物理课堂实验的改进和思考——以“测量光照的强度”为例

(江苏省常州市武进区礼嘉中学,江苏 常州 213176)

物理是一门以实验为基础，强调动手能力、思维能力的学科，为了物理课堂教学中落实核心素养培养的目标，需要在实践中不断摸索。教师在课堂教学中应合理巧妙地借助课堂实验，从有趣、直观的现象出发，不仅可以激发学生自主学习的兴趣，培养学生科学思维和探究的能力，还能创设高效的课堂教学。

课堂实验是教师结合教学内容演示给学生观察的实验，是物理课堂教学的重要手段，在课堂教学中具有非常重要的作用。课堂实验演示既能够引导学生在获得直观、感性认识的基础上，更深刻地理解和掌握物理概念、规律，又能提升学生的观察和分析能力，为学生正确的实验操作起到示范作用。然而在实际教学中会出现许多不可忽视的因素，比如某些客观原因：实验室实验器材陈旧，导致实验效果不明显；由于实验环境影响导致实验失败。又如某些主观原因：由于教学进度紧张，导致教师忽视演示实验，由做实验变成了讲实验；对课堂实验理解不到位，导致探究实验变成观看实验，为了实验而实验。

在课堂实验演示之前，教师应当深入研究，要明确该实验的教学目的，理清实验思路，根据学生的认知特点，循序渐进，设计实验步骤，让学生在实验的过程中，体验实验的奥妙，而不是机械地罗列知识，停留在实验现象的表面。

本文以“测量光照的强度”实验为例，突显优化物理实验教学设计的重要性，以此来诠释良好的课堂教学与课堂实验设计在培养学生物理学科核心素养的重要意义。

1 课堂实验需要有效改进

对于高中物理教材中实验条件要求较高的实验，教师不能一味地只是利用课件模拟演示，倘若教师没有认真设计实验细节，就不能充分利用实验来增加学习的思维含量，那就会使通过实验培养学生的观察、思考能力的效果大打折扣。其实教师可以在原课本实验的基础上进行合理的改进，曲径通幽，远比观看课件模拟演示更能促使学生在实验过程中深度思考，增强学生探究的欲望，达到更好的教学效果。

人教版选修3-2第六章第2节“传感器的应用”中的“测量光照的强度”实验设计如图1所示。

图1

该实验教学的目标为：

(1) 使学生知道传感器应用的一般模式和光敏电阻的工作特性。

(2) 培养学生实验观察能力和实验分析能力，并让学生学会简单的传感器电路设计。

(3) 激发学生的物理学习兴趣，培养学生的实验探究意识，使学生感受传感技术给生活带来的便利，拓展学生的设计思路。

笔者通过对本课实验的研究，发现在实际的实验操作过程中，该实验设计有以下几点不足之处。

(1) 对电路器材的要求较高

原课本实验设计中因为考虑到光敏电阻的阻值较大，选择了毫安表来测量电路中的电流，然而笔者在实际操作中发现在正常晴天室内的光照下测得光敏电阻阻值约为60kΩ，设电路中电源电压为3V，回路电流I约为0.05mA，如果按课本所示用毫安表测量的话，表针几乎不偏转，这就需要实验室提供微安表。

(2) 忽视了电路元件的安全性

经笔者测量，在阳光直射下，光敏电阻阻值为800Ω，在用手指遮住光敏电阻，测得电阻值大约为4.5MΩ，可见光敏电阻阻值的变化范围较大，如果在暗室中，电阻更大。那么在电压一定的前提下，由于电阻的变化较大，当强光照射时，电阻较低，回路电流较大，就会出现超出毫安表量程的现象，损坏仪表器材。

针对以上两点，笔者对课本的实验设计进行了改进，如图2所示，在原有的实验电路中，加入一个全电阻为50kΩ的滑动变阻器，这样的设计有以下两个优点。

图2

(1) 加入滑动变阻器，可以有效地避免光敏电阻在强光照射下电阻过小，导致电路中电流过大，超出电流表最大量程，从而起到保护电路的作用。

(2) 加入滑动变阻器后，不仅能够达成书本上原实验目标，还能够通过该实验设计，引导学生探究控制光敏电阻对光的灵敏度的新课题，让学生在学习光敏电阻特性的同时能够解决实际问题，真正做到学有所用。

2 课堂实验要合理设计

在课堂教学中，有些教师由于对实验设计认识不足，导致实验效果不理想。例如实验设计中只注重实验的现象，急于得出实验结果，实验过程仓促，草草了事；实验过程中不注重实验数据以及误差的原因分析，导致学生对实验认知不够，对实验原理理解模糊；实验中忽视学生的认知特点，实验逻辑不严密，使得一些学生似懂非懂，思维跳跃较大等。为了在教学中促进学生真正有效学习，提高学生的物理核心素养，教师应该合理设计实验，以高效问题驱动，引领学生深入探究，突破教学难点，促成学生掌握物理问题解决的方法，引领学生拓展思维空间，培养学生物理思维能力。在“测量光照的强度”的实验中，笔者设计了如下两个实验。

实验一 探究光敏电阻受到光照后，对电路中电流的影响

复习光敏电阻的工作特性：光照越强，电阻越小。

实验步骤：

(1) 闭合开关，移动滑动变阻器，调整到适当的位置，让学生观察电流表指针示数，现象为指针有一定的偏转角度。

(2) 打开光源，照射电路中的光敏电阻，观察电流表指针示数，现象为指针的偏转角度变大。

教师提问：通过两个步骤的实验现象的对比，你能得到什么结论？

学生总结：光敏电阻受到的光照越强，电阻越小，串联电路中的电流越大。

(3) 将不同的光源，在相同的位置照射光敏电阻，观察电流表的偏转情况，现象为相比LED手电，在紫外灯照射下，电流表偏转角度较小，说明紫外灯的光强度比较弱。

教师提问：你能用自己的语言来归纳该电路的工作原理吗？

学生总结：可以运用该电路中的光敏电阻随光照强弱的变化而改变电阻值，由欧姆定律，可得电路中电流发生改变，即采用由光信号转变为电流信号的传感器应用模式，可以用电流表的偏转角度来检测光照强度。

实验二 如何控制光敏电阻对光的敏感度？

实验步骤：

(1) 将接入电路的滑动变阻器电阻调到最左边，即接入电阻为最小值，打开光源，距离光敏电阻适当位置(使指针偏转大角度即可)，然后用手在光源与光敏电阻之间来回晃动，观察电流表偏转情况，可观察到电流表指针大角度来回偏转，说明光敏电阻对光照比较灵敏。

(2) 将接入电路的滑动变阻器电阻调到较大值，光源位置不变，光强不变，用手在光源与光敏电阻之间来回晃动，观察电流表的偏转情况，可观察到电流表指针小角度的来回偏转，说明光敏电阻对光照的灵敏度比步骤1有所下降。

学生总结：光敏电阻对光照的敏感度可以通过电路中滑动变阻器的接入阻值大小来调节，接入阻值越大，对光照的敏感度越小，反之越大。

3 课堂实验要科学创新

在物理教学中，要多做、巧做、多问、多发散、多评析，当学生对实验充满兴趣和热情时，其潜力是无限的，要在课堂教学中，培养学生的观察能力、质疑能力，让学生经历科学探究的过程，学习科学探究的方法，培养学生的探索精神、实践能力以及创新意识，提升其核心素养。

为了更好地让学生直观体验到光敏电阻的特性，笔者对“测量光照的强度”实验原型进行了创新，实验电路如图3所示。

图3

(1) 用LED灯替代电路中的电流表

本章“传感器”的教学只要求定性研究，不需做定量的计算，所以将LED灯替换课本实验中的电流表，这样就可以用LED灯的亮度来直观地体现回路中电流的强弱，让学生更加容易感知。同时也能够避免由于光敏电阻的阻值变化较大，会导致电流超出电流表量程，损坏电路器材。

(2) 用三极管放大回路电流

光敏电阻阻值约为60kΩ，回路电流I约为0.05mA，而LED灯的点亮电流大约是3-20mA，所以如果把LED灯直接串联在回路中，是不会发光的，因此，这里可运用三极管，将通过光敏电阻的电流放大，使LED灯发亮，从而保证在正常室内光线下能够观察到明显的实验现象。

(3) 利用模拟实验说明曝光表工作原理

摄影时使用的曝光表，是一种用来测量光强度的仪器。在摄影中被用来确定适当的曝光时间，从而得到高质量的图片。曝光表工作原理是硅光电池受到光照时，会产生一定的电动势，光照强度越强，产生的电动势就越大，曝光表上显示的数值越大。由于硅光电池的工作原理比较复杂，可以在实验中模拟曝光表工作原理，可在实验中利用数字万用表直接测量二极管回路中的电流，入射光越强，数字万用表上的示数就越大，从而直观地反映出光的强弱。

4 结语

伽利略曾说过：“科学的真理不应该在古代圣人的蒙着灰尘的书上去寻找，而应该在实验中和以实验为基础的理论中去找”。物理教师应该充分利用实验这个武器，在科学思维方法的引领下，带领学生在探究过程中不断前行，提升学生的核心素养。