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1、中学物理设计性实验思想方法初探中学物理设计性实验思想方法初探湖南省保靖民族中学 白勇当前科学技术的高速发展对人的创新能力的要求越来越高，为了培养高素 质的具有创新能力适应未来发展需要的人才，必须使学生具备综合运用知识去 发现问题、解决问题的能力。物理学是以实验为基础的学科，它的发展和创新 与物理实验密切相关，因此，物理实验教学成为培养学生创新能力、养成实验 素养的重要环节，实验教学中适当加入设计性实验的教学内容，对于学生动手 能力、研究能力，特别是创新能力的培养具有重要的作用。设计性实验要求学生在掌握实验原理和仪器的基础上富有创造力，自行设计新 的实验，它是素质教育在物理实验教学中的具体体现。
2、通过它不仅可以考查学生对实验的 原理和方法的理解程度，更重要的是可以考查学生对学过的实验原理、方法灵活地迁移应 用和综合应用的能力，考查学生的创造性思维能力。在此可以预料，设计性实验题将成为 今后高考实验命题的主要题型。如何进行设计性实验的教学设计，笔者结合教学实践，对这个问题进行探讨。一、实验设计教学的必要性在设计性实践活动中，实验方法起着关键的作用。在中学物理实验中，有许多实验其设计构思十分巧妙，其中有一些实验在物理理论的建立和发展中具有重要的意义，其间凝聚着科学家的智慧和创造。教师在实验教学中，恰当地向学生介绍和运用这些实验的设计思想、实验方法和技巧，对于学生深刻地领会实验，启迪学生的创
3、造性思维是大有裨益的。 从小处着眼，加强实验设计教学上海作为高考改革的试点城市，其成功的改革将为全国高考提供可能的改 革方向，甚至一些新颖的题型和情境，都可能为全国高考所借鉴如 年全国高考第题就是从年上海高考第一（）题脱胎而来的无 疑上海高考关于实验设计的考查是又一个成功的改革举措，极有在全国推广的 价值而物理考试说明中要求“会用在这些实验中学过的实验方法” ，也为实验设计的考查在全国的推广提供了可能从大处着眼，加强实验设计教学从大处着眼，加强实验设计教学著名核物理学家钱三强先生在为郭奕玲、沈慧君编著的物理学史所作 的序中，曾严厉指出：“今天我们科学界有一个弱点，这就是思想不很活泼， 这也许跟
4、大家过去受的教育有一定关系”我们常常教育学生“应该” “必须”；我们的考试题目常常不惜笔墨描述背景、附加条件，最后只有 一个小小的空格“是”这样培养选拔出来的人才在学校是好学生，步入 社会是好职员，大脑中只是机械地跳动着两个问题：“你要我做什么？你要我 怎么做？”工作常常：“完成”的相当漂亮，但思想僵化，毫无创见这正是 我们的悲哀！长期以来的这种教育选拔模式，致使我们现在仍只能在很羞涩地 提到几个美籍华人时才有一种借来的荣光与自豪！思想不活跃，是因为我们给了学生太多的“必须”的限制；思想僵化，是 因为我们留给学生太少的“可能”的余地实验设计的教学，正是活跃思想， 培养能力的一种好方法，授以实验
5、的基本方法，让学生自己去考虑有哪些可能 的做法，自己会怎么做二、实验设计的基本方法二、实验设计的基本方法明确目的，广泛联系明确目的，广泛联系题目或课题要求测定什么物理量，或要求验证、探索什么规律，这是实验 的目的，是实验设计的出发点实验目的明确后，应用所学知识，广泛联系， 看看该物理量或物理规律在哪些内容中出现过，与哪些物理现象有关，与哪些 物理量有直接的联系对于测量型实验，被测量通过什么规律需用哪些物理量 来定量地表示；对于验证型实验，在相应的物理现象中，怎样的定量关系成立， 才能达到验证规律的目的；对于探索型实验，在相应的物理现象中，涉及哪些 物理量这些都是应首先分析的举例来说，要测定地球
6、表面附近的重力加速度，我们就应检索：在所学知 识范围内，哪些内容涉及到重力加速度，它与其他物理量有何定量关系，并一 一罗列出来：（）在静力学中，静止物体对竖直悬绳的拉力或对水平支持物的压力大 小就等于重力，即若（或）和能测出，则重力加速度 可测定（）在超重或失重（但不完全失重）系统中， 若、和可测出，则重力加速度可测定（）在运动学中，物体从光滑斜面上由静止下滑， 若、 和可测定，则重力加速度也可测定（）在运动学中，物体从粗糙斜面上由静止下滑， （）若、 和可测，则重 力加速度也可测定（）自由落体运动中，若和可测出，则重力加速 度也可测定（）用重力加速度测定仪测定（）在平抛运动中，竖直方向在连续
7、相等的时间内位移之差 若 和可测，重力加速度同样可以测出（）在斜抛运动中，水平射程可以表示为 若、和 可测出，则重力加速度也可测 出（）单摆做简谐振动时，其周期可以表示为若和 可测，则可测（）在焦耳测定热功当量的实验中，若能测出水的质量和升高的温度， 算出水增加的内能，再测出重物的质量和下落的高度，同样可测定重力加速 度（）带电粒子在的匀强电场平行板电容器中平衡时， 若、和带电粒子的荷质比（）可测定，则可测 出（）假设一物体在地球表面附近绕地球做圆周运动， ，选择方案，简便精确选择方案，简便精确对于每一个实验目标，都可能存在多条思路、多种方案教材中关于某个 实验目标的实验方案，也只是众多方案中
8、的一种，而且不一定是最好的一种， 而只是较可行的一种那么在众多实验方案中，我们应如何选择呢？一般来说， 选择实验方案主要有三条原则：（）简便性原则即要求所选方案原理简单、操作简便，各量易测应尽 量避免实施那些原理复杂、操作繁琐和被测量不易直接测量的实验方案（）可行性原则实验方案的实施要安全可靠，不会对人身和器材造成危 害；所需装置和器材要易于置备，不能脱离实际，不能超出现有条件（）精确性原则不同的实验方案，其实验原理、所用仪器以及实验重复 性等方面所引入的误差是不同的在选择方案时，应对各种可能的方案进行初 步的误差分析，尽可能选用精确度高的实验方案以上三原则通常要综合考 虑依据方案，选定器材依
9、据方案，选定器材实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测量与哪些物理量有直 接的定量关系，这些物理量分别需用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要 哪些器材在“用单摆测定重力加速度”的实验中，是利用单摆装置来进行实验的， 故需铁架台、细线和摆球等来组装单摆重力加速度可表示为 ，周期需用秒表测定；摆长是从悬点到摆球中心的距离， 因此需用米尺和游标卡尺分别测定摆线长度和摆球直径从实验原理表达 式可以看出，实验与摆球质量无关，故毋需使用天平当然，从实验方便性和精确性角度考虑，还需对所选器材作进一步要求， 以期把系统误差降到最小如上述器材中，摆线的伸缩性和质量应较小，摆球 的质量应较大摆线伸缩性大
10、，其长度会随拉力变化而变化；摆球与摆线质量 相差越小，系统（摆线和摆球）质心偏离摆球中心越远，误差就越大为了便 于观察，摆球振动的路径宜长，但又要确保单摆做简谐振动，故摆线宜长些， 常取米左右拟定步骤，合理有序拟定步骤，合理有序实验之前，要做到心中有数：如何组装器材，哪些量先测，哪些量后测， 应从正确操作和提高效率的角度拟定一个合理而有序的实验步骤对一些可直 接测量的物理量，可先行测量；在“利用单摆测定重力加速度”的实验中原 理表达式中的和分别为单摆的摆长和单摆做简谐振动 的周期因此应先组装单摆，再测定摆长，最后让单摆做简谐振动，测定周期 根据所测数据计算出重力加速度的值至于过程细节不再赘述数
11、据处理，误差分析数据处理，误差分析高考对此要求不高，但常用的数据处理和误差分析的方法还是应该掌握， 在设计实验时也应予考虑三、建议三、建议我们不能说全国高考对中学教学起一种指挥棒的作用，但也无法低估高考 对中学教学的导向作用，正确认识并充分利用这种导向作用，对改善中学教学 现状是大有裨益的因此在高考命题上做点文章，使试题内涵精些，外延宽些， 少些“是什么”，多些“怎么样”，思想自然活跃，花样自然增多以 年全国高考第题为例，若把问题改为：“根据以上数据，能否验 证机械能守恒定律？试用必要的文字和简明的算式阐明你的观点”这样一改， 同样可考查即时速度、和 的计算，但为学生提供的可能性增多 了为什么非得从“第一个点”开始考虑呢？见微知著，我们完全可以通过证 明 （）与 （）相等来验证机械能守恒定律，至少可说明 过程机械能守恒总而言之，要改善中学物理教学现状，培养思想活跃、有创新精神和创造 能力的跨世纪人才，即需中学教育工作者的切实努力，也需全国高考的积极正 确导向
