首页 -> 2006年第8期

高中物理设计性实验教学初探

作者：黄　强

　　实验是物理学的基础，实验教学在物理教学中有着举足轻重的地位。在新课改理念下，着眼于提高学生的实验能力，应努力探究实验教学新模式，使实验教学更有利于培养学生的操作实验、设计实验的实践能力，更有利于培养学生的创新能力。因此物理实验教学应该确立一个发展性目标，即培养学生的创新意识和创新能力。设计性物理实验是实现这个发展性目标的一种有效模式，它是验证性实验为主的传统实验教学的新拓展。笔者建议在实际教学中，增加一定数量的设计性实验。
　　
　　一、设计性实验的涵义及相关理念
　　
　　1．设计性实验的程序
　　物理设计性实验要求学生灵活、综合地运用所学的物理以及相关学科的知识和技能，完成如下的程序。一是准备、设计阶段：查阅资料，设计实验方案，选配实验仪器，拟定实验步骤；二是实验阶段：正确调节和使用仪器，观察现象，测量数据，思考和分析问题；三是小结阶段：可以以课题论文形式提交实验结果，也可以进行口头形式的交流讨论。
　　
　　2．设计性实验选题的原则
　　设计性实验选题的原则，一般不要求突出实验内容的复杂性，课题只给出实验目的和要求，由学生根据目的要求去查阅资料，独立制订实验方案。提出分析解决问题的设想，然后在教师的指导下独立去解决，最后写出实验报告。
　　
　　3．设计性实验分类
　　(1)从形式上可分为两种类型：第一，给定某种仪器设备，要求完成某一物理量的测定或某一物理现象的观察研究。课本中一些“做一做’’栏目中介绍的小实验，有些就是这种类型的设计性实验。如《平抛物体运动》中的“用尺测量玩具手枪子弹射出时的速度”。又如在“显示微小形变”小实验中，变换一下问题方式就可以成为此类设计性实验，可以提出问题： “给你一个大玻璃瓶，你如何通过实验来显示微小变形?”第二，只提测量要求，不限实验方法和所用仪器，完成某一物理量的测量任务。
　　(2)从内容上可以分为三种类型：第一，测量某一物理量的课题，如“怎样测量半圆柱形下玻璃砖的折射率”，由学生设计实验方案；第二，探讨研究和应用的课题，如“太阳能电池的应用”，由学生阅读相关材料后，对工作原理和应用前景进行了解分析；第三，研究测量方法的课题，要求设计一种实用的方法。例如，在用伏安法测电阻后，可以提出：“一位无线电修理工手边有最大阻值为50n的滑动变阻器R0和未知电阻Rx各一只，除用伏安法测量外，还有哪些方法能测出它的大小(器材自选)”的研究课题，让学生根据课题要求，设计出多种测量方法。
　　
　　二、教学案例
　　
　　设计实验课题：重力加速度的测定
　　1．课题的提出
　　重力加速度是物理学中最重要的常数之一，它在高中的物理学习章节里大量频繁出现，其数值的测定方法很多，有些方法在物理学发展史乃至在科学史上有重要的价值。请同学们根据所学知识以及了解的知识设计一种可行的实验方案。
　　涉及到重力加速度的知识点很多。静力学中的重力，运动学中的匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动等；在动力学中的牛顿运动定律，超重、失重、力的平衡、匀速圆周运动、万有引力定律、机械能守恒定律等；在电学、原子物理中带动粒子的受力也涉及到重力加速度。
　　
　　2．设计实验的要求
　　(1)学生分为若干实验小组，根据所学知识作为实验原理，可以找到多种测量方法，但至少选择一种以上你认为切实可行的实验，进行具体详尽的方案设计。包含确定实验原理，选配实验器材，拟定实验步骤，提示重要操作事项等。
　　(2)正确调节和使用仪器，观察现象，测量数据，思考和分析问题。
　　(3)提交实验结果，对所设计方案在实验中出现偏差或误差的原因进行分析，注意实验的可行性和实验价值的分析评估。
　　
　　3．设计实验的互动和帮助
　　(1)从方案设计到实验过程到总结，学生以自主完成为主，疑惑较大时，师生间可以讨论，教师可给予适当指导。
　　(2)开放实验室，实验室可以提供学生较熟悉的一些仪器，如秒表、光电计时装置、打点计时器、电火花计时器、单摆装置等。
　　
　　4．设计实验的思考
　　(1)对各小组的设计方案及实验结果进行对比分析，从实验的新颖性、可行性、实用性、先进性设计方法的价值等方面作对比，相互间作出评价。
　　(2)查阅资料，了解一种比较精确的测定重力的加速度方法——凯特摆测量法，思考其设计思想在科学史上有何重要价值。
　　
　　三、教学思考
　　
　　1．本案例课题极富开放性和挑战性。设计方案时，要求学生提出尽可能多的设想，再根据时间和条件，实践一、二种方案，有的实验无条件进行，也可以提出各种新的设想，这是创新思维训练的有效模式。由于课题较熟悉，要设计一个方案并不难，难就难在设计一个好方案，好方案就好在测量方法新颖、准确可行上。在研究此课题中学生根据所学知识，设计出不少方案，如自由落体(s=1/2gt²)，物体由静止在斜面滑下的方法[s=1/2at²=1/2(gsinθ-ug)t²]，单摆法，力的平衡(弹簧拉力F=G=mg)；带电粒子在匀强电场平行板电容器中平衡(mg=qu／d)等方法，仅是自由落体的方法，也有不同的方案，如通过光电门装置来测物体下落时间的，也有通过打点计时器所打的纸带来计算g。同一方案，为了更准确测量，都有不同的测量方法。
　　2．设计中的反思促使创新意识转化为创新能力。书面知识和实际操作之间存在巨大差异，想到一套好的思路并不等于有了实际操作的可行性。因此应鼓励学生在设计实验中不断对比、反思、借鉴，通过对测量手段的优化创新来提高实验的可行性。如有不少学生在方案中采用多次测量或图表的方法来减少偏差和误差，正确使用较好的仪器，如光电计时装置、电火花计时器等来保证测量的准确度。为了启迪学生设计实验创新思维方向案例中提供“凯特摆”的设计作为学习典范，就是让学生在反思中学习凯特摆的创新设计思想，凯特利用物理摆的共轭点避免和减少某些不易测量的物理量对实验结果的影响，提高实验的精度，充分体现了创新设计思想的重要价值和魅力。
　　总的来说，开展设计性实验，拓展实验教学的新构想，随着新课改实验的推广，必将在中学物理实验教学中占有越来越重要的位置，成为培养学生创新能力的有效教学模式。
　　(作者单位：南宁市第三十六中学，广西南宁530001)
　　(本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。)

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