史獻(xiàn)計(jì)

【摘 要】充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的智慧啟迪作用：觸摸科學(xué)體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，喚醒學(xué)生好奇心；操作儀器，獲取實(shí)驗(yàn)方法，養(yǎng)成科學(xué)素養(yǎng)；設(shè)計(jì)探究，提高創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生智慧。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)物理 實(shí)驗(yàn) 體驗(yàn) 方法 素養(yǎng) 智慧

物理實(shí)驗(yàn)是人類認(rèn)識(shí)世界的一項(xiàng)重要活動(dòng)，是進(jìn)行科學(xué)研究的基礎(chǔ)。物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、理論體系和研究方法，是現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)，它們?cè)趯W(xué)生智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展中有著特殊的作用。物理實(shí)驗(yàn)既是學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容，也是物理教學(xué)方法。因此，物理實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)是物理課程和教學(xué)的一個(gè)重要組成部分。在物理教學(xué)中，通過教學(xué)設(shè)計(jì)引領(lǐng)學(xué)生步入物理實(shí)驗(yàn)殿堂，架起學(xué)生智慧生成的橋梁是物理教學(xué)改革的重要措施。在教學(xué)中，教師不僅要做好教材上的實(shí)驗(yàn)，還要多動(dòng)腦、多收集信息，設(shè)計(jì)更多的實(shí)驗(yàn)，做到演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與探索性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的智慧啟迪作用。把實(shí)驗(yàn)作為發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力、思維能力，提升學(xué)生智慧水平的支撐。

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教育能夠影響學(xué)生的發(fā)展，作為一種實(shí)踐形態(tài)，實(shí)驗(yàn)教育至少在兩個(gè)層面上發(fā)生著作用：一是獲得群體性社會(huì)文化要素的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、技能等；二是使個(gè)體精神層面的主體價(jià)值、思維、智慧得以交流、引導(dǎo)與提升。正如愛因斯坦所說，科學(xué)對(duì)于人類的影響有兩種方式：第一種是大家熟知的，即科學(xué)直接地，或很大程度上間接地生產(chǎn)出完全改變了人類生產(chǎn)生活的工具；第二種方式是教育的性質(zhì)——它作用于心靈。因此，走進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)殿堂是開啟學(xué)生心智的鑰匙。

一、觸摸科學(xué)，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)——喚醒好奇心

蘇霍姆林斯基曾經(jīng)說過：“在人的心靈深處，都有一種根深蒂固的需要，這就是希望自己是一個(gè)發(fā)現(xiàn)者、研究者、探索者?！睂W(xué)生對(duì)學(xué)科的喜愛源自于內(nèi)心的好奇，物理實(shí)驗(yàn)的奇特現(xiàn)象不僅是歸納物理規(guī)律，形成物理假說、驗(yàn)證理論預(yù)言和物理假說的依據(jù)，也是激發(fā)學(xué)生好奇心理的有力手段。

【案例1】互感與自感的教學(xué)設(shè)計(jì)

教師：兩節(jié)干電池串聯(lián)后兩端的電壓是幾伏？

學(xué)生：3V。

教師：人接在兩節(jié)干電池兩端會(huì)有電擊的感覺嗎？

學(xué)生：不會(huì)。

教師：那好，我們用兩節(jié)干電池試試看。

教學(xué)行為：教師按圖1所示的電路圖連接好電路后，讓幾名學(xué)生手拉手接到A、B兩端。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：閉合開關(guān)S瞬間，學(xué)生基本沒有感覺；斷開開關(guān)S瞬間，幾名學(xué)生因受到電擊而跳了起來。

學(xué)生反應(yīng)：全班學(xué)生都覺得很意外，很驚奇。

設(shè)計(jì)分析：通過感官觸覺來體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這不僅僅是感覺刺激，更是從思維上給予學(xué)生強(qiáng)烈的刺激，激發(fā)了學(xué)生的好奇心理，正所謂“水不激不活，人不激不奮”。學(xué)生在強(qiáng)烈的與生活體驗(yàn)相悖的刺激之下，產(chǎn)生了學(xué)習(xí)思維的興奮，為學(xué)習(xí)互感后的自感創(chuàng)造了良好的學(xué)習(xí)氛圍。

在教學(xué)活動(dòng)過程中，教師設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在學(xué)生的意料之外、效果明顯、生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)，不僅有助于激發(fā)學(xué)生的興趣，更重要的是激活了學(xué)生的思維細(xì)胞。因此，在教學(xué)過程中，能夠讓學(xué)生自己動(dòng)手做的實(shí)驗(yàn)盡量不要用演示實(shí)驗(yàn)替代，更不需要用多媒體技術(shù)替代，而要讓學(xué)生在切身體驗(yàn)中觸摸到實(shí)驗(yàn)的奧妙，感受實(shí)驗(yàn)的真諦。

二、操作物理儀器，獲取實(shí)驗(yàn)方法——養(yǎng)成科學(xué)素養(yǎng)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》的基本理念之一是：“高中物理課程旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，從知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)和未來發(fā)展的挑戰(zhàn)奠定基礎(chǔ)?！彼裕咧形锢斫逃某霭l(fā)點(diǎn)和歸宿是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成。

簡單地講，科學(xué)素養(yǎng)主要包括科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度、科學(xué)知識(shí)與技能。物理教學(xué)提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)的一個(gè)重要渠道是實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)重要方面是加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作，即加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本功的訓(xùn)練。其基本策略是教師在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，要加強(qiáng)每一個(gè)操作細(xì)節(jié)的把握，包括對(duì)一些儀器儀表的數(shù)字認(rèn)讀，對(duì)螺旋測微器、游標(biāo)卡尺等基本測量工具的使用方法講解等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中提倡使用自制的實(shí)驗(yàn)用具，在條件允許的情況下，可以在課外開放實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生更多的時(shí)間、空間來展示他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新水平。此外，在通過實(shí)驗(yàn)來提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)時(shí)，一定要有所側(cè)重，包括教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重，如電學(xué)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是與我們當(dāng)前生活息息相關(guān)的一部分內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，要注重課程標(biāo)準(zhǔn)中的基本要求的實(shí)踐與落實(shí)，課堂上一定要設(shè)置與生活相關(guān)的情境，讓學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)與具體生產(chǎn)生活實(shí)踐聯(lián)系起來，通過這些典型的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)就會(huì)在教師精心安排的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有所提升。

【案例2】為探究小燈泡的電功率P和電壓U的關(guān)系，小明測量了小燈泡的電壓U和電流I，利用P=UI得到電功率。實(shí)驗(yàn)所使用的小燈泡規(guī)格為“3.0V 1.8W”，電源為12V的電池，滑動(dòng)變阻器的最大阻值為10Ω。

（1）準(zhǔn)備使用的實(shí)物電路如圖2所示。請(qǐng)將滑動(dòng)變阻器接入電路的正確位置。

（2）現(xiàn)有10Ω、20Ω和50Ω的定值電阻，電路中的電阻R1應(yīng)選 Ω的定值電阻。

（3）測量結(jié)束后，應(yīng)先斷開開關(guān)，拆除 兩端的導(dǎo)線，再拆除其他導(dǎo)線，最后整理好器材。

（4）小明處理數(shù)據(jù)后將P、U2描點(diǎn)在坐標(biāo)紙上，并作出了一條直線，如圖3所示。請(qǐng)指出圖像中不恰當(dāng)?shù)牡胤健?/p>

分析：問題（1）（3）考查的是基本實(shí)驗(yàn)操作技能；問題（2）考查了電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，要求學(xué)生從實(shí)驗(yàn)原理、電路設(shè)計(jì)原則等方面進(jìn)行分析與判斷；問題（4）考查了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能力，試題的設(shè)問角度很新穎。顯然，在物理實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作過程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上對(duì)學(xué)生提出了更高的要求。如，電學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后電路拆除“應(yīng)拆除電池兩端的導(dǎo)線”是基本的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，同時(shí)對(duì)學(xué)生的安全意識(shí)也是一種考查；再如，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中“圖線不應(yīng)畫為直線”，突破了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)過程中“擬合直線”慣性思維，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理需要根據(jù)實(shí)際情況作出科學(xué)的、誠實(shí)的記錄與分析；而“橫坐標(biāo)的標(biāo)度不恰當(dāng)”既是一種美學(xué)要求，也是物理系統(tǒng)化觀念的滲透。

【案例3】瞬時(shí)速度概念的建立

器材：氣墊導(dǎo)軌、光電門、計(jì)時(shí)器、刻度尺

任務(wù)：測量滑塊經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)的速度

操作：如圖4（a）所示氣墊導(dǎo)軌傾斜放置，使滑塊從固定高度下滑。在O點(diǎn)[圖4（b）所示]裝上光電門S1，在O點(diǎn)沿斜面向上的方向上，每隔一定距離取一點(diǎn)A1、A2、…、A6；將第二個(gè)光電門S2按序號(hào)放在A6、A5、…、A1各點(diǎn)，用計(jì)時(shí)器逐次測量出滑塊通過A6O、A5O、…、A1O的時(shí)間，計(jì)算各次的平均速度，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。再在O點(diǎn)沿斜面向下的方向上，按一定的距離取B1、B2、…、B6，將第二個(gè)光電門S2按序號(hào)放在B6、B5、…、B1各點(diǎn)，測出滑塊通過B6O、B5O、…、B1O的時(shí)間，計(jì)算各次的平均速度，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

研究：分析O點(diǎn)上方各點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)滑塊通過A6O、A5O、…、A1O時(shí)的位移越來越小，平均速度卻越來越大，由此推出，位移趨于零時(shí)，平均速度并不為零?；瑝K通過B6O、B5O、…、B1O的位移越來越小，平均速度隨之減小，但是A1O段平均速度小于B1O段速度，因此，有理由相信，它們之間存在一個(gè)中間界限量，這個(gè)量就是O點(diǎn)的瞬時(shí)速度。

分析：上述實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解了瞬時(shí)速度的概念，解釋了“當(dāng)位移趨于零時(shí)，平均速度是否為零”“平均速度是否有極限”的疑問。學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)研究是物理素養(yǎng)形成的過程，教學(xué)過程中，盡最大可能讓學(xué)生動(dòng)手，在動(dòng)手的基礎(chǔ)上，通過問題的引導(dǎo)，在解決問題的過程中，形成學(xué)生的物理素養(yǎng)。

此外，為了解決課堂實(shí)驗(yàn)不足的問題，教師可以通過建立家庭實(shí)驗(yàn)室、合作小組實(shí)驗(yàn)室等方式讓學(xué)生有足夠觸摸實(shí)驗(yàn)儀器、體驗(yàn)物理方法的機(jī)會(huì)。生活中的許多廢舊物品可以成為很好的實(shí)驗(yàn)器材，如氣球、易拉罐、玩具車輪、小電動(dòng)機(jī)、繩子、木板、金屬片、飲料瓶、泡沫海綿、吸管、皮筋等，可以開發(fā)出一系列實(shí)驗(yàn)。要讓物理實(shí)驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)新事實(shí)、探索新規(guī)律、檢驗(yàn)理論、判定理論的適用范圍、測定常數(shù)、推廣應(yīng)用、開拓新領(lǐng)域等方面對(duì)學(xué)生的物理素養(yǎng)的形成發(fā)揮作用。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究，提高創(chuàng)新意識(shí)——提升學(xué)生智慧

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是一種綜合能力，它能反映出學(xué)生對(duì)物理科學(xué)方法的掌握情況，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)。因此，在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，教師要通過示范的方式，逐步讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思想、方法與策略。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心是實(shí)驗(yàn)原理的把握，教師要用實(shí)驗(yàn)原理調(diào)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為。從設(shè)計(jì)方法角度來看，有等效法、累積法、控制變量法、轉(zhuǎn)換替代法、留跡法、放大法、縮小法、平衡法、圖像法等。這些方法有時(shí)還可以綜合起來使用，具體由實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定原理，然后根據(jù)原理設(shè)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

【案例4】楞次定律“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化”的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置：如下表所示，輕質(zhì)鋁環(huán)用細(xì)繩懸掛起來，靜止時(shí)，用條形磁鐵的N極或S極垂直于鋁環(huán)平面，沿中心軸線水平運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：條形磁鐵的N極、S極靠近或遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)將被排斥或吸引。

原理分析：根據(jù)“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”的原理可判斷出鋁環(huán)中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場的磁極方向。

實(shí)驗(yàn)記錄：如表所示。

創(chuàng)新要點(diǎn)：可以直接根據(jù)鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)的情況分析出感應(yīng)電流的磁場方向，進(jìn)而根據(jù)“安培定則”判斷出感應(yīng)電流的方向。這樣的設(shè)計(jì)為學(xué)生歸納“增反減同”提供了實(shí)驗(yàn)“腳手架”，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與原理分析設(shè)計(jì)在學(xué)生認(rèn)知的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，減少了教師“啟而不發(fā)”的煩惱。

【案例5】某興趣小組利用自由落體運(yùn)動(dòng)測定重力加速度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。傾斜的球槽中放有若干個(gè)小鐵球，閉合開關(guān)S，電磁鐵吸住第1個(gè)小球。手動(dòng)敲擊彈性金屬片M，與觸頭瞬間分開，第1個(gè)小球開始下落，M迅速恢復(fù)，電磁鐵又吸住第2個(gè)小球。當(dāng)?shù)?個(gè)小球撞擊M時(shí)，M與觸頭分開，第2個(gè)小球開始下落……這樣，就可測出多個(gè)小球下落的總時(shí)間。

（1）在實(shí)驗(yàn)中，下列做法正確的有（ ）。

A.電路中的電源只能選用交流電源

B.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將M調(diào)整到電磁鐵的正下方

C.用直尺測量電磁鐵下端到M的豎直距離作為小球下落的高度

D.手動(dòng)敲擊M的同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)

（2）實(shí)驗(yàn)測得小球下落的高度H=1.980m，10個(gè)小球下落的總時(shí)間T=6.5s.可求出重力加速度g= m/s2。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）

（3）在不增加實(shí)驗(yàn)器材的情況下，請(qǐng)?zhí)岢鰷p小實(shí)驗(yàn)誤差的2個(gè)辦法。

（4）某學(xué)生考慮到電磁鐵在每次斷電后需要時(shí)間Δt磁性才消失，因此每個(gè)小球的實(shí)際下落時(shí)間與它的測量時(shí)間相差Δt，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。為此，他分別取高度H1和H2，測量n個(gè)小球下落的總時(shí)間T1和T2。他是否可以利用這兩組數(shù)據(jù)消除Δt對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響？請(qǐng)推導(dǎo)說明。

分析說明：（1）電路中電源的作用是為電磁鐵通電，選用交流電源和直流電源都可以，故A錯(cuò)；實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將M調(diào)整到電磁鐵的正下方，以便于金屬球敲擊彈性金屬片M，故B對(duì)；用直尺測量金屬球下端到M的豎直距離作為小球下落的高度，故C錯(cuò)；手動(dòng)敲擊M的同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)，故D對(duì)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以“滴水法”測重力加速度原理為背景，在考查學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有了深刻理解。同時(shí)，對(duì)學(xué)生處理數(shù)據(jù)、分析誤差的能力提出了較高要求。如第（1）問中選項(xiàng)C要求學(xué)生了解測量幾何形狀時(shí)是不能忽略小球下落的高度的。第（3）問“多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值”是減小誤差的基本方法，或通過“增加小球下落的高度”，從而增加小球的下落時(shí)間，減小誤差等。

物理實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生獲取物理知識(shí)、認(rèn)識(shí)物理規(guī)律、形成物理概念、提高動(dòng)手能力的重要途徑，而且能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

綜合性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，較好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)獨(dú)立工作能力，使學(xué)生有更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)原理和儀器使用方法的基礎(chǔ)上，按照自己的思維去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、組合實(shí)驗(yàn)儀器，然后完成某一項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生親身經(jīng)歷了設(shè)計(jì)方案、論證實(shí)施、設(shè)計(jì)圖表、組合安裝、排除故障、整理數(shù)據(jù)、推導(dǎo)結(jié)論的全過程，從中體味到了探索真理的艱辛和成功的樂趣，領(lǐng)略到了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的獨(dú)特魅力，同時(shí)也可驗(yàn)證自己的設(shè)想是否正確，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约胺治?、解決實(shí)際問題的能力。

物理實(shí)驗(yàn)不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的態(tài)度和觀察、分析問題的能力，以便培養(yǎng)出一批適應(yīng)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的高素質(zhì)人才。

物理實(shí)驗(yàn)還能幫助學(xué)生獲得系統(tǒng)性的物理基本知識(shí)、基本方法和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、嚴(yán)格的科學(xué)方法，以及提出問題、分析問題和解決問題的能力，從而全面提高學(xué)生的整體素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]安忠，劉炳昇.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

[2]徐衛(wèi)華.見微知著別有洞天[J].物理教師，2013（10）.

[3]歐劍雄.高中物理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2013（11）.

（作者單位：南京化學(xué)工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心）

【案例3】瞬時(shí)速度概念的建立

器材：氣墊導(dǎo)軌、光電門、計(jì)時(shí)器、刻度尺

任務(wù)：測量滑塊經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)的速度

操作：如圖4（a）所示氣墊導(dǎo)軌傾斜放置，使滑塊從固定高度下滑。在O點(diǎn)[圖4（b）所示]裝上光電門S1，在O點(diǎn)沿斜面向上的方向上，每隔一定距離取一點(diǎn)A1、A2、…、A6；將第二個(gè)光電門S2按序號(hào)放在A6、A5、…、A1各點(diǎn)，用計(jì)時(shí)器逐次測量出滑塊通過A6O、A5O、…、A1O的時(shí)間，計(jì)算各次的平均速度，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。再在O點(diǎn)沿斜面向下的方向上，按一定的距離取B1、B2、…、B6，將第二個(gè)光電門S2按序號(hào)放在B6、B5、…、B1各點(diǎn)，測出滑塊通過B6O、B5O、…、B1O的時(shí)間，計(jì)算各次的平均速度，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

研究：分析O點(diǎn)上方各點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)滑塊通過A6O、A5O、…、A1O時(shí)的位移越來越小，平均速度卻越來越大，由此推出，位移趨于零時(shí)，平均速度并不為零。滑塊通過B6O、B5O、…、B1O的位移越來越小，平均速度隨之減小，但是A1O段平均速度小于B1O段速度，因此，有理由相信，它們之間存在一個(gè)中間界限量，這個(gè)量就是O點(diǎn)的瞬時(shí)速度。

分析：上述實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解了瞬時(shí)速度的概念，解釋了“當(dāng)位移趨于零時(shí)，平均速度是否為零”“平均速度是否有極限”的疑問。學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)研究是物理素養(yǎng)形成的過程，教學(xué)過程中，盡最大可能讓學(xué)生動(dòng)手，在動(dòng)手的基礎(chǔ)上，通過問題的引導(dǎo)，在解決問題的過程中，形成學(xué)生的物理素養(yǎng)。

此外，為了解決課堂實(shí)驗(yàn)不足的問題，教師可以通過建立家庭實(shí)驗(yàn)室、合作小組實(shí)驗(yàn)室等方式讓學(xué)生有足夠觸摸實(shí)驗(yàn)儀器、體驗(yàn)物理方法的機(jī)會(huì)。生活中的許多廢舊物品可以成為很好的實(shí)驗(yàn)器材，如氣球、易拉罐、玩具車輪、小電動(dòng)機(jī)、繩子、木板、金屬片、飲料瓶、泡沫海綿、吸管、皮筋等，可以開發(fā)出一系列實(shí)驗(yàn)。要讓物理實(shí)驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)新事實(shí)、探索新規(guī)律、檢驗(yàn)理論、判定理論的適用范圍、測定常數(shù)、推廣應(yīng)用、開拓新領(lǐng)域等方面對(duì)學(xué)生的物理素養(yǎng)的形成發(fā)揮作用。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究，提高創(chuàng)新意識(shí)——提升學(xué)生智慧

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是一種綜合能力，它能反映出學(xué)生對(duì)物理科學(xué)方法的掌握情況，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)。因此，在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，教師要通過示范的方式，逐步讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思想、方法與策略。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心是實(shí)驗(yàn)原理的把握，教師要用實(shí)驗(yàn)原理調(diào)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為。從設(shè)計(jì)方法角度來看，有等效法、累積法、控制變量法、轉(zhuǎn)換替代法、留跡法、放大法、縮小法、平衡法、圖像法等。這些方法有時(shí)還可以綜合起來使用，具體由實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定原理，然后根據(jù)原理設(shè)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

【案例4】楞次定律“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化”的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置：如下表所示，輕質(zhì)鋁環(huán)用細(xì)繩懸掛起來，靜止時(shí)，用條形磁鐵的N極或S極垂直于鋁環(huán)平面，沿中心軸線水平運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：條形磁鐵的N極、S極靠近或遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)將被排斥或吸引。

原理分析：根據(jù)“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”的原理可判斷出鋁環(huán)中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場的磁極方向。

實(shí)驗(yàn)記錄：如表所示。

創(chuàng)新要點(diǎn)：可以直接根據(jù)鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)的情況分析出感應(yīng)電流的磁場方向，進(jìn)而根據(jù)“安培定則”判斷出感應(yīng)電流的方向。這樣的設(shè)計(jì)為學(xué)生歸納“增反減同”提供了實(shí)驗(yàn)“腳手架”，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與原理分析設(shè)計(jì)在學(xué)生認(rèn)知的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，減少了教師“啟而不發(fā)”的煩惱。

【案例5】某興趣小組利用自由落體運(yùn)動(dòng)測定重力加速度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。傾斜的球槽中放有若干個(gè)小鐵球，閉合開關(guān)S，電磁鐵吸住第1個(gè)小球。手動(dòng)敲擊彈性金屬片M，與觸頭瞬間分開，第1個(gè)小球開始下落，M迅速恢復(fù)，電磁鐵又吸住第2個(gè)小球。當(dāng)?shù)?個(gè)小球撞擊M時(shí)，M與觸頭分開，第2個(gè)小球開始下落……這樣，就可測出多個(gè)小球下落的總時(shí)間。

（1）在實(shí)驗(yàn)中，下列做法正確的有（ ）。

A.電路中的電源只能選用交流電源

B.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將M調(diào)整到電磁鐵的正下方

C.用直尺測量電磁鐵下端到M的豎直距離作為小球下落的高度

D.手動(dòng)敲擊M的同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)

（2）實(shí)驗(yàn)測得小球下落的高度H=1.980m，10個(gè)小球下落的總時(shí)間T=6.5s.可求出重力加速度g= m/s2。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）

（3）在不增加實(shí)驗(yàn)器材的情況下，請(qǐng)?zhí)岢鰷p小實(shí)驗(yàn)誤差的2個(gè)辦法。

（4）某學(xué)生考慮到電磁鐵在每次斷電后需要時(shí)間Δt磁性才消失，因此每個(gè)小球的實(shí)際下落時(shí)間與它的測量時(shí)間相差Δt，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。為此，他分別取高度H1和H2，測量n個(gè)小球下落的總時(shí)間T1和T2。他是否可以利用這兩組數(shù)據(jù)消除Δt對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響？請(qǐng)推導(dǎo)說明。

分析說明：（1）電路中電源的作用是為電磁鐵通電，選用交流電源和直流電源都可以，故A錯(cuò)；實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將M調(diào)整到電磁鐵的正下方，以便于金屬球敲擊彈性金屬片M，故B對(duì)；用直尺測量金屬球下端到M的豎直距離作為小球下落的高度，故C錯(cuò)；手動(dòng)敲擊M的同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)，故D對(duì)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以“滴水法”測重力加速度原理為背景，在考查學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有了深刻理解。同時(shí)，對(duì)學(xué)生處理數(shù)據(jù)、分析誤差的能力提出了較高要求。如第（1）問中選項(xiàng)C要求學(xué)生了解測量幾何形狀時(shí)是不能忽略小球下落的高度的。第（3）問“多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值”是減小誤差的基本方法，或通過“增加小球下落的高度”，從而增加小球的下落時(shí)間，減小誤差等。

物理實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生獲取物理知識(shí)、認(rèn)識(shí)物理規(guī)律、形成物理概念、提高動(dòng)手能力的重要途徑，而且能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

綜合性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，較好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)獨(dú)立工作能力，使學(xué)生有更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)原理和儀器使用方法的基礎(chǔ)上，按照自己的思維去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、組合實(shí)驗(yàn)儀器，然后完成某一項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生親身經(jīng)歷了設(shè)計(jì)方案、論證實(shí)施、設(shè)計(jì)圖表、組合安裝、排除故障、整理數(shù)據(jù)、推導(dǎo)結(jié)論的全過程，從中體味到了探索真理的艱辛和成功的樂趣，領(lǐng)略到了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的獨(dú)特魅力，同時(shí)也可驗(yàn)證自己的設(shè)想是否正確，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约胺治觥⒔鉀Q實(shí)際問題的能力。

物理實(shí)驗(yàn)不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的態(tài)度和觀察、分析問題的能力，以便培養(yǎng)出一批適應(yīng)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的高素質(zhì)人才。

物理實(shí)驗(yàn)還能幫助學(xué)生獲得系統(tǒng)性的物理基本知識(shí)、基本方法和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、嚴(yán)格的科學(xué)方法，以及提出問題、分析問題和解決問題的能力，從而全面提高學(xué)生的整體素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]安忠，劉炳昇.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

[2]徐衛(wèi)華.見微知著別有洞天[J].物理教師，2013（10）.

[3]歐劍雄.高中物理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2013（11）.

（作者單位：南京化學(xué)工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心）

【案例3】瞬時(shí)速度概念的建立

器材：氣墊導(dǎo)軌、光電門、計(jì)時(shí)器、刻度尺

任務(wù)：測量滑塊經(jīng)過O點(diǎn)時(shí)的速度

操作：如圖4（a）所示氣墊導(dǎo)軌傾斜放置，使滑塊從固定高度下滑。在O點(diǎn)[圖4（b）所示]裝上光電門S1，在O點(diǎn)沿斜面向上的方向上，每隔一定距離取一點(diǎn)A1、A2、…、A6；將第二個(gè)光電門S2按序號(hào)放在A6、A5、…、A1各點(diǎn)，用計(jì)時(shí)器逐次測量出滑塊通過A6O、A5O、…、A1O的時(shí)間，計(jì)算各次的平均速度，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。再在O點(diǎn)沿斜面向下的方向上，按一定的距離取B1、B2、…、B6，將第二個(gè)光電門S2按序號(hào)放在B6、B5、…、B1各點(diǎn)，測出滑塊通過B6O、B5O、…、B1O的時(shí)間，計(jì)算各次的平均速度，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

研究：分析O點(diǎn)上方各點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)滑塊通過A6O、A5O、…、A1O時(shí)的位移越來越小，平均速度卻越來越大，由此推出，位移趨于零時(shí)，平均速度并不為零?；瑝K通過B6O、B5O、…、B1O的位移越來越小，平均速度隨之減小，但是A1O段平均速度小于B1O段速度，因此，有理由相信，它們之間存在一個(gè)中間界限量，這個(gè)量就是O點(diǎn)的瞬時(shí)速度。

分析：上述實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解了瞬時(shí)速度的概念，解釋了“當(dāng)位移趨于零時(shí)，平均速度是否為零”“平均速度是否有極限”的疑問。學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)研究是物理素養(yǎng)形成的過程，教學(xué)過程中，盡最大可能讓學(xué)生動(dòng)手，在動(dòng)手的基礎(chǔ)上，通過問題的引導(dǎo)，在解決問題的過程中，形成學(xué)生的物理素養(yǎng)。

此外，為了解決課堂實(shí)驗(yàn)不足的問題，教師可以通過建立家庭實(shí)驗(yàn)室、合作小組實(shí)驗(yàn)室等方式讓學(xué)生有足夠觸摸實(shí)驗(yàn)儀器、體驗(yàn)物理方法的機(jī)會(huì)。生活中的許多廢舊物品可以成為很好的實(shí)驗(yàn)器材，如氣球、易拉罐、玩具車輪、小電動(dòng)機(jī)、繩子、木板、金屬片、飲料瓶、泡沫海綿、吸管、皮筋等，可以開發(fā)出一系列實(shí)驗(yàn)。要讓物理實(shí)驗(yàn)在發(fā)現(xiàn)新事實(shí)、探索新規(guī)律、檢驗(yàn)理論、判定理論的適用范圍、測定常數(shù)、推廣應(yīng)用、開拓新領(lǐng)域等方面對(duì)學(xué)生的物理素養(yǎng)的形成發(fā)揮作用。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究，提高創(chuàng)新意識(shí)——提升學(xué)生智慧

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力是一種綜合能力，它能反映出學(xué)生對(duì)物理科學(xué)方法的掌握情況，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的綜合體現(xiàn)。因此，在教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中，教師要通過示范的方式，逐步讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本思想、方法與策略。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心是實(shí)驗(yàn)原理的把握，教師要用實(shí)驗(yàn)原理調(diào)控學(xué)生的實(shí)驗(yàn)行為。從設(shè)計(jì)方法角度來看，有等效法、累積法、控制變量法、轉(zhuǎn)換替代法、留跡法、放大法、縮小法、平衡法、圖像法等。這些方法有時(shí)還可以綜合起來使用，具體由實(shí)驗(yàn)?zāi)康膩泶_定原理，然后根據(jù)原理設(shè)定相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

【案例4】楞次定律“感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化”的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置：如下表所示，輕質(zhì)鋁環(huán)用細(xì)繩懸掛起來，靜止時(shí)，用條形磁鐵的N極或S極垂直于鋁環(huán)平面，沿中心軸線水平運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：條形磁鐵的N極、S極靠近或遠(yuǎn)離鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)將被排斥或吸引。

原理分析：根據(jù)“同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引”的原理可判斷出鋁環(huán)中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場的磁極方向。

實(shí)驗(yàn)記錄：如表所示。

創(chuàng)新要點(diǎn)：可以直接根據(jù)鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)的情況分析出感應(yīng)電流的磁場方向，進(jìn)而根據(jù)“安培定則”判斷出感應(yīng)電流的方向。這樣的設(shè)計(jì)為學(xué)生歸納“增反減同”提供了實(shí)驗(yàn)“腳手架”，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與原理分析設(shè)計(jì)在學(xué)生認(rèn)知的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，減少了教師“啟而不發(fā)”的煩惱。

【案例5】某興趣小組利用自由落體運(yùn)動(dòng)測定重力加速度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。傾斜的球槽中放有若干個(gè)小鐵球，閉合開關(guān)S，電磁鐵吸住第1個(gè)小球。手動(dòng)敲擊彈性金屬片M，與觸頭瞬間分開，第1個(gè)小球開始下落，M迅速恢復(fù)，電磁鐵又吸住第2個(gè)小球。當(dāng)?shù)?個(gè)小球撞擊M時(shí)，M與觸頭分開，第2個(gè)小球開始下落……這樣，就可測出多個(gè)小球下落的總時(shí)間。

（1）在實(shí)驗(yàn)中，下列做法正確的有（ ）。

A.電路中的電源只能選用交流電源

B.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將M調(diào)整到電磁鐵的正下方

C.用直尺測量電磁鐵下端到M的豎直距離作為小球下落的高度

D.手動(dòng)敲擊M的同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)

（2）實(shí)驗(yàn)測得小球下落的高度H=1.980m，10個(gè)小球下落的總時(shí)間T=6.5s.可求出重力加速度g= m/s2。（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）

（3）在不增加實(shí)驗(yàn)器材的情況下，請(qǐng)?zhí)岢鰷p小實(shí)驗(yàn)誤差的2個(gè)辦法。

（4）某學(xué)生考慮到電磁鐵在每次斷電后需要時(shí)間Δt磁性才消失，因此每個(gè)小球的實(shí)際下落時(shí)間與它的測量時(shí)間相差Δt，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差。為此，他分別取高度H1和H2，測量n個(gè)小球下落的總時(shí)間T1和T2。他是否可以利用這兩組數(shù)據(jù)消除Δt對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響？請(qǐng)推導(dǎo)說明。

分析說明：（1）電路中電源的作用是為電磁鐵通電，選用交流電源和直流電源都可以，故A錯(cuò)；實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將M調(diào)整到電磁鐵的正下方，以便于金屬球敲擊彈性金屬片M，故B對(duì)；用直尺測量金屬球下端到M的豎直距離作為小球下落的高度，故C錯(cuò)；手動(dòng)敲擊M的同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)，故D對(duì)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以“滴水法”測重力加速度原理為背景，在考查學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)技能的同時(shí)，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有了深刻理解。同時(shí)，對(duì)學(xué)生處理數(shù)據(jù)、分析誤差的能力提出了較高要求。如第（1）問中選項(xiàng)C要求學(xué)生了解測量幾何形狀時(shí)是不能忽略小球下落的高度的。第（3）問“多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取平均值”是減小誤差的基本方法，或通過“增加小球下落的高度”，從而增加小球的下落時(shí)間，減小誤差等。

物理實(shí)驗(yàn)不僅是學(xué)生獲取物理知識(shí)、認(rèn)識(shí)物理規(guī)律、形成物理概念、提高動(dòng)手能力的重要途徑，而且能有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

綜合性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，較好地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)獨(dú)立工作能力，使學(xué)生有更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)，讓學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)原理和儀器使用方法的基礎(chǔ)上，按照自己的思維去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、組合實(shí)驗(yàn)儀器，然后完成某一項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生親身經(jīng)歷了設(shè)計(jì)方案、論證實(shí)施、設(shè)計(jì)圖表、組合安裝、排除故障、整理數(shù)據(jù)、推導(dǎo)結(jié)論的全過程，從中體味到了探索真理的艱辛和成功的樂趣，領(lǐng)略到了實(shí)驗(yàn)科學(xué)的獨(dú)特魅力，同時(shí)也可驗(yàn)證自己的設(shè)想是否正確，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约胺治?、解決實(shí)際問題的能力。

物理實(shí)驗(yàn)不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，還有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的態(tài)度和觀察、分析問題的能力，以便培養(yǎng)出一批適應(yīng)現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的高素質(zhì)人才。

物理實(shí)驗(yàn)還能幫助學(xué)生獲得系統(tǒng)性的物理基本知識(shí)、基本方法和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)、嚴(yán)格的科學(xué)方法，以及提出問題、分析問題和解決問題的能力，從而全面提高學(xué)生的整體素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]安忠，劉炳昇.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

[2]徐衛(wèi)華.見微知著別有洞天[J].物理教師，2013（10）.

[3]歐劍雄.高中物理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2013（11）.

（作者單位：南京化學(xué)工業(yè)園區(qū)教師發(fā)展中心）