中学课程改革对物理实验的几点认识和做法

中学课程改革对物理实验的几点认识和做法
彭友山
（湖南岳阳市七中 湖南 岳阳 414000）
近几年来高考物理题是越来越注重物理实验，特别是有的题型还必须是学生动手做过才能得到分，认真做过并且通过一 番研究和思考的才能得到满分．这是教学改革的大势所趋，是培养新时代所需人才的必要方法，也是为了避免高分低能的最好办法，因为高考就是学校教学和学生学习的指挥棒．但是，在现实教学中，学生实验和演示实验不落实，实验效果不到位的现象是常见的问题．这些问题的发生有主观重视不够的原因，也有客观条件方面的原因．笔者本文主要对于学生实验认识和做法两方面谈几点体会．
一 、从一 个新的高度认识学生实验的地位和作用
物理课程中学生实验部分是中学物理教学的组成部分，加强学生分组实验，是中学物理实验改革方法之一 ，是提高整个物理教学质量的基本途径．在那些发达国家对于学生的动手实验非常重视，安排学生实验的课时也较多，还有专门考试实验的项目．
做实验是学生手脑并用的实践活动，在这种实践活动中，要正确理解物理原理，熟练操作实验仪器，认真观察实验现象，深入分析实验结果．因此，学生在实验中，不仅使基础知识得到巩固，且观察能力、操作能力和思维能力都会提高．同时，学生在实验中要设计实验方安，安装和调整实验仪器，测量和记录实验数据，排除实验故障．这些操作过程不仅可以训练学生的实验技能和技巧，而且也能使学生的创造能力得到发展．学生实验对于培养21世纪所需要的创造性人才有很重要的作用．
学生实验在物理课程教学中的重要性，笔者认为有这样几个方面．
第一 、 能够提高学生的学习兴趣，调动学生的非智力因素．
学生一 般都喜欢做实验，说明实验能引起他们的兴趣．兴趣是非智力因素的一 个重要因素，对于学生学习的影响很大．当今教学中一 个带有普遍性的问题，就是重视智力因素，忽视非智力因素．这应该说是教学不得法的一 个重要原因．近年来教育和教学的改革，考试方式和考试题目的改革，必将发挥愈来愈大的、师生相互促进的良性循环作用，使学生的主体作用和教师的主导作用得到充分的发挥．
第二，是能够很好的发展学生的个性，实施因材施教的原则．
由于学生实验是分组进行的，在时间、内容、深度等方面有较大的灵活性，不要求他们在相同的时间内完成相同的内容，思考相同的问题，学生可以在一 定程度上和一 定范围内按自己的想法进行实验，他们的某些能力能够得到较充分的发挥，好奇心可以得到一 定程度的满足．同时在实验教学中，要求学生忠实于实验数据，重视客观事实，避免主观臆造，理论联系实际，这对于学生的个性发展具有重要意义．另外，有的学生动手能力较强，而理论成绩较差，上实验课是他们表现和发展优势的机会，如果引导得法，实验会成为他们全面提高学习效果的转机，树立学好理论的信心，做到以“优”补“劣”，以“优”促“劣”．在实验过程中老师可以对于不同的学生提出不同层次的要求，即学生实验为因材施教的实施也提供了良好的环境和条件．
第三，是能够培养学生的创造性思维能力和动手能力．
创造能力包括很多方面，探索问题的敏锐性、统摄思维活动的能力、转移经验的能力、侧向思维能力、形象思维能力、联想能力、记忆力、思维的灵活性、判断的能力、“连结”和“反连结”的能力、产生思维的能力、预见的能力、运用语言的能力和完成的能力．可见这些能力的培养跟学生实验有着密切联系．实际上，学生实验是一 种基础教育与科研，生产劳动的重要结合点，在提高劳动者素质，培养中、初级人才中同样具有重要的意义．这表明，学生实验在中学阶段要特别的加强和完善．
二、 学生实验的主要目的和任务
中学物理实验主要包括三个方面：基本物理仪器的使用、验证物理规律和测定物理常数．学生分组实验的主要目的是探索、验证物理规律，训练实验技能和技巧，掌握科学研究方法，培养实验素养．这三个方面的实验是紧密相连的，而具体要求各有不同．
第一 ，基本物理仪器的实验．
中学物理实验常用的主要是测量仪器，在教学中对于基本测量仪器，最好能够结合仪器的构造和测量原理，使学生掌握仪器的操作方法，学会正确读数，弄清使用规则．使用任何仪器还要考虑保证仪器的安全和测量准确这两项基本要求．其主要是合理选择量程；正确调零或读取“零读数”；正确掌握操作方法、读数方法和使用规则；切实掌握仪器正常工作的调整原理和方法．
在进行这类实验的教学中，使学生了解仪器的设计原理是很重要的．中学物理测量仪器常用的设计原理有“平衡原理”、“放大原理”和“电磁原理”等．平衡原理是利用不同因素的作用相互抵消的效应，由已知量去寻找未知量．例如，天平、弹簧秤、压强计、温度计等．放大原理是利用放大的办法测量微小量和微小变化．例如，游标卡尺、螺旋测微器、放大镜、显微镜等．电磁原理是利用磁场对电流的作用，使载流线框在磁场中受到磁力矩而发生转动．例如，电流表、电压表和欧姆表等．
在教学过程中，一 般是让学生观察实验仪器，了解其结构，进而分析其设计原理和测量原理，再根据这些原理满足的条件，明确操作方法、读数方法和使用规则，这种程序和方法是与中学生对实验要求表现为间接兴趣这一 特点相适应的．对于仪器的使用方法和规则，有的可以印出来或把说明书给学生看，不必全部由教师讲，这样做有利于培养学生使用仪器说明书的能力．
基本仪器中的游标卡尺、螺旋测微器和打点计时器的设计原理，都是放大原理．游标卡尺是利用游标把1放大10倍、20倍或50倍；螺旋测微器是利用“旋轮”把1放大100倍；打点计时器是利用快速振动把1分为50份，放大50倍.在进行这些仪器的设计原理教学时,应突出设计者的巧妙构想,指出按常规的思路,把1米分成10等份得分米， 1分米分成10等份得厘米，1厘米分成10等份得毫米，以上这种分法不仅是有效的，而且是可行的．但如果把1毫米分成10等份，在制作上就发生了困难；克服了制作上的困难，又会产生读数上的困难，如此等等．因此，应该另谋“出路”：①在直尺上加直尺，即在主尺上加游标尺，做成游标卡尺；②在直尺上套“轮尺”，即在主尺外套等分刻度的“旋轮”，做成螺旋测微器，又因为在轮尺的圆周上刻100分刻度没有50分刻度清晰易读，因而出现了“50进退0.5”的解决办法．这些巧妙的构想是设计思想上的一 种飞跃，值得广大的学生学习．
仪器的结构原理和测量原理一 般是不同的，例如，游标卡尺和螺旋测微器的测量原理是“矩形对边相等”．根据此原理，测量时要使被测线段成为主尺对应线段的对边，这样“被测长度”就等于“主尺长度．根据这一 原理也可以纠正测量中的一 些错误作法．
对于中学生来说，有些仪器不可能（也不要求）理解其设计原理和测量原理，教学中只能要求他们懂得使用方法和规则，这种情况在日常生活和各个行业的工作生产中也很常见．但从发展智力、培养能力的要求来看，那些跟教材中基本理论密切相关的，学生不难接受和理解的内容，应该使学生知其然，也知其所以然．只有理解了的东西人们更深刻地感觉它．学生知其所以然后，可以自觉地按操作方法和规则行事，养成并坚持良好而正确的习惯．良好而正确的习惯是中学学生实验教学中一 项重要的要求．习惯的力量和作用是巨大的，形成良好习惯的任务是艰巨而长期的，习惯的养成有“迟效性”，而养成之后则有“长效性”，使学生终生受益．
第二，验证物理规律的实验．
任何的物理规律都有其适用的条件和范围．验证物理规律必须满足相应的条件，否则就无法验证．满足相应的条件即通过一 定的程序来控制相应的过程．物理实验的特点是：在特定的条件下，能够多次重复再现所要研究的对象；可按一 定的步骤改变现象或过程进行的条件；能按一 定的程序使偶然因素降至最低程度．根据这些特点和学生实验的主要目的要求，我们在教学过程中，应该要求学生认真作好必要的准备．“验证动量守恒定律”的实验是一 个比较典型的验证性实验，我们以这个的实验为例，谈谈应该作好那些准备和注意哪些方面的问题．
⑴要保证哪些条件，如何保证？前者是由规律的适用范围和条件决定；后者主要结合实验装置的设计原理和操作方法来考虑．对于“验证动量守恒定律”的实验，一 是要保证的是两个小球的大小相同，但质量不等；这是要求两个小球既能发生对心碰撞，碰撞后又使两个小球都具有不同的速度．这就要求用不同密度的材料，做成相同体积的小球．因此，做碰撞实验所用的小球一 个是钢球，另一 个是塑料球．二是要保证碰撞器的水平轨道部分要水平；这就要在安装碰撞器时进行很好的调节，直到将小球放到水平轨道的任意位置都不会发生滚动．三是要保证入射小钢球必须每次要从同一 位置下落，使其达到水平轨道时的速度相同，所以一 般在斜轨道上固定一 个小卡子，将小球每次都放在卡子下面释放．
⑵要测量或观察哪些物理量，如何进行？前者是由规律的内容决定；后者应结合实验装置和有关量的测量原理考虑．这里宜使学生首先明确，哪些量是直接量，哪些量是间接量，进而思考其测量原理和计算方法．对于“验证动量守恒定律”的实验，要测量的照理应该是两个小球的质量和碰撞前后的速度，而速度的测量是一 个很难的问题，本实验巧妙地应用平抛运动的原理，物体从同一 高度落到同一 水平面时间相等，只要测量两个小球的质量和小球在平抛过程中的水平距离就行了，把一 个很难的问题变成了简单问题．
⑶要改变哪些物理量，如何改变？前者由规律决定；后者与实验装置及其原理有关，有时还要兼顾保证条件．对于“验证动量守恒定律”的实验，不需要保持哪个物理量不变，因此，不需要改变那些物理量．
⑷要记录哪些数据，如何记录？前者由测量目标和测量原理决定；后者一 般是列表填写，并注意对应读数、读数的有效数字的位数和单位．对于“验证动量守恒定律”的实验，所要记录的数据是两个小球的质量m1和m2；单个小球（钢球）作平抛时的水平距离OP；两个小球碰撞后的水平距离OM和ON．数据记录用表格方式，质量以克（g）为单位，长度以厘米（cm）为单位，都记录到小数点后两位数值．
⑸如何处理实验数据？一 般有计算法和图像法两种，它们实质上都是求“平均值”．为了作图和检验的方便，曲线一 般用“改直法”变成直线．直线的“作图点”一 般不少于五个；“作图点”坐标的有效数字的位数与读数的有效数字的位数相同．对于“验证动量守恒定律”的实验，对于“验证动量守恒定律”的实验，实验得到的数据比较简单，就直接进行计算后比较，看看碰撞前后的动量是否相等．
⑹进行误差分析．结合实验装置、设计原理、测量原理和测量方法等，分析产生误差的原因，提出改进措施或对误差作必要的说明．对于“验证动量守恒定律”的实验，为了减小误差，在碰撞前小钢球的平抛运动一 般要进行10次，将它10次在白纸上所打的印记用圆规圈起来，找到中心点作为P点；同样碰撞时也一 般做10次，找其中心点为M和N点．如果实验结果的误差较大，其原因可能是：①水平轨道没有调节水平；②入射小球每次下落的高度不同；③入射小球与被碰小球的球心对得不准确；④地面上的木板或白纸在实验过程中发生了移动；⑤所找的P、M或N点不够准确；⑥质量和长度的测量值误差较大．
第三， 测定物理常数的实验．
对于物理常数测定的实验，关键是其实验原理．而实验原理一 般是与被测物理量有关的定理、定律或公式，根据相应的关系式，测量出相关的物理量，求出期望的物理量．而往往测定某一 物理常数可以用不同的方法，在条件可能时，采用不同的方法进行实验，并进行对比分析，可以提高学生的评价能力，发展学生的创造力．
我们以测量重力加速度为例来阐述这一 问题．测量重力加速度，可以采用几种方法：一 是根据自由落体运动的公式h=gt2/2,测得h和对应的t即可求得g．h和对应的t，可用打点计时器获得．二是可以用自来水的滴水法来测g，在这两个实验中，h比较容易测准确，难以测准的是t．三是利用单摆周期公式T=2π
√L/g ，测得L和相应的T，就可求得重力加速度g．在这一 方法中，L容易测准,不易测准的是T．根据单摆振动的“等时性”，可用“累计法”测定T．
在实验原理选定后，后面要进行的基本上与验证实验相同．高中物理课本中，是用单摆测量重力加速度的，这个实验在测定常数的实验中是个较精确的实验，应该按精益求精的要求教育学生，认真做好各次测量．让学生把自己的实验结果跟当地较准确的g值比较，也是一 种有效的激励方法．
这个实验的原理是单摆周期公式T=2π√L/g ，此式成立的条件是“单摆的偏角小于5°”；单摆从结构上来说，应该满足l＞＞d，m线＜＜m球；从运动上来说，应该使摆在竖直面内摆动，悬点应固定．偏角小于5°的标志不一 定要测量角度，可根据x/l进行估算．求g要测量的物理量是l和T，对于l和T要尽量测量准确．l＝l线＋R球，R球=D球/2．T的测量要用累计法，而且要尽量减少开始和结束时带来的误差，因此，要以摆球摆动稳定后，在通过平衡位置为开始和终了时刻，而且眼和手保持同步．
三、如何训练学生的实验技能和技巧．
由上面的讨论可知，实验必须满足某些条件，而满足相应条件的实验标志必须搞清楚；有的实验要保证的某些条件不变，有较好的重复性，就得采取有效方法；有的实验要通过比较来鉴别其“真伪”或精确度等等．这些方面的问题对于提高学生的技能和技巧关系极大．在实验教学中要特别注意以下几个方面的问题．
第一 、掌握实验的重复性要领．
有的实验要求其过程不断重复出现，以便仔细观察或依次研究过程中的某些状态．例如，研究平抛运动，如果采用“描点法”来进行，就必须保证每次运动的轨迹完全相同．要做到这一 点，首先应使滑槽末端处于水平位置．检查水平与否，可用“平衡法”，即将小球放在水平槽的任意位置而不发生滚动，但要鉴别其真伪．要保证小球运动的重复性，应使其轨迹不变，这就要求小球的起始高度和状态保持不变，这是关键的一 步．掌握关键靠练习，标志是每一 次的落地点变化不大．
第二、掌握实验条件的标志．
实验装置在调整时应保证某些条件，才能获得较好的实验结果．是否已经保证了某些条件，应该有明确的标志．例如，验证力的平行四边形法则的实验，其实验原理是“等效代替”，而等效的标志集中反映在将橡皮条拉到“同一 点”，此外还应保证作用于“结点”的各力平行于作图的平面．又如，平抛运动实验中板面是否跟小球运动平面平行的标志，可由小球运动轨迹是否平行板面来判断．总之，有关这方面的问题，应该结合实验装置的情况灵活运用有关知识加以解决，这种能力的培养是很重要的．
第三、 掌握规则的实验操作方法．
为了少走弯路，减少实验误差和失误，一 般可采用从定性观察到定量观察的方法．这种方法的基本点是，按实验的要求先做一 下，观察发生的现象，进而研究确定观测区域或观测点，为定量观测做好较充分的实际准备．为了便于分析比较测量数据的“可靠性”，有些实验可采用“等差区间测点”的方法，如测定电源的电动势和内电阻的实验，改变电压时，可取0.5V,1.0V,1.5V,2.0V2.5V等，分别得到不同电流值，在坐标轴上找到测点坐标．
第四、 掌握实验装置的最佳工作状态和检验调整方法．
物理实验一 般可以一 定的步骤改变过程进行的条件，使实验装置处于最佳工作状态，把误差降低到最低程度．例如，研究平抛物体运动的实验，为了满足抛出时为水平运动，就一 定要将抛射器的水平部分调整水平；验证动量守恒定律的实验，为了满足碰撞后两个小球都具有一 定的速度，又要使其产生对心碰撞，就用不同密度的小球．
学生在实验中掌握实验技能和技巧的过程，是一 个手脑并用，理论联系实际，求得最佳效果的操作过程，而不是简单的重复练习的经验积累过程．