学会反思在普通物理实验教学中的体现

2020-12-11王美玉袁乃荣白彦魁

实验室研究与探索 2020年11期

王美玉，袁乃荣，白彦魁

（河北师范大学a.物理学院；b.物理国家级实验教学示范中心，石家庄 050024）

0 引言

普通物理实验是为物理学专业本科生开设的基础性物理实验课程，分为普通物理实验一和二，实验内容包括力学、热学、电磁学和光学等部分。其中普通物理实验一侧重于基础性和验证性实验，普通物理实验二侧重于综合性和设计性实验。通过该课程的学习，使学生能够掌握基本的物理实验方法，提高学生的科学素养，训练学生基本实验技能、科学思维和分析能力。

最近，师范类专业认证工作在我校展开，物理学是二级师范认证专业。学会反思作为师范类专业认证一级指标“毕业要求”下的二级指标“学会发展”中的一项，要求具有终身学习与职业发展意识，能适应教育和时代发展需求，根据自身情况制定学习计划和职业发展规划；了解物理学科基础教育改革动态及发展趋势；具有一定的反思能力和实践体验，能运用批判性思维方法，能发现、分析及解决教育教学问题。具体分为3个方面：①树立终身学习理念。了解物理学教师专业发展的核心内容、发展阶段与路径方法，能根据自身情况制定学习计划和发展规划，形成专业发展意识，树立终身学习理念。②了解教育教学趋势。了解国内外基础教育课程改革动态和物理学科教育的发展趋势。③积极反思实践体验。初步掌握反思的方法和技能，通过收集信息进行自我诊断，并进行自我改进。能运用批判性思维方法，发现、分析及解决教育教学问题，具有积极的反思实践体验。这其实对于教师教学，同样具有意义。下面以“利用力敏传感器测量液体表面张力系数实验”为例来谈谈学会反思在实验教学中的具体体现。

进行液体表面张力系数测定时，实验室使用上海复旦天欣科教仪器有限公司生产的FD-NST-I 型液体表面系数测定仪，采用基于力敏传感器的拉脱法。该仪器传感器灵敏度高，稳定性好；测量误差小，重复性好；有利于学生学习和掌握力敏传感器的原理和方法，更有利于学生观察整个拉脱过程及其现象。

1 实验原理

将一干净干燥的金属吊环挂在传感器上，保持吊环水平，旋转升降台大螺帽，缓缓上升液面，当吊环下沿部分完全浸入液面以下时，反方向转动该螺帽，缓缓下降液面。当吊环底部与液面平齐或略高时，由于液体表面张力的作用，吊环的内、外壁会带起一部分液体，吊环和液面间会形成一环形液膜。吊环临界脱离液体时，液体表面张力为

式中：α为液体表面张力系数；D1、D2分别为吊环的内径和外径。

由于力敏传感器的输出电压一定范围内与外力成正比，即U ＝BF，B为传感器灵敏度。实验前先进行力敏传感器定标，求得传感器灵敏度B，再测出吊环在即将拉脱液面时（F ＝mg ＋f）电压表读数U1，记录拉脱后（F ＝mg）数字电压表的读数U2，代入式（1）得：可见，该实验的核心部分是要准确测得U1和U2。

2 实验要求

该实验设置为3 学时，教师讲解控制在30 min 以内，要求学生在规定课时内完成两部分内容：仪器的定标；观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和现象，并进行U1、U2的测量［1］。

讲授该实验时，特别指出在拉脱法测液体表面张力时，吊环应该保持水平，吊环的水平程度将会影响实验结果的精确度。吊环偏差1°，测量结果引入的误差为0.5%；偏差2°，引入的误差为1.6%［2-3］。实验时，将洁净吊环下沿部分浸入液面以下，缓慢降低液面，当吊环下沿部分和液面相平时，继续下降液面，注意观察从液体中拉出液膜到液膜破裂的过程中，电压表示数的变化情况。

3 学生对液体表面张力系数测定实验的学习反思

学生一般能在正常课时之内完成实验数据的测量，要求学生在课下除了完成实验报告书写外，还增加了课程反思，反思部分以书面形式完成，结合所做实验内容，可以从以下几方面来考虑：

①实验前个人预习情况；②实验课上的听讲情况；③个人实际操作过程中，使用仪器、记录数据、有没有和同学合作等情况，实验中出现哪些困惑和问题需要解决；④实验课后，整理实验报告情况，对该实验的感受和建议等。

认真翻阅学生的书面反思，对于课前预习，几乎所有同学都能做到对教材中相关部分进行口头预习，一部分同学还会进行预习报告的书写。相应地，提前做好预习工作的同学在课上能听明白老师的理论讲解，跟上老师的思路，解决自己在预习中存有的疑问。这些是上好实验课的一个重要前提。

在实验操作过程中，学生大部分能按照实验要求，正确使用实验仪器，在规定时间内完成规定的实验内容，记录数据做到规范和实事求是，由于液膜拉断前后瞬间的电压值很难捕捉，所以采取2 人合作形式，1 人操作，1 人负责观察电压表变化和读数，甚至利用手机中的录像功能当场录制，课后可以根据需要播放观看，可见学生遇到问题还是会积极主动想办法，这很值得提倡。当然，学生在反思中也提到实验过程中的一些困惑：

（1）传感器定标后将吊环挂在传感器挂钩上，很多实验仪器的电压表显示负值，这应该是吊环的质量比砝码盘小的原因。那么实验数据在小于0 的范围内输出电压是否与所加外力成正比？是否有必要使用质量大于砝码盘的吊环？这个不得而知。

（2）教材中强调了吊环要严格水平，说明书中也特别注明吊环的水平程度将会影响实验结果的精确度。但是实验时里吊环的水平调节装置是通过调节3根金属丝来实现，实验时仅仅依靠目测检查吊环是否水平，但目测来判断是有偏差的，这就很难达到实验的要求。该实验结果误差很大应该与此有很大关系。查阅相关文献资料，发现有不少人提出过吊环的改进方案［4-9］，这在一定程度上能提高实验精度，但是增加了复杂性，难于实现。能不能找到一种操作简单可行的检测和调节吊环水平的方法？

（3）在观察液膜被拉起到被拉断过程中电压数的变化情况时，输出电压数值是一个从小到大再变小的过程。在很多实验教材和文献中都要求测量液膜拉断前后瞬间的电压值作为U1和U2［10-13］。而使用教材中的实验原理部分暗含的信息是测量拉力最大值对应的电压值和液膜断裂后拉力即吊环重力对应的电压值作为U1和U2，文献［14］中也支持这一结论。那么U1究竟是取最大电压Umax还是液膜拉断前瞬间电压值呢？同样，U2究竟是取液膜拉断后瞬间电压值还是干燥吊环对应的电压值呢？对此，老师课上给出的建议是不妨先将这4 种情况下的电压都记录下来，课下书写实验报告时进行理论分析和用测量数据进行误差计算。

课下整理实验报告时，学生反思中提到，由于实验时记录了最大电压Umax、液膜拉断前瞬间电压值、液膜拉断后瞬间电压值、吊环重力对应的电压值，在进行数据处理时，通过查阅相关资料，整理并加入自己的分析，得出何时读取U1、U2的结论，这导致书写实验报告所花费的时间较长，并且学生得出的结论也不统一。学生普遍感觉该实验听老师讲时觉得很简单，实际操作起来难度还不小，尤其是吊环调平和液膜拉断前后瞬间电压值的读取。花费时间长，重复次数多，测定结果误差比较大，实验结果满意度低，达不到预期。

4 教师对液体表面张力系数测定实验的教学反思

教学反思是指教师对教学活动所涉及的种种问题进行多视角、多层面，反复、深入、认真地审视与思考的过程与行为。在教学反思中，教师通过不断反省教学行为、澄清教学信念、变革教学生活、塑造教学风格，从而提高教学效率和个人的教学能力。因此，教学反思既是教师教学生活的重要方面，也是教师教学能力提高的重要策略［15］。教师自己的教学经历是反思的主要途径，除此之外还可以听取学生意见，征求学生建议，对于他们提出的合理性建议去反思，进而优化教学。在液体表面张力系数实验课上，发现学生操作中比较常见的一个问题，即对力敏传感器反复调零问题。

教材中明确写着实验前先对力敏传感器进行定标，将砝码托盘挂上传感器挂钩，然后对电压表进行调零。在实验过程中，经常有学生挂上吊环之后，再一次对电压表进行调零。问及原因，原来挂上吊环之后电压表显示负值，学生认为不应该出现负值，所以再一次进行了调零。这其实是不允许的。①力敏传感器的零点标定是在挂上砝码盘时进行的；②实验测得的数值是以零点标定时的状态作为参考零点进行显示。如果实验时挂上吊环再次调零，相当于把前面的工作全部否定掉，得到的数据由于没有参照基准而没有意义。③部分实验仪器的电压表显示负值，是吊环的质量比砝码盘小。使用质量比砝码盘小的吊环，不仅会让学生产生实验数据在小于0 的范围内输出电压是否与所加外力成正比这样的困惑，还会让学生在操作时出现反复调零的误操作。所以在后期实验教学中，笔者和相关实验工作人员对每套仪器配备的吊环进行了检查或者更换，而且在讲授实验时特别跟学生强调这一点，从而避免了这样的错误。

对学生书面反思中提到的吊环水平和电压表最佳读数问题，教师和相关实验工作人员也进行了相应的反思。

针对吊环的调平问题，通过查阅相关的文献，结合实验室实际，一个简单可行的办法就是在吊环上表面放置一个轻质塑料三角形薄板，在薄板中央放置一个水平仪，来检查是否水平。考虑到力敏传感器的受力量程不能超过0.098 N，实验室准备其他辅助装置使吊环竖直悬挂，此时观察水平仪中的小气泡，若小气泡位于水平仪的中央位置，说明已经调好水平。

针对电压表U1、U2的最佳读取问题，查阅资料发现确实有不少文献对此进行了讨论，可以说是众说纷纭。在学生实验报告上对此问题分析角度不同，也得出不同的结论。对从液体中拉出液膜到液膜破裂的过程中，输出电压数值从小到大再变小这一现象，在后期的实验课时，笔者先带着学生一起分析在这一过程中吊环受力情况和液膜形状变化，最终得出的结论是应该取电压表最大值电压作为U1，取液膜拉断后瞬间电压值作为U2。这样消除了实验课上学生的一些疑惑，使得实验过程更加顺利。