和產生的疑惑進行解答，促進了普通物理實驗教學的發展和建設，進而實現了物理學專業本科培養的目標，使學生達到了畢業要求的相應指標。