物理实验教学与学生能力培养的实践研究

杨　杰

【摘　要】　物理学是一门以观察、实验为基础的自然科学。在物理学中，概念的建立、定律的发现，都有其坚实的实验基础。实验在物理学的发展中有着重要的意义，实验赋予物理学科思想和内容，促进了物理学的发展。因此在物理课上重视实验教学就有举足轻重的作用。

【关键词】　物理实验　学生能力　学生发展　成才教育

课程改革对物理教学提出了新的要求，即在以“学生发展为本”的教育理念指导下，将单纯的知识学习转变为知识、方法、能力、态度兼顾的学习，教师要引导、点拨学生积极参与物理教学过程，使学生思维品质和能力在学习中不断得到提升。物理教育必须帮助学生实现终身可持续发展。就是说我们必须从学生的长期发展出发，使学生学习“有用的”“必需的”物理，使学生通过学习终身受益，为他们将来在社会中生存、深造和发展奠定坚实的基础。因此在教材中物理实验数量和重视程度都有了许多提高。教材中安排了许多演示实验、学生实验、探究活动，小制作等。目的是为了让学生能通过亲身感受来学习物理，体现学习是一种经历。另外，教材的实验有一个重大的突破：引入数字化实验系统（DIS）。DIS对实验数据的采集和处理进行了改进和优化，不仅对传统基础实验形成了很好的兼容，也为实验的研究和开发提供了技术支持。凭借先进的数据采集和处理方法，原来传统实验装置很难做出的实验，有了令人满意的结果。下面是笔者在教学过程中的一些尝试和体会。

一、物理实验教学的实施过程和方法

实验是学生获取直接经验的常见方法。按照实验操作的主体，一般分为演示实验和学生实验。根据课程要求，高中阶段的学生实验有24个，其中基础型课程12个，拓展型课程12个。这些实验可分为探索性实验（研究电磁感应现象、用DIS研究通电螺旋管的磁感应强度等），验证性实验（研究共点力的合成等），测量性实验（用DIS测定加速度等），仪器使用练习性实验（用多用表测电阻、电压、电流等），实践性实验（设计、组装简单的模块电路等）。

“凡事预则立，不预则废”，做任何事情都要事先有准备。有无准备对最后取得的成果和工作的效率会产生截然不同的结果。因此，无论是教师的演示实验还是学生的分组实验，在每次实验之前，笔者总是力求先让学生明确这次实验的目的和有关的原理，熟悉相关的基本仪器的使用，对实验的操作步骤做到心中有数，遵守操作规程，了解观察的角度和关键，让学生“心中有序”，有的放矢，以促进和加深学生对物理概念、原理和规律的理解。物理实验决不能“打无准备的仗”。另外，在实验过程中，学生的主观感受性特别强，笔者便以此为抓手，充分调动学生的兴趣，激发学生自主的学习积极性。具体做法是：一是要学生认真观察，独立思考，不盲从，不迷信。二是敢于大胆质疑，亮出自己的观点。三是观点相异，提倡讨论。四是保存异义，日后求索。

笔者认为教师要有创新意识，要敢于允许学生打破框框，不要怕学生“乱”，学生会在“乱”中形成“序”并逐渐养成自主学习的好习惯。

探究是课程改革的重要内容，为此，教材中增加了一些探索性实验。目的是充分调动学生学习的积极性、主动性，培养学生的合作性、参与性，使学生经历物理知识的获得过程。学生的分组探究实验是学生亲身参与，亲自动手的实践活动，也是学会和掌握基本技能的重要手段和提高学生综合运用能力的有效形式。目的是逐步实现学习方式的转变，使学生逐步养成敢于质疑，善于交流，乐于合作，勇于实践的科学态度。但探究性实验对教师和学生都提出了更高的要求，教师要充分挖掘教材中可质疑、可猜想的因素，从中发现可探索的空间，适合时宜地引导学生主动探究，揭示规律，不断提高学生主体发现和解决问题的创新能力。

当然，学生的探索研究不同于科学家在科学原始丛林中的“披荆斩棘”，学生的探究还离不开教师的点拨和引导。探索研究的起因是发现了“问题”，而通过解决“问题”可以点燃学生思维的火花，“问题”的出现会激发学生求知的兴趣，引发学生的思考研究。因此教师的点拨要与学生的思维发生“共振”，教师既要点出问题的关键，拨动学生的思维；又要点出思维的起点，拨正思维的方向。下面以“电磁感应现象”一课的探究过程为例，笔者作了以下的引导工作：

提出电流的磁效应的逆向问题，介绍法拉第发现电磁感应现象的历史，激发学生求知欲，进行科学态度的教育。

组织分组探究实验。在探究过程中，笔者通过一系列问题对学生的探索进行点拨和引导，如利用所提供的实验器材，如何使灵敏电表发生偏转（即由磁得到电）；利用所给仪器，探索一下共有几种方式可实现这种转变；要学生从上述的各种方式的对比中，找出它们都有何种共同特征。

学生根据笔者提出的带有引导性的问题去思考，去进行操作实验，很快发现每当条型磁铁穿进或离开闭合线圈时，灵敏电表就发生偏转，即有电流产生。在考虑有几种方式实现这种转变时，学生感到有些为难。于是，笔者又引导性地提出：是否只有在磁体周围才会出现磁场？学生根据先前所学的知识马上想到，通电导线周围也存在磁场，进而想到了用通电螺旋管来替代条型磁铁，由此设想了产生感应电流的各种方式。

针对学生在实验中出现的错误、偏差的观点与遗漏不足之处展开及时的分析、讨论、归纳、总结。最后归纳得出了各种产生感应电流方式的共同特征：当穿过线圈的磁通量发生改变时，即有电磁感应现象产生。学生亲手摆弄各种仪器，通过实验，由感性上升到理性，再由理性认识加深对感性认识的理解，培养学生的动手能力，这样学生的主体思维得到充分发挥。

在整个实验过程中，教师既是课堂教学的主导者，又是物理知识的引导者，更应该与学生一样，是个积极探索者。学生探究实验的成功，不仅是让学生学到了知识，而且还学到了科学研究问题的方法，提高了学生综合运用知识的能力。

在实验教学中除了常规实验外，还应利用现代信息技术（DIS）开发设计一些以前传统实验装置很难完成的实验。DIS实现了动态位移的测量，受力状况的实时测量、多数据并行测量等，显著提高了实验的质量和精度。例如，在“验证牛顿第三定律”实验中，通过教材专用软件的设定，对拉的两力传感器的示数表示为以t轴上下对称的两条动态图线，不仅对拉力反应灵活，且与直观感受非常一致，对“两力方向相反”的表现非常形象、直观。专用软件还提供了活动竖线工具，供学生查看在同一时间点上两力的大小是否相同，从实验数据层面验证两力大小是否相同。但实际上，如果使用活动竖线（专用软件）、计算表格和坐标数据点显示（通用软件）等数据分析工具，经常发现在排除传感器一致性的问题并进行了调零操作后，两力的示数可能存在着较大差异，有时甚至相差1N。针对此现象，笔者让学生展开讨论、分析，并进行实验的反复操作。最后发现是实验操作手法的原因造成的，实验中应保持两传感器的平行、测钩正对，否则就会产生扭力和分力。只要调整手法，数据质量马上就会有大幅度提高。围绕实验数据的误差研究和改进，有助于养成学生正确操作和使用仪器的习惯。

最后，抓好实验报告的完成，也是培养学生实验能力，提高学生理性思维的重要一环。在实验报告中，要对观察到的各种现象和数据进行整理与分析，得出最后的实验结论。实验报告应该坚持实事求是的原则，数据上有出入，决不可随意改动，而应如实地分析考虑产生误差的原因，如果差距过大，则应重新实验。例如，在“利用DIS研究温度不变时，一定质量气体压强与体积的关系”的实验中，许多学生在点击“P-1/V绘图”后发现，计算机绘出的“压强—体积的倒数”关系图线并未通过原点，对此现象，笔者引导学生从实验装置、实验过程进行一一分析。最终，学生都找到了误差产生的原因。严格抓好学生实验报告的完成，不但是为了求知，更是为了培养学生实事求是的科学精神，养成一丝不苟的踏实学风。

二、物理实验教学的功能

1.物理实验可以激发学生学习的积极性

物理学家爱因斯坦有句名言：“兴趣，是最好的老师。”应该说学生对实验有着天生的好奇心，但是如果得不到及时的培养，这种好奇心就会消失。实验具有真实、直观、形象、生动的特点，利用各种有趣的实验，激发学生的新鲜感，并逐步培养学生学习物理的兴趣。

高一的力学是高中物理的“重头戏”，在讲解“力的分解”的时候，笔者把学生带进了实验室，指着墙边装满仪器的木箱，让班级中最强壮的男生来移动它，结果无功而返。于是，笔者拿出两根长木板，以“人”字形搭在墙与木箱之间，请一位娇小的女生，来到装置前，轻轻用脚一踩，结果木箱应声而动，学生们都露出了惊奇的目光，好奇心油然而生。

又如，在讲授串、并联电路的性质时，许多学生认为初中已经学过，没什么新意，于是笔者便设计了一个实际生活中的电路，即电饭煲加热、保温的相关问题，让学生来实验、观察、分析、讨论。这一司空见惯，但平时又不为学生所关心注意的现象，立即引起了学生的兴趣，他们觉得很有意思，立即各抒己见，发表看法，积极性就这样被调动起来。由此，学生渐渐对物理学科产生了兴趣，也萌发了追根究底的求知欲。

有些学生常常会将平时日常生活中碰到的问题、看到的现象，带到学校，与老师、同学一起分析、讨论。诸如：不倒翁不倒的原因是什么？在晚上用电高峰时，家庭照明为何比较暗？市场上的陶瓷娃娃撒尿的原理是怎样的……长此以往，学生的主体作用得到了充分的发挥，学生在积极主动的学习过程中，所学的知识也较为明白巩固，解决实际问题的能力也有了一定的提高。

2.加强基本仪器的使用训练能培养学生的实验操作技能

在物理实验中，大量的实验都要涉及测量、计数的仪器，在高中阶段的物理实验中，涉及的基本仪器有天平、弹簧秤、秒表、安培表、伏特表、滑动变阻器、变阻箱、万用表等，不但要让学生熟练地使用这些仪器，还应该让学生了解测量原理。基本仪器的正确使用，不仅保证了实验教学的成功，而且还有效地渗透了德育教育，让学生更爱护公物，延长仪器使用的寿命，养成自律的良好品质，树立集体事业的责任心。

在实验教学中，笔者不但要求学生掌握基本仪器的使用，还十分注重培养学生的创新意识。虽则这些基本仪器是实验室现成的，然而实验教学不应是“封闭教育”，物理实验应该和丰富多彩的大千世界相沟通。如根据学过的知识，笔者让学生考虑如何在一个密闭的车厢里，判断车厢的运动情况（匀速、加速、减速或拐弯）。若车子是在做匀变速直线运动，能否测定加速度？又如在“测电源的电动势和内阻”的实验中，让学生开动脑子，设计多种“测电源的电动势和内阻”的其他方法，让学生通过实验，将课本知识活学活用，拓展学生的理性思维，提高实践活动能力，从而更巩固学到的知识。对学生在使用基本仪器中的小发现、小建议、小创意，笔者更是大力肯定，大加赞扬，大力推广，努力创设自主学习的情境，增强学生参与的积极性，有效地激发了学生的创新意识，从而也优化了实验教学的整个过程。

3.改进演示实验可以提高学生的观察力和判断力

观察力是“思维的触觉”，勤于观察，善于观察是创造性人才的必备素质。所有的观察过程都应包含两个组成部分，即感觉器官的知觉因素和思维因素。物理学是一门以观察、实验为基础的自然科学，许多物理知识是通过观察获得第一手材料，从而发现新现象、新问题，再经过深思熟虑，在实验的基础上加以思考、分析，然后提出新思想、新见解。但在物理课的具体实验过程中，由于学生缺少观察的经验，因而在观察中抓不准角度，抓不住关键。为此有必要改进演示实验，使它更直观，更形象，更鲜明地展示结果，从而更完美地引出或证明物理学上的有关结论，帮助学生形成概念，理解原理，掌握规律，从中提高学生的观察力、判断力、推导力。

如在讲述“自由落体运动”规律时，笔者先提问“重物与轻物哪个下落快？”不少学生由于头脑中前概念（指学生在没有接受正式物理教育以前，对所感知的现象，生活中的常识与经验进行总结加工所得出的认识和理解）的因素在起作用，都错误地认为：重物先落地。对此，笔者让学生拿出两张质地相同，大小不同的纸，把其中一张小的揉成团，并从同一高度，同时放手下落。再让学生说说观察到的现象。于是课堂上思维活跃，各抒己见。紧接着，笔者再用一些形状、质量不同的物体（金属片、小羽毛、小软木塞等）放到牛顿管里，演示当管内充满空气时，这些物体下落的情形。接着把那管里的空气抽去，演示轻重不一的物体在真空管中下落的情景。这样学生很清楚地观察到物体下落的快慢与物体轻重无关，从而明确在日常生活中之所以看到的重的物体先落地，那是因为空气阻力的作用。

在改进演示实验过程中，笔者尽可能创造机会，吸引学生参与。例如在“反冲运动”中，有的学生把开有小孔的软木塞塞住饮料瓶口，然后通过小孔给瓶子打气，当瓶内压强达到一定程度时，便将瓶塞冲开，与此同时，饮料瓶也向相反方向运动。又如，在“学习包—电磁波”的自主学习中，有些学生就想到利用手机进行实验，因为手机既是电磁波的发射装置，同时又是电磁波的接受装置，手机的铃声还是理想的声波波源。将手机调至振铃（振动并响铃）档，置于一只透明的真空保温杯中，盖上杯盖，拨号至该手机，结果发现手机不断振动，但听不见铃声。由此得到结论：手机振动，说明电磁波可以在真空中传播；但手机发出的铃声却因为真空保温杯的夹层是真空，没有介质，机械波不能传播。再将手机置于不锈钢杯中，拨号只该手机。发现该手机没有任何反应。拨号的同学清晰地听到语音提示：您拨打的用户暂时无法接通。由此又得到结论：金属外壳对电磁波有屏蔽的作用。

通过这些活动不仅加强了学生对知识的理解，培养了学生动手、动脑的实验能力，而且也培养了学生的集体意识和工作能力，同时还优化了实验教学，充分调动了学生自主学习的积极性。

4.重视设计实验有利于发展学生的创新思维和创新能力

素质教育不但要学生牢固掌握知识，更要让学生掌握研究问题的方法，激发学生创新的欲望。显然，在实验教学中，抓好课堂演示实验与学生分组实验的同时，要注意开拓实验设计，引导学生的创新活动。对此，笔者对学生介绍了世界上第一颗原子弹爆炸时，物理学家费米利用事先准备好的碎片，让碎片从高处落下，即推算出了那枚原子弹的爆炸威力的事例，向学生说明设计实验实际不一定很复杂，简单有效即可。但要设计实验，学生就必须有扎实的物理知识和活学活用的能力。设计性实验不仅能有效地锻炼学生实验操作的能力，更能拓宽学生理性思维，培养学生的创造能力。可具体实践中，一旦提到设计实验，许多学生感到无从下手便望而却步。其实中学阶段学生的设计实验还是应该立足于兴趣的培养、知识的掌握、能力的提高。由最简单的小实验开始，让学生在设计中得到成就感和满足感。

设计性实验可分为“给予实验器材，让学生想方设法设计实验方案”和“让学生自己选择器材来设计实验方案”等两类。

（1）给予实验器材，让学生想方设法设计实验方案的设计性实验

例如在讲完“滑动摩擦力”之后，笔者提供了一把卷尺和一些细沙，让学生设计一个测量沙粒之间滑动摩擦系数的方法。卷尺是测量长度的工具，又如何来测定沙粒之间滑动摩擦系数呢？刚开始，学生感到困难重重，觉得难于下手。对此笔者是这样点拨学生的：要测定沙粒之间滑动摩擦系数必须让沙粒间发生相对运动，再帮助学生回忆先前经常碰到的一个问题，即在水平的木板上放置一个木块，木板一端固定，逐渐提高另一端，不断增大木板和水平面间的倾角，木块将会在木板上滑动。经过“提醒”，一些学生豁然开朗，想出了可以将沙粒从高处慢慢落下，在地面上形成一个圆锥体，并不断增高锥体高度，直至表面沙粒恰要滑动为止，此时再测量出锥体的高度h与半径r，便可得出沙粒之间滑动摩擦系数μ=tanθ=h/r（θ为圆锥体的倾角）。又如在完成平抛运动的教学内容后，笔者让学生设计测量玩具手枪子弹射出时初速度的方法。

（2）让学生自己选择器材来设计实验方案的设计性实验

如在完成力学教学内容之后，让学生思考，有几种方式可测定重力加速度g？面对种种设疑，学生都争先恐后，纷纷献计献策：利用单摆周期公式T=2π（L/g）1/2可得到g；根据G=mg，使用弹簧秤与天平可解决问题；使用打点计时器可测g；还可利用“滴水法”得到结果……学生们你一句，我一言，力争实验和设想的成功。这使学生的自信心大大增加，同时也使学生们感到自行设计实验并不是一件遥不可及的事情。在讲授完“反冲运动”的教学内容后，一些学生还利用雪碧瓶制作了小火箭，这些小火箭的射程最远可达20多米。在学习完“自动控制与模块机器人”之后，学生自行设计、组装的简单模块式电路，给了他们很大的鼓励。小实验、小制作使学生对概念、规律的理解更为透彻，而具体的操作过程也训练了学生观察、动手、思维、总结的能力，从中培养了学生创新的意念和能力。通过这些自由度大，自主性强的实验，学生的综合运用能力得到了大幅提高。当然，在学生设计实验的过程中，教师决不能脱离实际，要求学生一步到位。要注意积极引导，允许学生不断修正，不断完善，而这一修正过程正是学生对知识不断提炼，对基本技能不断加强的过程。教师对学生在学习、生活中产生的奇思异想，要鼓励进行可行性研究，设计出合理的实验方案。对于设计实验过程中出现的问题，要循循善诱，耐心寻找原因，积极思考对策，尽可能帮助学生去获得成功。

5.抓好实验报告的质量是提高学生理性思维能力和科学素养的有效手段

俗话说“瓜熟蒂落”，写好实验报告是知识的“颗粒归仓”。笔者原本以为在一次成功的实验之后，每个学生都应该写出一份有质量的实验报告来。然而情况并非如此，不少学生虽然较重视实验的本身，但事后却往往怠慢了这份“报告”。有的信手写来，不动脑筋；有的穿凿附会，人云亦云；有的“抄抄了事”，敷衍塞责……总之，学生们没有重视物理知识之“瓜”的“蒂落”，没有把写好实验报告看成是实验的一部分，是收获积累知识的重要手段。

为此，笔者专门对怎样写好物理实验报告作了辅导。首先，让学生明确写好实验报告的目的和意义。其次，引导学生回忆和分析实验的全过程：原理、步骤条件、结论……写好实验报告意味着教师把课讲到学生的记忆深处，让学生透过现象看到和理解本质，把握理性的认识和思考，明确概念、原理、规律的来龙去脉，真正达到巩固知识的目的。其次，为了扩大实验成果，笔者还让学生交流实验心得体会，启发学生日后继续从不同角度，不同方法进行追踪探索，以促进学生的理性思维。除此之外，笔者还十分重视实验报告的批阅和评讲，让学生真正明确判别写好实验报告的依据，切实地提高学生理性思维能力和科学素质。

当然，写好实验报告也是培养良好学习习惯，树立踏实学风和发展严谨的理性思维的重要手段，其中有一个循序渐进的过程，教师一定要坚持严格要求，一抓到底，紧抓不放。其实，写好实验报告能力的培养，对学生今后的学习工作受益匪浅。

总之，教师在考虑实验教学中始终要坚定地确认学生是学习的主体，要充分调动学生群体参与的积极性，激发学生学习物理的兴趣，增强他们自主思维的热情和创新意识，全面提高学生的观察力、分析力，综合运用能力。

21世纪给我们带来更多的机遇和挑战，培养学生科学素质也是时代赋予我们的任务，教师是教学和教育活动的组织者，对学生的发展起着不可替代的重要作用。在日常教学中要有所创新，就必须要善于发现教学领域或教学研究中的问题。要联系实际，不断有所变通，要设身处地，变换角色，变换对象，变化方法，另辟蹊径。平时工作再忙，都务必“充电”“饱学”，开阔视野，学而不厌，使自己的知识结构不断充实和更新，发展自己视听感觉的敏锐性，以利更快捕捉到学生内心的感受，及时探索到学生心灵的奥秘，去发现创造思维的火花，力争在宽松和和谐的课堂氛围中，让知识能力、方法如泉水般滋润学生的心田。

随着信息技术的发展，以计算机、感应器、模数转换装置和网络为主要装备的现代物理实验设备正逐步取代传统的物理器材，进入高中物理的课堂和实验室。针对这些现代物理实验设备的课堂教学和实验设计，正成为广大高中物理教师的一个新课题。在这个领域，DIS无疑开创了一个良好的局面，为物理教师和学生能够接触到全新的物理实验方法创造了条件，也为基于DIS的硬件设备，开发众多的符合课改精神的探究型的物理实验提供了借鉴和可能。

同时，高中物理的教学内容还需要大量的仿真实验软件来再现一些复杂或危险的实验过程，一些重要的物理概念可以通过一定的仿真实验软件让学生自主建构。

现代物理实验设备和仿真实验软件的出现，为高中物理的教学提供了广阔的空间，是展现在广大高中物理教师面前的崭新课题，让我们共同努力，潜心钻研，推动高中物理实验教学的深入发展，为培养具有创新精神和实践能力的一代新人贡献力量。