馬利江

（余姚市第七中學 浙江寧波 315400）

關于高中物理實驗的創(chuàng)新設計

馬利江

（余姚市第七中學 浙江寧波 315400）

以觀摩寧波市高中物理實驗設計比賽后的體會及個人多年積累的教學經(jīng)驗為基礎，分析和研究了新課程標準、近年來高考趨向和實驗教學現(xiàn)狀，進而論述了高中物理實驗教學在新課程改革形勢下進行實驗創(chuàng)新設計的重要意義以及創(chuàng)新設計中易出現(xiàn)的某些問題．

實驗創(chuàng)新 設計 問題 案例

物理學是一門自然科學，更是一門以實驗為基礎的學科．高中物理教學應以實驗教學為基礎，激發(fā)學生的學習動力，培養(yǎng)學生的實驗技能和創(chuàng)新能力，發(fā)展學生創(chuàng)造性思維和解決實際問題的創(chuàng)新意識和能力．

1 為何需要實驗創(chuàng)新設計

1．1 現(xiàn)行教材實驗設計手段的單一性

在現(xiàn)行的中學物理教材中安排了很多演示實驗、學生實驗和課外趣味實驗，但都手段單一．比如學生分組實驗，教材從實驗目的、實驗原理、儀器、操作步驟到注意事項，寫得面面俱到．教師只需按教材花一定的時間講解實驗目的、原理、注意事項等，然后學生照著現(xiàn)成的步驟，用同樣的儀器、同樣的方法做同一個實驗，最后得出同一個結(jié)論．對教師來說，這樣做不利于自身實驗教學能力的提高、實驗教學手段的多樣化和實驗教學探究意識的深化．對于學生來說，不利于培養(yǎng)學生的實驗技能和創(chuàng)新能力，不利于發(fā)展學生創(chuàng)造性思維和解決實際問題的創(chuàng)新意識和能力．

1．2 現(xiàn)行教材實驗設計方案和器材的時代局限性

在現(xiàn)行的教材中很多演示實驗、學生實驗的設計方案和器材是在幾十年前設計形成的，固然有其存在的科學性和普適性，但有些方案和器材已經(jīng)顯得落后于時代的發(fā)展、社會科技的進步和教學方法的革新，在新時代和新課改背景下需要有更好的實驗方案，更先進、更精確的器材來替代．

1．3 高考風向標的因素

雖然新的教育改革在一定程度上削弱了高考的“一考定終身”的作用，但目前來說，高考仍起到主體作用．分析近年全國各地高考實驗題，其特征為：實驗題很少直接考查教材中的實驗原理、實驗方案、器材和實驗步驟、注意事項等，而偏重于在沒有超出考綱規(guī)定的前提下，創(chuàng)設新的實驗方案，引入新的器材，設立新的實驗條件等，來考查學生的創(chuàng)新能力、理解能力和處理新問題的能力．這也就要求教師在平時的實驗教學中注重自身和學生的創(chuàng)新意識的培養(yǎng)、創(chuàng)新能力的提高．

2 實驗創(chuàng)新設計中的問題

2．1 實驗創(chuàng)新設計原則

為了使設計的實驗經(jīng)得起考驗、經(jīng)得起推敲，得到大眾的認同，實驗創(chuàng)新設計應該遵循以下幾個原則：（1）實驗原理的科學性；（2）實驗方案的新穎性；（3）實驗條件的可操作性；（4）實驗過程的簡潔方便性；（5）實驗現(xiàn)象的明顯直觀性；（6）實驗結(jié)果的精確性．

2．2 出現(xiàn)的問題

隨著中學物理教學研究的不斷深入和發(fā)展，實驗創(chuàng)新設計的作用越來越為人們所認識，并引起很多物理教師的關注．而且有關這方面的研究及成果不斷出現(xiàn)，然而從總的情況看，目前實驗創(chuàng)新設計的研究仍然是初步的，還有一些理論和實踐上的問題有待探討．比如，有些教師是為了體現(xiàn)自身在行動上已在創(chuàng)新的這一目的，但在實際操作過程中表現(xiàn)為重理論輕實踐，重改變輕創(chuàng)新，重形式輕行動．而有些教師確實參與了創(chuàng)新設計，總體上能體現(xiàn)出實驗的新穎性、可操作性、明顯直觀性等原則，但在一些細節(jié)上往往忽略了實驗的科學性和精確性．這也是以后廣大設計者需要關注的地方．

2．3 案例分析

下面呈現(xiàn)的兩個創(chuàng)新實驗設計案例，是在寧波市物理教研室組織的實驗創(chuàng)新設計及操作比賽中參賽教師提供的創(chuàng)新實驗．

實驗1：測量玻璃的折射率實驗

設計方案及處理：利用一支激光筆和一把透明的刻度尺，將一條形玻璃磚平放于桌面上，在其背后緊貼一透明刻度尺，如圖1（a）所示．用激光筆斜射玻璃磚正對面，在玻璃磚前后表面形成了兩個光斑，用相機在玻璃磚正前方記錄光斑的位置，如圖1（b）所示．不改變玻璃磚和激光筆的位置和照射方向，移除玻璃磚記錄激光筆直射的斑點，如圖1（c）．在（b）、（c）圖中用筆圈出光斑位置，標注光斑編號，讀取光斑的位置，考慮光斑大小，讀數(shù)時采用中間位置讀?。疁y出玻璃磚前后面間的厚度，用方框表示玻璃磚，方框?qū)挾鹊扔诓ＡТu厚度，按照剛才的讀數(shù)標出3個光斑的位置A，B，C，連接A，B兩點和A，C兩點，過A點作垂直虛線AD，如圖2．隨后量取AB線段、AC線段的長度L1，L2及圖中BD線段、CD線段的長度L3，L4．玻璃的折射率為

圖1

圖2

實驗2：探究“加速度與力、質(zhì)量之間的關系”

設計方案及處理：將帶有輕定滑輪的軌道一端墊起，把質(zhì)量為M的小車通過細繩與質(zhì)量為m的一個鉤碼跨過定滑輪相連，調(diào)整軌道傾角，直至輕推小車使其向下勻速運動．然后保持軌道傾角不變，取下鉤碼，將小車與紙帶相連，接通打點計時器電源，靜止釋放小車，使小車向下做加速運動．由紙帶求出加速度．

多次改變鉤碼個數(shù)為2個、3個、4個……重復上述實驗步驟．

用鉤碼的重力代替小車受到的合力，列表填入每次實驗的合外力與加速度的數(shù)值，利用a- F圖像得出小車加速度與力的關系．

分析上面兩個案例，實驗設計都是對教材中的學生實驗加以創(chuàng)改．改變了教材中的實驗原理、儀器、操作步驟等，具有一定的新穎性、創(chuàng)造性和可操作性．比如實驗1相比教材實驗，體現(xiàn)以下幾個優(yōu)點：（1）比原有的插針法更為便捷，可視性更強．（2）避免了原有教材實驗因?qū)W生操作過程中易帶來的誤差．（3）實驗器材獲得方便，都是身邊容易得到的器物．（4）在感官上更為直接，學生確實體會到光在玻璃種發(fā)生了折射．而實驗2的優(yōu)點在于不要求鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量，且不用平衡摩擦力，直接運用“替代法”得到小車所受到的合力．

兩個創(chuàng)新設計中存在的問題：

實驗1主要問題在于光斑位置的確定．由于激光筆光束的局限性，現(xiàn)場看到在刻度尺上的光斑大小有3 mm左右．當要記錄光斑位置時，設計者先用黑筆圈出光斑的大概位置，然后讀數(shù)采用中間位置讀?。俗龇ㄖ饔^誤差很大，給實驗結(jié)果的精確性帶來影響．筆者認為改進方案可以如下：

措施1：把激光筆由點狀光源變成線狀光源．在激光筆前放置一根直徑2 mm左右的透明玻璃柱，激光束透過玻璃柱后即能得到線狀激光．改進后得到的光線位置記錄如圖3所示．

圖3

措施2：改直接用黑筆圈光斑為用圓規(guī)畫圓圈光斑，圓心即為光斑的中心位置．

以上兩種方案在設計者原有創(chuàng)設方案的基礎上稍加改進，不但沒有增加操作難度，但對減小實驗誤差，提高實驗精確性和說服力上有了很大的提高．

實驗2問題：（1）輕推小車使其勻速下滑，靠眼睛直接觀察就予以確定，這違反了實驗操作的科學性，與高中物理實驗教學要求是相違背的．（2）兩次小車運動所受阻力有差異，勻速下滑時小車直掛鉤碼，不連紙帶，加速下滑時帶動紙帶運動，而紙帶與打點計時器限位孔之間存在阻力，這對于認為加速時小車受到的合力等于勻速時鉤碼的重力有一定的誤差．降低了實驗結(jié)果的精確性．可改進措施：

措施1：可在軌道上間隔一定距離放置兩個光電門，利用固定在小車上的遮光片兩次通過光電門的遮光時間t1和t2，來確定是否勻速．加速下滑時不用打點計時器，也可利用遮光片兩次通過光電門的遮光時間t1和t2，遮光片寬度d及兩光電門間距L，來求得加速度a．

措施2：在小車尾部上下錯位平行連接細繩和紙帶，紙帶在細繩下方并穿過計時器限位孔，使得小車在兩次運動中都拖動紙帶運動，如圖4．

改進后，可以使得原設計中暴露的原則性錯誤得以消除，提高了實驗的科學性和精確性，符合高中實驗教學的要求．而且引入傳感器，可加深學生對傳感器的認識和實際應用能力．

圖4

3 結(jié)束語

新課程標準對高中物理實驗有了更高的要求，要能激發(fā)學生的學習動力，培養(yǎng)學生的實踐技能和創(chuàng)新能力．在平時的教學過程中教師本身要重視實驗教學的重要性，更新教學觀念和創(chuàng)新教學方法，敢于在教材實驗設計的基礎上積極主動地設計創(chuàng)新實驗、自制實驗器材．并且能設計出體現(xiàn)時代發(fā)展和科技進步的創(chuàng)新實驗，體現(xiàn)實驗的與時俱進和可持續(xù)發(fā)展．但在創(chuàng)新設計過程中務必注重創(chuàng)新實驗所遵循的幾個原則，在不斷的提升和再思考中完善實驗的設計方案，使實驗設計經(jīng)得起各種考驗．

2014- 05- 05）