高中物理实验有效教学的思考和实践

林达彬

摘 要：实验是物理学科的基础，加强物理实验教学是提升物理教学质量、提升学生学科能力素养的重要一环，但平时教学发现，高中物理实验教学现状却不容乐观，存在不少低效甚至无效的实验教学现象，本文从“演示实验的改进、探究实验的落实、实验试题的开发”等几个方面阐述提升高中物理实验有效教学的途径，希望从这几个方面入手进行摸索，不断提升物理实验教学的有效性，从而在物理实验教学中真正培养学生的思维和能力。

关键词：高中物理；实验；有效教学；思考和探索

中学物理课程目标明确指出：“中学物理教学要注意培养学生的实验操作技能、思维能力以及运用科学原理和科学研究方法解决物理问题的能力。”在物理教学中让学生“动手动脑相结合，探究感悟相结合”，使学生能够主动地获取物理知识和发展能力，促进学生科学品质和世界观的形成[1]。中学物理教学以观察、实验为基础早已成为物理教育领域的共识，但是在应试教育影响下，黑板上讲实验、习题中做实验的现象普遍存在，中学物理实验教学现状堪忧，这对物理教育产生了极大的负面影响，许多实验教学方式是低效的，甚至无效。长此以往，不仅学生不会做实验，许多物理教师也逐渐丧失设计实验、开展实验教学的能力。如何才能扭转目前物理实验教学的低效局面，提高高中物理实验教学的有效性呢？经过不断的探索发现，可以从演示实验的改进、学生实验的挖掘、实验习题的开发等几个方面联合入手，同步推进，以真正发挥实验教学应有的功能，提出如下优化高中物理实验教学的几点思考和实践。

1 演示实验的改进

1.1 对教材上演示实验的加工和处理

实验是物理课的灵魂，实验演示能为学生的物理学习创设良好的心境，通过演示实验能培养学生的科学态度和作风，有利于学生学科素养的形成，能具體形象地展示物理知识的形成和发展过程。

案例一、《自由落体运动》这一课是学生已经学会了匀变速直线运动的基本规律和研究方法后的一节实例课，对《自由落体运动》这节的实验设计时，一般有以下几种做法：

一是利用打点计时器、纸带以及重物进行学生分组实验研究，首先判定该运动是匀加速直线运动，再根据Δh =gT2算出自由落体加速度。二是利用频闪照片引导学生通过数据计算分析得出自由落体运动的规律。三是利用传感器记录物体的速度，绘制速度图像，分析图像自由落体运动的规律。

这些让学生进行分组探究的活动一般要花掉很多时间。教材中有一幅伽利略“冲淡重力”实验的插图，我们若由物理学史出发，再现 “经典实验”，让学生除了掌握自由落体运动的规律外，还能体会伽利略研究自由落体运动的思路和方法[2]。

为了模拟伽利略的实验，我们利用斜面轨道、节拍器、小铁球做模拟“冲淡重力”实验，粗略发现了s∝t2的重要规律。这个课本演示实验的简单再现把课本中一个插图如图1的静态信息激活了，学生的学习始终处于积极思考的过程中，认知水平得到深化，增强学生学习的热情。可见，通过对教材上的演示实验进行适当的加工和处理，简单的演示也可以得到很好的教学效果。

1.2 巧设随堂演示实验

高中学生思维敏捷，对一切新生事物充满好奇，探秘欲望强烈。教学过程中教师应充分利用这个积极的心理因素，创造条件，有机结合教材内容，巧妙安排现象显著、趣味性强的演示实验，学生兴意盎然，轻松愉快，课堂效率立竿见影。

例1：在《光的全反射》一课教学中，可以设计如下演示实验：如图2，在桌子上放着一枚硬币，取一个盛满水的玻璃杯，把玻璃杯压在硬币上，这时请学生从杯子的侧面看去，发现硬币不见了。谁也没有把它拿走，但是从杯口向下望的时侯，硬币还好好的放在那里。然后趁学生不注意的时候，给玻璃杯底沾上一些水。再请学生来观察，这时一定会惊奇地发现，透过玻璃杯的侧壁，总能看到一个闪亮的硬币。假如你不说出这个秘密，恐怕谁也没有办法再让硬币消失！简单神奇的实验一下子激起了学生学习光的全反射的热情。

例2：再如《楞次定律》一课：如图3，各取一根长1m左右的空心铝管和塑料管，各拿一块强磁铁，分别从两管的上端释放，比较这两块磁铁在管中的下落时间。实验发现通过空心铝管的磁铁“非常缓慢”地穿过，而通过塑料管的磁铁则瞬间通过，学生感到非常惊讶！设疑激趣的实验效果非常震撼！

2 挖掘学生实验中的探究功能

案例：在《楞次定律》一课教学中，课堂演示实验和学生探究实验是必不可少的。首先要让学生感到感应电流的方向存在某种规律。可以提出下列问题：（1）感应电流的方向可能与哪些因素有关；（2）实验要记录哪些数据？怎样设计记录数据的表格？学生实验后，积累了一些有用的素材后再提问：①能否用自己的语言总结一下实验的现象或规律？（学生总感觉总结规律很难）；②如果将感应电流的磁场方向标出来，你能否用自己的语言总结实验结果[3]？

学生在探究过程中始终面临未知的问题，在教师适当的问题情境设置下，就能在发现的道路中自由行走，这种学习过程充满趣味。

3 改验证性实验为探究性实验

案例：验证动量守恒定律。传统做法是对动量守恒定律进行实验验证，本实验可以大胆地改为探究性实验。

（1）问题提出：在各种形式碰撞现象中，有没有隐含着什么样的共同规律呢？

问题引导：力对物体作用后，会引起哪些物理量发生变化？速度v、动能■mv2、动量mv……

（2）引导：物体之间相互作用后，相互之间有没有可能在“传递”或者“交换”某种东西，而使系统存在某一个不变量呢？如果有的话，这种东西是什么呢？是速度？是动能？是动量？……

（3）猜想：（1）相互碰撞前后，每个物体的速度都发生变化，但有可能总的速度不变，即v1+v2=v1′+v2′；（2）相互碰撞前后，每个物体的动能都发生变化，但有可能总的动能不变，即■m1v12+■m2v22=■m1v1′2+■m2v2′2；（3）相互碰撞前后，每个物体的动量都发生变化，但有可能总的动量不变，即m1v1+m2v2= m1v1′+m2v2′……

（4）实验方案探讨：设计探究上述猜想正确与否的实验方案，实验中最困难的是对碰撞前后速度的测量。怎样解决速度测量的问题？（从学过的知识入手进行思考），可对速度进行间接测量，可行的方法有：打点计时器；摆球在竖直面运动时机械能守恒：测高度h，求速度v；平抛运动：测下落高度h，水平位移s，求速度v；利用气垫导轨，对做匀速运动的物体，测位移s和时间t，可求得速度v……（课堂上提供气垫导轨让学生进行实验研究）。分四小组进行研究，各自研究不同的碰撞类型，以寻找共同隐含的规律。小组一：完成非完全弹性碰撞的研究；小组二：完成爆炸分离的研究；小组三：完成完全弹性碰撞的研究；小组四：完成完全非弹性碰撞的研究。

（5）结果：（1）有的小组关于碰撞前后两物体的速度之和不变的猜想不成立；（2）有的小组关于碰撞前后两物体的动能之和不变的猜想成立；（3）有的小组关于碰撞前后两物体的动能之和不变的猜想不成立；（4）各小组关于碰撞前后两物体的动量之和不变的猜想均成立。

通过探究性实验教学能让学生亲自经历科学探究的过程，让学生主动参与整个学习过程，包括解决问题、决策、小组讨论、评价等过程，将已有的知识应用到未知的领域，对学生学习力的影响将是终生的。

4 加强实验习题的开发和拓展

高考物理的能力要求之一是实验能力。在平时实验教学中，要重视对实验习题的开发和拓展，通过创新实验试题有效提升学生实验能力。

例1 多用电表欧姆档的改造——改为电子温度计，设计如下：

某同学利用满偏电流为500μA的电流表、热敏电阻等制作电子温度计。

（1）制作的实验过程中需要测出该电流表 的内阻Rg，所用的电路如图4，主要步骤是：①接通开关S1，调节变阻器R1，使 指针偏转到满刻度；②保持R1不变，再接通开关S2，调节电阻箱R2，使 指针偏转到满刻度的一半，读出此时R2的阻值为299.0 Ω，可认为Rg=R2。实验时，图4电路中的变阻器R1和电源有下列器材可供选择：

A.变阻器（0～200 Ω）

B.变阻器（0～20 k Ω）

C.电源（1.5 V，内阻不计）

D.电源（9 V，内阻不计）

为了使测量Rg尽量精确，R1应选 ，电源应选 。（填選项前的字母）

（2）温度在0～300范围内，某热敏电阻的阻值Rt随温度t（℃）的变化情况为Rt=200+50t（Ω），把这个热敏电阻、标准定值电阻、电池、开关与电流表 串联起来，电路如图5，电流表 的表盘如图6。用该热敏电阻作探头，将 表盘上的电流刻度值改成对应的温度值，就制作成简单的电子温度计。已知电池的电动势E=1.5V，内阻r=1.0 Ω，标准定值电阻的阻值R0=2500 Ω，根据（1）中测得的Rg值和闭合电路欧姆定律，得出电流表 表盘上500μA刻度处对应的温度刻度值是0℃，300μA刻度处对应的温度刻度值是 ℃。

（3）由于用图4电路测定电流表 的内阻Rg在原理上存在一定的系统误差，因而制作的电子温度计在测量温度时，测量值比真实值 （填“偏大”或“偏小”）。

[答案：（1）B、D （2）40 （3）偏大]

设计说明：本题以某同学利用电流表、热敏电阻等制作电子温度计为试题情境，要求考生能理解有关实验原理和方法，能控制实验条件，能运用已学过的相关物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题，对实验结论能进行分析和评价，本题主要考查考试大纲中要求的实验能力中的较高部分。

第（1）题要求考生正确选择电源和变阻器，主要考查对测量电流表内阻的实验原理和方法的理解，正确控制实验条件。第（2）题要求考生根据某热敏电阻的阻值随温度变化的特性，将这个热敏电阻与电流表、电池、开关串联起来，用该热敏电阻作探头，将电流表表盘的电流刻度改成对应的温度，制作简单的电子温度计。考查运用已学过的闭合电路欧姆定律，多用电表（欧姆表）的原理和实验方法，处理新的问题的能力。第（3）题要求考生根据测定电流表内阻的系统误差，分析制作的电子温度计在测量温度时的误差。

实验能力在高考物理中一直占有相当重要的地位。《考试大纲》把实验能力作为一项考核能力，实验题在高考物理中所占比例约为13%，表明了对实验能力考查的重视。该实验题的命题在两个方面做了探索，一是打破教材的限制，利用考试大纲和课程标准中所列实验的原理、方法和器材重新组合新的实验；二是把实验的考查重点放在学生对考试大纲规定的实验器材、测量的原理方法、数据分析和结论获取的方法的理解上，鉴别考生独立地解决新问题的能力、“迁移”能力。

例2 电桥平衡测电阻的改造——用非电桥平衡测电阻。设计如下：

某实验小组利用如下器材粗测电压表的内阻RV：

一个待测电压表V，两个已知阻值的固定电阻R1、R2，一个电阻箱R，电源E（内阻很小）、一个灵敏电流计G、开关S、导线若干。

（1）该小组设计的实验如图7，实验方法如下：

连接好电路，闭合开关S，调节电阻箱的电阻，直到灵敏电流计G的读数为零，记下此时电阻箱的读数为R0，则待测电压表的内阻RV=______。

（2）该小组进一步研究若不提供灵敏电流计G，如何测量RV。改进的实验方法如下：取固定电阻R1=400Ω，R2=550Ω，电源电动势E=1.5V。实验电路改为如图8，实验步骤如下：

步骤一、断开开关S，调节电阻箱电阻R从100-900Ω变化，记录下电压表对应的读数U1，如表1所示；步骤二、闭合开关S，调节电阻箱电阻R从100-900Ω变化，记录下电压表对应的读数U2，如表1所示；步骤三、在坐标纸上并分别做出S断开和闭合时的U～R图像。

根据以上步骤，完成下列问题：

①如图9，S断开时的U～R图像a已画好，请根据表格数据在图10上画出S闭合时的U～R图像b；

②根据a、b两条图线可知，开关S闭合时，当R约为________Ω，开关S无电流通过；

③ 测得的RV约为________Ω。（保留三位有效数字）

[答案：（1）■ （2）①如图10 ②210～240 ③288～330]

对实验试题的开发和拓展提升学生的解题能力。适当的习题训练是帮助学生理解巩固物理知识的重要手段之一。学生碰到有创新性的问题往往无从下手。其主要原因是平时教学缺少对传统问题的深入思考，疏于拓展，缺少联想，不会灵活运用已有知识。通过探究性实验试题的设计、分析，能帮助学生建立起清晰的实验设计思路，有利于克服片面性，提升解题能力。

5 实验探究活动的课外延伸

案例：在学完《自由落体运动》一节后，学生理解了在无阻力情况下物体下落的规律。但实际物体下落过程中是会受到一定的阻力的，那么如何利用这一“阻力”呢？我给一个课题让学生思考：如何让鸡蛋从高空下落到地面又完好无损呢？并组织进行了一次高空落蛋比赛。学生的设计除了给鸡蛋做种种的保护措施外，还从如何增大下落过程中的阻力做文章，设计五花八门，创意无限，通过活动把课堂的学习延伸到课外，大大提高了学生学习物理的热情。

物理实验是物理教学的根基，加强学生实验意识教育，加强学生实验技能的培养，引导学生踏踏实实完成好每一个实验，不断改进物理实验教学的方式方法，追求实验教学效果的最优化，提升物理实验教学的有效性，这样既能开发学生的创新思维，又能培养学生的科学素养。

参考文献：

[1]阎金铎，郭玉美.中学物理教学概论[M].北京：高等教育出版社，2009：17.

[2]吴红娜.再现经典 重温落体运动规律的历史探索[J].中学理科园地，2015（4）：24-25.

[3]林一敏.关于科学探究中问题情境创设的研究[J].物理教学探讨，2014（2）：25-26.