高考物理實驗：如何提高學生物理實驗能力

　　如何提高學生物理實驗能力

　　華南師大附中黃愛國

　　前言

　　物理學是一門實驗科學，物理學的建立和發展都是在實驗的基礎上進行的。實驗能力的高低、實驗素質的好壞，是衡量一個學生學習物理水平的標準之一。在各級物理競賽中，實驗部分都要占競賽總分的30—40%。所以，要想在物理競賽中取得好成績，必須要提高物理實驗的能力。物理競賽是一項選拔物理學習尖子的活動，試題水平歷來顯著超出高中物理教學和高考水平，對學生的實驗能力要求也比較高。在這兩年的奧班物理教學中，我一直在探索如何提高學生物理實驗能力。下面把我的一些做法和體會總結如下。

　　一、重視實驗基本功的訓練，培養學生實驗基本操作能力

　　物理實驗基本功是指實驗的基本理論、基本方法和基本操作技能。實驗的基本理論是：（1）認識實驗的作用，通過實驗是學生了解實驗的設計思想和實驗的原理；（2）能分析實驗誤差。實驗的基本方法是：（1）了解實驗的過程和步驟，能設計表格、整理實驗數據、畫出圖線，得出結論；（2）會利用實驗方法（例如：替代法、比較法、半偏法、控制變量法）進行準確的測量。實驗的基本技能是：（1）能正確、熟練按操作規程使用的物理儀器；（2）能仔細觀察，認真讀數、記數、整理數據，對實驗結果做出解釋；（3）能排除在實驗出現簡單故障；（4）能寫出規范的實驗報告。

　　實驗基本功的訓練主要是在高一階段，認真做好課本的每一個演示實驗和分組實驗，通過演示實驗、分組實驗及課外實驗來培養和規范學生的基本實驗操作能力。有的老師可能認為課本演示實驗和分組實驗的內容和難度與競賽實驗相差太大，認為它們對競賽幫助不大。但我覺得這些實驗對于訓練學生的實驗基本功、培養學生的實驗操作能力有重要的作用。例如：“安裝簡單的收音機”和“利用雙縫干涉測定光波的波長”這兩個分組實驗，據實驗室老師反映這兩個實驗在普通班已經有好幾年沒有做了。我安排了學生做這兩個實驗，實驗效果十分良好。

　　“安裝收音機”實驗，安排了三個課時時間，學生通過這個實驗，訓練了利用萬用表檢測電子元件的能力，學會了電烙鐵焊接技術以及初步掌握了收音機的調試，進一步認識了無線電發送、接受及三極管放大作用的原理。學生在經過辛苦勞動之后，從自己組裝的收音機中聽到了電臺的聲音，喜悅的心情和成功的感受對學生的信心和對物理實驗的興趣有極大的提高。

　　“利用雙縫干涉測定光波的波長”實驗，我安排在星期二下午科技活動時間進行。這個實驗原理十分簡單，但對儀器的調試要求十分高，一個儀器沒調好實驗現象（干涉條紋）就不會出現。經過多次的失敗，第一位同學調出來了，這時已經是4點50分了。隨后第二個、第三個……調出來了。學生在燜熱的光學實驗室中，一直做到了6點多才把這個實驗做完。學生們都感慨“這是有生以來最難做的物理實驗”。這個實驗主要是訓練學生對光學儀器共軸的調試能力，學會使用顯微目鏡測長度的方法，也鍛煉了學生的實驗毅力和在失敗中總結經驗的能力。

　　重視實驗基本功的訓練，培養學生實驗基本操作能力，是提高學生實驗能力的基礎。

　　二、加強探索性實驗教學，提高學生的實驗思維能力

　　探索性實驗是根據教材的特點和學生實際情況，在學生已有知識和初步具有實驗技能的條件下，由教師提出課題，在教師指導下，讓學生自己動手、動腦，在實驗中觀察現象，主動探索，然后得出物理規律。

　　例如：課本安排有一個驗證“玻馬定律”的分組實驗，我將這個驗證性實驗變為探索性實驗。在講到“氣體的等溫變化——玻馬定律”時，采用邊講邊實驗的方法用實驗來探索出氣體等溫變化的規律：從氣體的溫度、體積、壓強三個狀態參量出發，思考一定質量的氣體的三個狀態參量的相互關系，引導學生利用控制變量法先研究溫度不變（即等溫）的情況下，氣體的壓強與體積的關系；然后列出提供的實驗儀器，要學生考慮怎樣利用這些儀器來探索氣體的壓強與體積的關系，并在教師的引導下完善實驗方案，以及在實驗中應注意的問題；最后是實驗操作，根據實驗數據得出“在溫度不變時，一定質量的氣體壓強和體積成反比的關系”。將教材安排的兩個課時的內容，在一節課里完成，既提高了效率，也利用探索性實驗提高了學生的實驗思維能力。

　　采用探索性實驗教學，可以讓學生自己探索，成為科學知識的主動探索者。學生在做探索性實驗時，在教師的引導下思考實驗原理、實驗的基本步驟及處理實驗結果，使學生進行思維，比按課本的步驟來一步步進行實驗操作的驗證性實驗在學習要求和能力的培養方面有了很大的提高。探索性實驗教學，提高學生的實驗思維能力，使學生具有初步的設計實驗能力。

　　三、加強設計實驗思想和方法的培養，提高學生的設計實驗能力

　　設計性實驗是根據實驗要求理解實驗原理，編寫實驗步驟，設計實驗表格，正確選用儀器和器材，并進行實驗操作得出正確實驗結果的一種實驗形式。在物理實驗競賽中，這種實驗較常見，它對學生的能力要求也特別高。設計實驗能力是一種最高水平的實驗能力，是活化知識、進行創造性活動所必須具備的一種能力。

　　每一個實驗都有各自的設計思想，一個成功的實驗，其設計思想總包含著對已有知識的靈活應用與創造性的科學構思。引導學生領會前人的實驗設計思想，體驗科學家所經歷的探索過程，是一條培養學生具有設計實驗能力的有效途徑。例如：卡文迪許測量萬有引力恒量實驗。在介紹這個實驗時，利用卡文迪許扭秤實驗模型，講清實驗的設計思想：由于物體間的引力非常微小，把微小的引力觀察出來，是實驗設計的關鍵。這里卡文迪許把萬有引力轉化為一對力偶是第一次放大；把力偶的作用轉化為石英絲的扭轉形變是第二次放大；把扭轉形變通過光的反射轉化到較大距離的標尺上的讀數（光杠桿的放大作用）是第三次放大。通過三次“轉化”和“放大”的作用，就可以比較準確的觀察測量出微小的引力。這個實驗的設計思路十分巧妙，第三次放大的是利用光杠桿放大方法，這個方法在常在物理實驗競賽出現。通過分析教材中的著名實驗，挖掘出它們的設計思想對于提高學生的實驗設計能力有很大的幫助。

　　平時利用課堂上的時間，專門出一些問題來讓學生進行設計實驗。所出的問題包括實驗的目的、實驗器材和實驗要求等方面的內容。并且引導學生從實驗的目的出發，結合實驗器材的用途，并利用自己掌握的實驗方法設計出幾種實驗方案，然后按照實驗設計的三個原則：1、盡量減小由于實驗原理不完善帶來的系統誤差；2、盡量減小由于測量儀器不準確帶來的誤差；3、盡量減小外界環境對實驗的影響。以及從實驗的可操作性、科學性和安全性等方面來選取最佳的實驗方案。

　　例如：“怎樣用不等臂天平、直尺、砝碼、細沙來測量物體的質量”。讓學生思考：如果直接用不等臂天平來測量物體結果是錯誤的，怎樣才能消除不等臂的影響是這個實驗的關鍵；然后引導學生考慮直尺的作用，可以用來測量天平兩臂的長度；想到這里有學生會想到用來計算出測物體的質量。但可以體現學生這種方法是否最科學，然后引導學生利用復秤法來設計測量物體的實驗方案。

　　例如：“測定一個凹透鏡的焦距。實驗器材：一個激光器、兩個凸透鏡、光具座、被測凹透鏡”。通過學生回憶凹透鏡對光線的發射作用；凹透鏡對平行光發射后，出射光線的反向延長線與主軸的焦點就是凹透鏡的虛焦點的已有知識的基礎上，考慮如何把狹小的激光（平行光）放大，再引導學生利用凸透鏡的作用設計出激光擴束的辦法，再利用平行光測焦距，最后利用圖象法外推得到凹透鏡的焦距的實驗方法。（如下圖所示）

　　通過引導學生從已有知識出發通過有機的組合，進行實驗設計的過程，可以更好的培養和提高學生的實驗設計能力。

　　也可以通過平常的實驗制作來提高學生的實驗設計能力，例如：我在做電學黑盒子實驗前，提供學生電阻、電容器、二極管、電源等電子元件；要求學生利用不超過四個電子元件來設計并制作一個電路放在盒子里組成一個電學黑盒子，在設計時同時考慮利用萬用表來檢測的可行性，并寫出實驗操作步驟和實驗依據；然后同學之間交換來檢測判斷黑盒子內的電路連接方式，并交給設計者判斷；最后根據檢測成功數量，評出最佳設計獎和最佳檢測獎。這個做法取得了很大的成功，學生在設計、制作過程中鍛煉了實驗設計和動手能力，利用課外時間想方設法的進行檢測，在不斷的失敗中得到了成功，提高了學生檢測電學黑盒子的能力。

　　總之學生設計實驗能力的高低，是實驗成績高低的決定因數，我們應想方設法的提高學生設計實驗能力，是提高學生實驗能力的核心。

　　四、開放實驗室、精選課外實驗，提高學生的動手能力

　　中學生的實驗能力與理論水平相比差距很大。實驗能力水平較低，主要體現在學生的動手能力水平較低。所以在提高學生的實驗思維能力和設計實驗能力的同時，應加強培養學生的動手能力。

　　高一階段，因為學生剛開始接觸高中物理，學生整體的理論水平還不高，所以采用因材施教的方法來提高學生的動手能力。通過開放物理實驗室，要求學生提前幾天向老師提交實驗申請書，包括實驗的名稱、實驗目的、原理和所需的儀器及安排實驗的時間。然后教師從實驗的可行性、目的性、實驗室儀器的準備情況等方面考慮學生提交的實驗申請書，然后通知學生具體的實驗時間和地點。在約定的時間里學生來實驗室做實驗，教師在傍邊做指導。實踐也證明能夠提出實驗方案的學生都是學習成績較好、學得比較主動且學有余力的學生。在這一階段里有梁豪兆、馬銳、劉勃、苑志等五六位學生提出了課外實驗的申請，并利用下午第8節或星期六等課外時間完成了實驗，最多的一個學生總共做了12個課外實驗。通過開放物理實驗室，使尖子學生能夠更快更好地提高實驗動手能力。

　　高二階段，在開放實驗室的基礎上，精選課外實驗。教師通過精選歷屆的競賽實驗，分成力學、熱學、電學、光學等四個專題課外實驗，并印成講義發給學生作為課外實驗。例如：“用漸進法測量單擺的周期”、“用振動法測物體的質量”等二十個力學實驗；“用毛細管測定水的表面張力系數”、“研究物體的冷卻規律”等八個熱學實驗；“用板式電位差計校正一個量程為100微安的電流表”、“用作圖法測量未知電容”、“用萬用表的歐姆檔判別（黑盒）內的元件”等十五個電學實驗；“干涉法測平凸透鏡的曲率半徑”、“物距——像距法測凹透鏡的焦距”等十個光學實驗。每一個實驗只擺出一套儀器放在奧校物理實驗里，把實驗室的鑰匙交給物理科代表保管。每一個專題的課外實驗根據實驗個數的不同安排四到六周的時間。要求學生在規定的時間內利用課余時間來實驗室做實驗，并提交三份以上的實驗報告。由于學生都知道實驗能力在物理競賽中的重要性，所以有很高的積極性來做這些課外實驗。學生通過查閱參考書、向同學請教或約教師來指導等途徑認真做好每一個實驗。在中午、在晚自習、在星期天下午等時間經常可以看到三兩個學生在實驗室里做實驗。

　　通過開放實驗室、精選課外實驗盡量創造更多的條件，給學生更多的時間和空間來動手做實驗，是提高學生物理實驗能力的關鍵。

　　五、進行模擬實驗競賽，提高學生的應變能力

　　物理實驗競賽是一個綜合能力的競賽，除了物理實驗理論、設計能力和操作能力的競賽，更是一個心理素質、應變能力水平高低的競賽。從小學到高中，學生很少體會過這樣的情景：一個老師在旁邊看著你，同時在記錄著你的每一步操作，并判斷你的操作是否規范；而你同時還要面對一堆熟悉或不熟悉的儀器，要在比平時更短的時間內，完成二個或三個可能從來沒做過的實驗。這些都說明物理實驗能力除了思維能力、實驗設計能力和實驗動手能力還應包括心理素質和應變能力。而這些能力可以在平時培養和提高，但我覺得更好的提高方法是進行模擬實驗競賽。

　　模擬實驗競賽關鍵是在于模擬，為了使模擬競賽更逼真，在實驗模擬競賽過程中，基本上按照全國中學生物理競賽復賽的形式來進行。將每一次實驗競賽的成績作為物理競賽競賽的一部分，例如我在高二階段，共進行了力學和電學兩次競賽，這兩次競賽內容包括理論和實驗兩部分，按總成績分別評出一二三等獎，并發給獎品。增強學生的競爭意識，使學生重視模擬實驗競賽。通過模擬實驗競賽，來感受實驗競賽的緊張氣氛，提高學生的心理素質能力和考場應變能力。這兩次的模擬實驗競賽試題請看附錄，第二次的題量和難度都比第一次的大，學生的平均分第一次是31.2分、第二次是35.6分。從競賽的成績來看學生的整體水平有了較大的提高，特別是在實驗操作上手忙腳亂的現象少了很多。

　　學生實驗競賽能力的提高過程是一個漫長的循序漸進的過程。教師應在統籌全局的條件下，有針對性的指導學生，使學生在不同的階段得到各種能力的培養和提高，通過長時間的積累，學生的實驗能力才會得到較大的提高，才能在物理競賽中立于不敗之地。

　　附錄：

　　第一次模擬實驗競賽：力學實驗考試題

　　一，測定鋼尺的質量：(20分)

　　器材：帶刻度的鋼尺、三角刀口架、標準砝碼、夾子。

　　要求：1，簡要圖示實驗原理，以及所用公式；2，測量兩次；3，列表正確記錄測量數據，結果取三位有效數字。

　　二，驗證動量守恒定律。（40分）

　　器材：帶有定滑輪的長木板一塊、小車兩架、橡皮泥一塊、打點計時器一臺、紙帶、砝碼組一盒、米尺一把、開關一個、導線若干。

　　要求：1，寫出測量公式；2，寫出實驗步驟；3，原始數據記錄及計算（包括相對誤差的計算）

　　第二次模擬實驗競賽：電學實驗考試題

　　一、（20分）伏安法是指直接用電壓表和電流表來測量電阻的方法。此方法所用的儀器比較簡單，使用也很方便，但由于受電表內阻的影響，所得的電阻準確度不高，有明顯的系統誤差。試根據補償原理設計電路測量電壓，避免電表內阻引起的誤差，使測量更為準確。

　　器材用具：滑線變阻器、電壓表、電流表、檢流計、電阻箱、干電池和開關及待測電阻各一個。

　　要求：1、用給定儀器根據補償法原理測量待測電阻的阻值；2、正確作出實驗電路圖。

　　二、（20分）利用所給的儀器測量待測電容的電容量。

　　儀器用具：電壓表、電流表、滑線變阻器、電阻箱、待測電容、秒表、導線、單刀雙擲開關等

　　要求：1，利用所給儀器設計出一種測量待測電容電容量的實驗方法，畫出實驗電路圖；2、利用所測數據求出待測電容的電容量。

　　提示：測量電容器的容量大小可以利用含源的RC串聯電路，觀測電容的充電過程：假定t=0時，電容兩端的電壓為零，則充電過程中某一時刻電容兩端的電壓為

　　三、（20分）網絡電阻R1、R2、R3連成閉和回路，如圖所示。請用電橋法測量R2的數值。

　　儀器用具：網絡電阻盒一個（已經連接好，不能打開，這幾個電阻數值約數百歐姆和數千歐姆）、微安表一個（量程和內阻標在電表上）、電阻箱兩個、滑線變阻器一個、電源3V、單刀開關和雙刀雙擲開關各一個、導線若干。

　　要求：1、畫出實驗電路圖；2、簡要寫明實驗原理和步驟；3、寫出計算公式和計算結果。