物理课堂中对实验失误的利用与应对

邵 正 马蜀生

(1. 永康中学,浙江 永康 321300； 2. 淮南一中，安徽 淮南 232000)

物理课堂中对实验失误的利用与应对

邵 正1马蜀生2

(1. 永康中学,浙江 永康 321300； 2. 淮南一中，安徽 淮南 232000)

本文对课堂实验失误进行了分类,分别介绍了对不同的实验失误如何利用与应对的教学策略．

实验失误； 利用； 应对

在物理课堂上,实验失误了,打乱了教学计划,降低了课堂效率,有时还带来尴尬,教师们恐避之而不及,然而“常在河边走,哪有不湿鞋”,既然总有失败的时候,就要去分析和面对．教学实验和科学实验本质上是一致的,科学家有时却十分期待实验结果与预期有差别,丁肇中就说过“做实验物理要对意外的现象有充分的准备”,其实就如很多科学发现在实验“失误”中产生一样,课堂实验的“失误“也常常能为我们带来意想不到的教学效果,教师们大可不必谈之色变,反而应该深入研究加以利用．

课堂教学中的实验失误,可以是教师有意失误也可能是无意失误,这两类都可能使实验成功或失败,教学时我们就这几类失误可以用不同的策略加以运用和应对．

1 有意失误造成实验失败

学习液体压强时很多教材和练习都会应用图1的实验,一般这么认为，a口深度最大,水压越大射出的水柱最远,c口最浅,水压最小,射出的水柱最近，现象和原理好像都很清楚明了．但某教师做这个实验时却出现了如图2的现象,出水口a的射程sa小于出水口b的射程sb,这样一个教师精心设计的“失败”的实验,极大地引起了学生的兴趣,引导学生继续深究与水柱射程相关的其他因素．其实水柱的运动可看成是一个平抛运动,假设水柱a的射程为sa,a的离地距离是L2,a离水面的距离是L1,出水速度是v,出水到落地时间为t,则有

整理上述几式得a的射程为

水面与地面的距离是L2+L1,而任一瞬间L2+L1是个定值,所以当L2=L1时射程最远.设k为水面与地面的中点,a离k的距离为ha,b离k的距离为hb，则有

ha>hb时，sa

hasb;

ha=hb时,sa=sb.

因此，出水口离k越近则射程越远,反之则越近．而不是通常认为的出水口越深，水压越大,射程越远．

图3

为什么平时做这个实验时总是出现如图1的实验结果呢?因为实验时教师往往手拿着一个容器(离地面较远)来演示,如图3,hb往往远大于ha,则sb

这样一个“失败”的实验,既引导了学生对平抛运动的深入研究,又能体会生活中的物理,更难能可贵的是,让学生对敢于质疑、敢于探究的科学本质有深刻的感悟,培养学生实事求是的科学精神．

2 有意失误使实验成功

图4 覆杯实验

3 无意失误造成实验失败

有意失误是教师设计好的,是受控的,相比之下无意失误完全出乎教师意料,往往事发突然,常让教师措手不及．例如一次公开课课堂上有位教师要演示如图5所示的实验,大试管装满水,将小试管插入,两试管都倒置,开口向下,放开小试管，小试管能自动上升.这是一个很有趣的实验,也许这位教师之前已经成功过很多次,看上去很有信心,但当时教师将试管倒置之前先造了一下势:先将大试管装满水,然后将小试管静置其上,由其自由下沉,而后静止,引导学生说: “看小试管由于重力向下运动,那现在我将它们倒过来,开口向下,小试管将会如何呢?”学生们都说小试管会掉下来,教师看学生已被“引入歧途”就将试管倒了过来,却发现小试管不上也不下,就这样静止了,当时课堂也仿佛这枚小试管一样,听课教师、学生和上课的教师都瞬间懵了,上课的教师灵机一动,说“一次实验没有符合预期,也许是实验的偶然性,为了排除偶然性我们应该重复实验” 可当时教师重做了两次,小试管都“必然”静止,教师彻底无解只能含含糊糊地糊弄过去了．其实遇到这样的场面教师首先要冷静,小试管静止一定有静止的道理的,教学中既然安排了这个实验,小试管的受力情况教师应该是胸有成足的,现在无非是合力向上变为合力为零而已,大可以籍此失误趁着学生被激发的好奇心,将试管的受力情况好好地分析分析,可能有人会担心,刚刚已经失误了,要是分析到中途又解不出,岂不是更难堪?这样想的教师还是把教师当作教学的中心,其实学生是很喜欢这样的意外的,他们很好奇.科学家也很喜欢这样的意外,科学家之所以是科学家就是他们一直都保持着对自然的好奇心,而作为一个教授科学的物理教师,我们不但要教学生物理知识,还要教科学研究的方法,更要让学生体会科学精神,遇到问题不去研究不去质疑,用一句实验的偶然性去搪塞,或用几句幽默的语言来掩饰,貌似有教学艺术,其实却与科学精神背道而驰，杨振宁曾说自己的导师很忙,有时没有备课就在黑板上和学生一起解方程,常写了整块黑板,却发现解错了,每一次错误,学生们都不觉得少学了什么,反而跟着大师的思路体验了顶级科学家最原生态的思维方法,能和导师合作解决问题,即使没有成功,也总有不少收获．虽然我们的情况有所不同,但科学实验出现意外,并且一时解决不了,是很正常的,没什么不好意思的,相反逃避和掩饰问题才是应该批评的．轻浮的小聪明,比不了守拙的大智慧,而且如果教师当时真的带着学生分析,不难发现:其实小试管既有可能向上运动,也可能向下运动,还可能静止不动．

图5 大小试管实验

将大小试管倒立,小试管的运动情况是由它受到的合力决定的,设此时小试管底离大试管口的距离设为ha′, 小试管质量为m,以小试管为研究对象,则小试管受到向上的力只有一个,就是大气压力，为

F向上=p0S.

大试管口的气压为p0,所以小试管底的水压为p0-ρgha′,则

F向下=(p0-ρgha′)S+mg，

F向上-F向下=p0S-(p0-ρgha′)S-mg=ρgha′S-mg.

开始时小试管正立在水中自然下沉而后静止时,受力平衡,试管内外的大气压(设为p0)可以抵消,设小试管的横截面积为S,水密度为ρ,水面离试管底的距离为ha,则有

mg=ρgSha，

F向上-F向下=ρgha′S-mg=ρgSha′-ρgSha=ρgS(ha′-ha).

当ha′>ha时,合力向上,小试管向上运动．当ha′=ha时,合力为0,小试管静止．当ha′

上课时教师先让小试管自然下沉,再将试管倒转,自然是ha′=ha,合力为0,小试管静止．此时若要让试管向上运动,只要往上轻压一下小试管即可．

4 从无意失误到实验成功

无意的失误,既失控又失败,肯定令人懊恼,但如果我们引领学生从失败走向成功,反而使教学效果能事半功倍．而且有所失,必有所得,先失误再纠正往往能比一次就做成功有更大的收获．

例如学生第一次做小孔成像的实验时,因为对孔的大小心里没谱,总有学生因此失败,让学生开个小点的孔重做,还不如好好利用这个失误,问学生孔开太大了,如果不能重做,应该怎么处理呢?学生会想到用纸板来遮,在遮孔的时候就会出现各种教学中教师本来就求之不得的情况和现象:例如遮多些遮少些,像的大小一样吗?亮度一样吗?遮了孔的一侧,像一部分会消失吗?用纸条遮在中间产生两个小孔,又会出现什么现象?遮蔽小孔的不同部分使小孔的形状发生改变,像的形状会变吗?亮度改变吗?等等．这些问题其实都是学生在小孔成像问题的学习中会遇到的困难,如果能借这个实验中无意的失误,好好利用,“变废为宝”,就解决了教学中一个个难点．

物理课堂教学确实要精心准备，减少实验失误,提高课堂效率．但真要出现了失误,也是科学研究和科学教学中难免会发生的．既来之,则安之．历史上很多失误成就了科学研究,课堂中善加利用,实验失误也可以成就我们的课堂教学,有时甚至可以故意制造“失误”,来为教学服务．

1 王绍符,刘升，张喜荣.覆杯子实验的科学解释[J].物理通报, 2003(5):26-28.

2017-06-03)