孫春成

江蘇省江陰市教師發(fā)展中心，江蘇 江陰 214401

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的考查在高考中占據(jù)重要地位。首先，高考實(shí)驗(yàn)題越來越側(cè)重對學(xué)生實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程的考查，要求學(xué)生能夠透徹理解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法，融會貫通地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)造性地解決問題；其次，高考實(shí)驗(yàn)題越來越多地以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)考查學(xué)生的科學(xué)探究能力，只有學(xué)生具備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力才能融會貫通地應(yīng)對實(shí)驗(yàn)題，應(yīng)對各種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的考查，換而言之創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題的考查其本質(zhì)是考查實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在育人方面有重要作用。首先，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是充分智育的綜合體現(xiàn)，具備較強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的學(xué)生往往物理知識扎實(shí)、實(shí)驗(yàn)原理和方法通透、思維水平較高。其次，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的訓(xùn)練能夠較好地促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)的提升，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要學(xué)生綜合多個(gè)知識點(diǎn)，考慮多個(gè)細(xì)節(jié)，對多個(gè)可能的方案進(jìn)行甄別、優(yōu)選，這一過程比較“燒腦”，也更“育腦”。再次，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，需要學(xué)生統(tǒng)籌兼顧，這一過程可以拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的格局，優(yōu)化解決問題的思路。

“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是中學(xué)物理重要的教學(xué)內(nèi)容，而實(shí)驗(yàn)誤差分析是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可或缺的一個(gè)組成部分。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)誤差分析，對合理配置實(shí)驗(yàn)器材、確定實(shí)驗(yàn)誤差范圍、判斷實(shí)驗(yàn)成敗、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案有積極意義和重要作用。”[1]在實(shí)驗(yàn)過程中，深入全面地分析系統(tǒng)誤差，可以幫助學(xué)生吃透實(shí)驗(yàn)原理與方法，也能幫助學(xué)生提升思維水平，構(gòu)建思維型實(shí)驗(yàn)課堂。“‘思維型’課堂的核心是‘思維活動’，教學(xué)中通過認(rèn)知沖突、自主構(gòu)建、思維監(jiān)控、應(yīng)用遷移引發(fā)學(xué)生積極思考、主動探究來加速認(rèn)知過程。”[2]提升思維品質(zhì)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的重要抓手。分析系統(tǒng)誤差可以從實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)習(xí)題變式等視角入手。以“探究加速度與質(zhì)量、外力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中采用長木板、木塊及小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器為主要器材完成實(shí)驗(yàn)（以下簡稱長木板方案）為例，從以上四個(gè)視角對系統(tǒng)誤差進(jìn)行全面深入的分析，以期提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

1 從實(shí)驗(yàn)條件入手分析系統(tǒng)誤差

準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)條件是順利完成實(shí)驗(yàn)的重要保障之一。一些綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件較多，且部分實(shí)驗(yàn)條件相互交織、理解難度比較大。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了較為便捷地完成實(shí)驗(yàn)，做了一些近似處理或忽略了一些非關(guān)鍵因素的影響，這就會導(dǎo)致系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生。分析這類系統(tǒng)誤差，有利于學(xué)生深刻理解實(shí)驗(yàn)條件以及近似處理時(shí)的物理方法，促進(jìn)知識、方法的融會貫通和思維水平的提升。

以本實(shí)驗(yàn)的長木板方案為例，要求懸掛的沙及小桶（以下簡稱懸掛物）的質(zhì)量m遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于研究對象木塊（含木塊上的砝碼，下同）的質(zhì)量M。實(shí)驗(yàn)中懸掛物通過細(xì)線跨過滑輪拉著紙帶勻加速運(yùn)動，只有當(dāng)m較小時(shí)，加速度a才不會太大。此時(shí)以懸掛物為研究對象，受到重力mg和細(xì)線的拉力T，加速度a越小，T越接近mg，才能用mg近似替代拉力T，解決不容易測量拉力的難題。但是，mg大于T，近似替代后，拉力被“放大”（測量值大于真實(shí)值），從而引入了誤差。

2 從實(shí)驗(yàn)操作入手分析系統(tǒng)誤差

從實(shí)驗(yàn)操作分析誤差，讓“學(xué)生在交流、思維碰撞中提高實(shí)驗(yàn)操作和理性表達(dá)的能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中親歷科學(xué)探究過程，掌握實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)科范式和方法”[3]。實(shí)驗(yàn)操作是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、核心環(huán)節(jié)，只有學(xué)生順利、精準(zhǔn)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，才能獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)操作不僅與實(shí)驗(yàn)者的操作技能有密切關(guān)聯(lián)，也是學(xué)生思維能力的體現(xiàn)，學(xué)生清楚實(shí)驗(yàn)操作背后的邏輯關(guān)系，才能徹底理清實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)操作比較復(fù)雜、關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)較多，這類實(shí)驗(yàn)操作關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的成敗，也影響學(xué)生在新實(shí)驗(yàn)中能否遷移知識與方法解決問題。這些復(fù)雜實(shí)驗(yàn)操作不僅會因?yàn)槭芟抻趯?shí)驗(yàn)者操作技能而產(chǎn)生誤差，也會因?yàn)椴僮鞅澈蟮脑矶胝`差，例如做了某種近似處理或忽略一些非主要因素的影響。本實(shí)驗(yàn)中存在系統(tǒng)誤差的操作主要有平衡摩擦力和細(xì)線平行于長木板這兩個(gè)關(guān)鍵步驟。

2.1 平衡摩擦力

平衡摩擦力其本質(zhì)是找到一個(gè)力來與摩擦力抵消，其理論基礎(chǔ)有：第一，將研究對象木塊所受摩擦力看成是滑動摩擦力，且只有滑動摩擦力；第二，將長木板遠(yuǎn)離滑輪的一端適當(dāng)墊高，當(dāng)傾角θ合適時(shí)，重力的分力等于滑動摩擦力，即有mgsinθ=μmgcosθ。 基于此，經(jīng)常說研究對象質(zhì)量M改變后無需重新平衡摩擦力。平衡摩擦力是否科學(xué)還存在一些爭議，首先摩擦力未必是滑動摩擦力，有些實(shí)驗(yàn)中采用的是小車，摩擦力為車輪與木板間的滾動摩擦、輪軸與小車之間的摩擦，平衡摩擦力的理論基礎(chǔ)不存在。其次，摩擦力除了滑動摩擦力還有紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器之間的阻力，即 mgsinθ=μmgcosθ+f，研究對象質(zhì)量 M 改變后，mgsinθ和 μmgcosθ會變化，但是 f不變。M 改變后本質(zhì)上需要再平衡摩擦力，只是本實(shí)驗(yàn)整體誤差較大，且摩擦力改變造成的誤差尚在可以忽略的范圍之內(nèi)，故為了簡化實(shí)驗(yàn)操作、降低實(shí)驗(yàn)操作難度、提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)成功率，不再重新平衡摩擦力。

另外，平衡摩擦力時(shí)，判斷的標(biāo)準(zhǔn)是讓物塊在不掛細(xì)線和重物的情況下做勻速直線運(yùn)動。為了更準(zhǔn)確、更容易判斷物塊是否做勻速運(yùn)動，借助物塊拖著紙帶運(yùn)動，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，如果點(diǎn)跡均勻則做勻速運(yùn)動，平衡摩擦力的操作達(dá)到要求。

2.2 細(xì)線拉力平行于長木板

本實(shí)驗(yàn)在滿足m<

3 從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理入手分析系統(tǒng)誤差

數(shù)據(jù)處理可以說是順利完成實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論的“最后一公里”，也是實(shí)驗(yàn)中比較“燒腦”的環(huán)節(jié)，是學(xué)生分析、綜合能力提高的最佳載體，是發(fā)展學(xué)生思維邏輯性、縝密性、深刻性等品質(zhì)的契機(jī)。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)的系統(tǒng)誤差可能源于處理數(shù)據(jù)的原理，也可能源于實(shí)驗(yàn)者的特質(zhì)、喜好，也可能源于數(shù)據(jù)處理時(shí)的工具，例如需要作圖處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)驗(yàn)者所選筆的粗細(xì)等。

4 從實(shí)驗(yàn)題變式入手分析系統(tǒng)誤差

變式訓(xùn)練是促進(jìn)學(xué)生深刻理解物理知識、提升學(xué)生思維品質(zhì)、夯實(shí)學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)根基的重要途徑。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中變式不僅在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)行層層遞進(jìn)式的設(shè)問變式，以期學(xué)生更透徹地理解實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)習(xí)題教學(xué)中也應(yīng)該進(jìn)行變式訓(xùn)練，對實(shí)驗(yàn)情境進(jìn)行深度、廣度兩個(gè)維度的拓展，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)學(xué)生融會貫通掌握知識的目的。實(shí)驗(yàn)習(xí)題變式可以達(dá)到消化原理、提升思維兩個(gè)重要目的。原理是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的根，思維是設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的前提，只有深刻理解原理，具備高品質(zhì)的思維才能靈活運(yùn)用知識與方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)造性解決實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)誤差有關(guān)的實(shí)驗(yàn)習(xí)題變式可以從實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理等角度入手。

4.1 實(shí)驗(yàn)條件視角變式分析系統(tǒng)誤差

本實(shí)驗(yàn)最重要的條件就是滿足m<

（1）如果在懸掛物上固定用拉力傳感器，細(xì)線跨過滑輪連接懸掛物和小車，是否還需要滿足條件m<

（2）如果將研究對象看成小車（含車上物體）和懸掛物，研究對象質(zhì)量由M變?yōu)閙+M，是否還需要滿足條件m<

4.2 實(shí)驗(yàn)操作視角變式分析系統(tǒng)誤差

實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范會引入系統(tǒng)誤差，故而可以從實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵操作的視角入手，對實(shí)驗(yàn)習(xí)題進(jìn)行變式拓展分析可能引起系統(tǒng)誤差的情況。本實(shí)驗(yàn)中平衡摩擦力是關(guān)鍵操作步驟，對實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)技能要求較高，也是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的重要因素。具體可以給出圖1，讓學(xué)生分析圖線1、2、3所滿足的實(shí)驗(yàn)條件（是否滿足m<

圖1 a-F圖

4.3 數(shù)據(jù)處理視角變式分析系統(tǒng)誤差

數(shù)據(jù)處理是實(shí)驗(yàn)中思維難度較大，也是得出正確實(shí)驗(yàn)結(jié)論的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，得出結(jié)論時(shí)往往需要做一些近似“技術(shù)處理”從而導(dǎo)致誤差。例如，作圖時(shí)描點(diǎn)、擬合直線環(huán)節(jié)都會存在偏差。本實(shí)驗(yàn)中需要學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出a-F圖和圖，依據(jù)圖像得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。關(guān)于本實(shí)驗(yàn)的習(xí)題，除了上述圖1所示通過圖線1、2、3分析斜率、與坐標(biāo)交點(diǎn)的意義、圖線不過原點(diǎn)的原因等，還可以按照圖2、圖3進(jìn)行變式教學(xué)。

圖2 圖

圖3 a-F圖

圖4 圖

5 結(jié)語

提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，學(xué)生才能變通實(shí)驗(yàn)條件，對實(shí)驗(yàn)物品進(jìn)行“一物多用”“多物一用”，應(yīng)對各種靈活多變的實(shí)驗(yàn)情境，解決各種實(shí)驗(yàn)難題。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力最關(guān)鍵的三個(gè)基石是實(shí)驗(yàn)原理、物理方法、思維品質(zhì)。以分析系統(tǒng)誤差為切入點(diǎn)，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)可以起到如下作用：

第一，促進(jìn)知識的理解升華，吃透實(shí)驗(yàn)原理，為學(xué)生靈活運(yùn)用知識夯實(shí)基礎(chǔ)；第二，可以讓學(xué)生更深刻地領(lǐng)悟物理方法，掌握方法是培養(yǎng)遷移能力的前提；第三，分析系統(tǒng)誤差對學(xué)生思維品質(zhì)要求較高，能夠促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展。這三個(gè)目標(biāo)的達(dá)成對提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，幫助學(xué)生解決創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)問題至關(guān)重要。此外，以分析系統(tǒng)誤差為切入點(diǎn)構(gòu)建思維型實(shí)驗(yàn)課堂，將發(fā)展學(xué)生思維作為教學(xué)重要目標(biāo)，有利于充分發(fā)展智育，而充分智育可以較好地促進(jìn)其余“四育”的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)五育互育[4]，促進(jìn)學(xué)生德智體美勞全面發(fā)展。