季 倬(永康市第一中學(xué) 浙江 永康 321300)

完美數(shù)據(jù)
——實(shí)驗(yàn)教學(xué)的美麗誤區(qū)

季 倬
(永康市第一中學(xué) 浙江 永康 321300)

通過(guò)對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)和庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)方案選擇案例分析，闡述教學(xué)實(shí)驗(yàn)不能一味追求數(shù)據(jù)完美，而忽視實(shí)驗(yàn)思想方法教育的教學(xué)觀點(diǎn).

實(shí)驗(yàn)教學(xué) 數(shù)據(jù) 方法 思想

人教版《物理·必修1》第二章第五節(jié)“自由落體運(yùn)動(dòng)”一課中，教材介紹了一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量重物下落的加速度，如圖1所示.同時(shí)可以利用打出的紙帶，得出相鄰兩段相等時(shí)間內(nèi)的位移差是一個(gè)定值，由此來(lái)驗(yàn)證重物下落的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)勻加速直線運(yùn)動(dòng)．按照這個(gè)方案，我們用長(zhǎng)約60 cm的紙帶反復(fù)試驗(yàn)，每次選取中間打點(diǎn)清晰的一段，隔0.02 s選擇一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)不僅加速度的數(shù)值遠(yuǎn)比參考數(shù)據(jù)小，而且相鄰兩段相等時(shí)間內(nèi)的位移差也相差較大．分析誤差的產(chǎn)生原因，除了各種阻力之外，最重要的是，由于相鄰兩段相等時(shí)間內(nèi)的位移差的數(shù)量級(jí)在10-3m，而用毫米刻度尺測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)偶然誤差也將達(dá)到10-3～10-4m，相對(duì)誤差明顯太大．

圖1 用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)重物下落加速度實(shí)驗(yàn)裝置

為解決這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)難題，我們購(gòu)買了另外一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，即帶有兩個(gè)光電門的自由落體演示儀，如圖2所示．該演示儀利用光電門和計(jì)數(shù)器，測(cè)得小球從起始位置到光電門的時(shí)間t，改變光電門離起始位置的距離H，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，輸入計(jì)算機(jī)畫(huà)出2H-t2的圖像，通過(guò)圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線，證明下落的加速度是一個(gè)定值，通過(guò)直線的斜率還可以得到加速度的數(shù)值．由于采用了光電門和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)，偶然誤差大大減少，同時(shí)還消除了由紙帶帶來(lái)的阻力影響，相比教材中的實(shí)驗(yàn)，除了加速度數(shù)值略偏小外，該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)堪稱完美！后來(lái)我們都用這套器材替代教材中的實(shí)驗(yàn)．

圖2 自由落體演示儀

隨著對(duì)課堂中學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)重要性認(rèn)識(shí)的提高，我們感到上述演示方法存在以下不足：

(1)由于采集多組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要10～15 min，如果作為演示實(shí)驗(yàn)，那么較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，學(xué)生的參與度很低，如果設(shè)計(jì)成分組實(shí)驗(yàn)，就需要多組器材，成本很高．

(2)由于該階段的學(xué)生剛開(kāi)始接觸運(yùn)動(dòng)圖像，還不具備熟練運(yùn)用圖像處理數(shù)據(jù)的能力，所以該實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)學(xué)生的認(rèn)知水平，教學(xué)過(guò)程中教師往往只能唱獨(dú)角戲，教學(xué)效果不好．

(3)原本教材的實(shí)驗(yàn)方案既有復(fù)習(xí)紙帶分析方法的教學(xué)功能，又為今后探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證機(jī)械能守恒的實(shí)驗(yàn)做好鋪墊，但是被替換后，這種承上啟下的作用沒(méi)有了，實(shí)驗(yàn)方法的教育功能也沒(méi)有了．

于是一個(gè)疑問(wèn)逐漸產(chǎn)生：這樣一味追求數(shù)據(jù)的完美值得嗎？

如果是科研實(shí)驗(yàn)，利用高精尖的設(shè)備，獲得盡可能精確的數(shù)據(jù)，當(dāng)然是實(shí)驗(yàn)最基本也是最重要的目標(biāo)．但中學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)，是一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)，它應(yīng)該有別于科研工作者的科研實(shí)驗(yàn)．作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)固然重要，但更重要的是讓學(xué)生重演科學(xué)家研究的過(guò)程，領(lǐng)悟物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，掌握物理學(xué)科的研究方法.

于是我們對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)方案重新進(jìn)行設(shè)計(jì)．首先是保留教材原來(lái)的實(shí)驗(yàn)方案，且在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，教學(xué)的重點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生提出數(shù)據(jù)處理的方法，即如何利用紙帶分析運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和加速度；其次是將演示實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，并優(yōu)化該實(shí)驗(yàn)的操作細(xì)節(jié)，尤其是增加紙帶的長(zhǎng)度(約1.3 m，操作者需要用較長(zhǎng)的夾子如環(huán)保垃圾夾夾住紙帶，甚至有必要站到凳子上釋放紙帶)，延長(zhǎng)重物下落的時(shí)間，將原本每隔0.02 s取點(diǎn)改為每隔0.1 s取點(diǎn)，減少相對(duì)誤差；最后根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，用較短時(shí)間有選擇地介紹閃光照片和光電門演示儀，以及它們對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法．這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，雖然實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然不夠完美，但凸顯了實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)物理本質(zhì)的指向性，學(xué)生實(shí)驗(yàn)參與度很高，教學(xué)氛圍更加和諧融洽，教育內(nèi)涵也更加豐富了．

這讓筆者不禁想起10年前參加全國(guó)青年教師教學(xué)大賽時(shí)執(zhí)教“庫(kù)侖定律”一課，備課時(shí)教師們對(duì)于如何驗(yàn)證庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)也展開(kāi)過(guò)激烈的討論．如果采用教材中介紹的庫(kù)侖扭秤(圖3)裝置來(lái)驗(yàn)證庫(kù)侖定律，由于漏電等原因，實(shí)驗(yàn)很難得到有效的數(shù)據(jù)．為了得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)從而定量驗(yàn)證庫(kù)侖定律，不少教師采用了如圖4所示的投影式庫(kù)侖扭秤．

圖3 庫(kù)侖扭秤裝置

圖4 投影式庫(kù)侖扭秤

可是這樣之后，質(zhì)疑接踵而來(lái)．首先是該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性問(wèn)題，據(jù)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)介紹，根據(jù)高斯定理，均勻帶電球面在面外各點(diǎn)的電場(chǎng)分布與點(diǎn)電荷的電場(chǎng)分布相同，因此，該實(shí)驗(yàn)中采用球形帶電體作為點(diǎn)電荷的近似模型.可是，實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)應(yīng)兩球的距離約5～6 cm，此時(shí)直徑達(dá)3～4 cm的球還是均勻帶電球嗎？還能近似認(rèn)為點(diǎn)電荷模型嗎？答案是否定的.其次是該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)效性問(wèn)題，據(jù)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明書(shū)介紹，投影式庫(kù)侖扭秤保留了傳統(tǒng)庫(kù)侖扭秤的物理思想，可是在實(shí)際教學(xué)中，單為了介紹清楚該實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)和原理，就需要不少的時(shí)間，在相對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置介紹時(shí)，轉(zhuǎn)化、放大和電荷量均分的思想相對(duì)弱化，實(shí)驗(yàn)方法的教學(xué)效果大打折扣．

如何處理這一矛盾？最后是從科學(xué)史中得到了啟發(fā)．根據(jù)史料記載，庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)并提出庫(kù)侖定律的過(guò)程，很大程度上是受到了萬(wàn)有引力定律的啟發(fā)，而他所依據(jù)的有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻只有3組.其實(shí)科學(xué)發(fā)展史實(shí)一再表明，只靠有限的事實(shí)歸納或單純的邏輯推理，是不足以導(dǎo)致科學(xué)的發(fā)現(xiàn)的，科學(xué)發(fā)現(xiàn)中最活躍的因素是猜想、假設(shè)與直覺(jué)．所以庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)電荷相互作用的規(guī)律，最重要的是青年時(shí)代就已經(jīng)萌生的建立在萬(wàn)有引力定律基礎(chǔ)上的猜想，而不是實(shí)驗(yàn)得到的完美精確的數(shù)據(jù)．

由此看來(lái)，利用實(shí)驗(yàn)得到完美數(shù)據(jù)從而定量驗(yàn)證庫(kù)侖定律，并非是教學(xué)重點(diǎn)，真正的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)思想方法的領(lǐng)悟，以及物理學(xué)家科學(xué)猜想的智慧和大膽假設(shè)的勇氣！于是我們改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，跳出追求完美數(shù)據(jù)的誤區(qū)，先用帶電金屬球與帶電小鋁箔球(也可以是鋁箔小圓筒)相互排斥的實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，定性驗(yàn)證對(duì)電荷間相互作用力的相關(guān)因素的猜想，并介紹控制變量法和電荷量均分的思想．然后介紹庫(kù)侖扭秤，重點(diǎn)突出扭秤實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化放大的思想方法．最后結(jié)合物理學(xué)史的內(nèi)容，進(jìn)行萬(wàn)有引力定律和庫(kù)侖定律的對(duì)比，突出科學(xué)家類比的思想和不斷修正數(shù)據(jù)的探索精神教育．這樣的設(shè)計(jì)，極大地豐富了教學(xué)的內(nèi)涵，受到了專家們的認(rèn)可．

圖5 驗(yàn)證庫(kù)侖定律實(shí)驗(yàn)示意圖

其實(shí)，這樣的例子還有很多．譬如游標(biāo)卡尺的使用，有不少教師認(rèn)為現(xiàn)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)嶋H使用的，大量都是數(shù)顯卡尺，測(cè)量數(shù)據(jù)是可以直接顯示在液晶屏上的，比常規(guī)的游標(biāo)卡尺測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，這樣還需要在中學(xué)階段花時(shí)間學(xué)習(xí)游標(biāo)卡尺的使用嗎？殊不知，在學(xué)習(xí)游標(biāo)卡尺的使用過(guò)程中，理解游標(biāo)卡尺的原理，體會(huì)其設(shè)計(jì)思想，這才是能夠讓學(xué)生終身受益的東西．又譬如學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)“探究合外力做功與速度的關(guān)系”，由于橡皮筋施加的是變力，平衡摩擦和紙帶選取的技術(shù)要求較高，學(xué)生得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往不夠完美，所以有教師建議改為用氣墊導(dǎo)軌探究恒力做功與速度的關(guān)系，可是這樣一來(lái)，變力做功的研究方法和本實(shí)驗(yàn)的核心思想即倍增思想又該如何體現(xiàn)？等等．

中學(xué)物理教學(xué)承擔(dān)著物理文化傳承的責(zé)任，這種傳承絕對(duì)不應(yīng)該僅僅是知識(shí)的傳承，還應(yīng)該有方法的傳承、思想的傳承和精神的傳承．而作為物理學(xué)研究的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)是我們物理教育教學(xué)最重要的部分，一味追求數(shù)據(jù)的完美是一個(gè)美麗而可怕的實(shí)驗(yàn)教學(xué)誤區(qū)，這會(huì)讓我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來(lái)越高端，實(shí)驗(yàn)裝置越來(lái)越復(fù)雜，卻導(dǎo)致教學(xué)方向的偏離，教育內(nèi)涵的缺失，這是需要我們每一個(gè)物理教學(xué)工作者所警惕的．其實(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)統(tǒng)一了實(shí)驗(yàn)精度和思想方法、知識(shí)傳授和自主探究、設(shè)備成本和實(shí)際條件等等多重因素的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如何基于所在學(xué)校實(shí)際和學(xué)生原有認(rèn)知，在多組相關(guān)因素中找到合理的平衡點(diǎn)，是一個(gè)沒(méi)有定論卻充滿教學(xué)智慧的問(wèn)題，也是一個(gè)隨時(shí)代發(fā)展而需要我們不斷實(shí)踐與反思的問(wèn)題．

ABeautifulMisconceptionaboutExperimentalTeaching:
thePursuitofPerfectData

Ji Zhuo
(Yongkang No.1 High School，Yongkang，Zhejiang 321300)

Based on the case analysis of the selection of experimental schemes for teaching free fall and Coulomb′s law, this paper clarifies a teaching perspective that during the experimental teaching, we can′t just focus on the pursuit of perfect data and ignore the teaching of thinking and methodology about experiments.

experimental teaching; data; methodology; thinking

2017-03-28)

季倬(1976- ),男，中教高級(jí)，主要研究方向是選修課程開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì).