2010年江苏省首届“高中物理名师讲坛”【专家报告】物理实验教学多元创新中的几个关系问题(刘炳升)

物理实验教学多元创新中的几个关系问题南京师大刘炳昇[e-mail]一、再论物理教学必须以实验为基础问题的提出新标准实施以来，课程理念提高了；教学内容更丰富了，关注物理学的现代发展，关注科学人文和生活；现代教育技术的应用加强了；学生的选择性有所体现，学习方式不再唯一。但是，实验在教学中的地位下降了，普遍存在不做实验、少做实验、以视频、动画替代实验的现象。原因很复杂，这里只讨论与实验教学有关的几个问题。物理学中的科学探究有什么特点？在物理学建立前，人们就在不断地对自然现象进行探究，但还算不上是科学探究，直到以伽利略、牛顿为代表的科学家取得一系列成就以来，才奠定了物理学形成和发展的基础。实验、理论思维、数学工具的应用，这是物理学科学方法的重要特点。实验：可简化、纯化、强化、加速或延缓、重复与再现物理过程。科学实验具有发现规律和检验假说的功能。物理教学必须以实验为基础加强物理实验是我国物理教学的历来主张。实验能有效激发学生学习物理的兴趣和求知欲望；能为学生创设生动的物理学习情境；能发展学生的能力，使学生掌握科学方法；实验还有利于培养学生的科学态度和科学精神。实验对培养科学素养的重要作用（一）激发好奇心和求知欲怎样使小环旋转不息？金属的大圈上套有5个小环，让小环旋转起来，不一会小环就会停止转动。怎样能使小环不停转呢？试试看。点击视图播放：直杆上下落的小环鉴于上面的问题比较复杂，我们还是讨论一种简单的情况：把一只圆环套在一根铁杆上，圆环的内径比铁杆的外径略大。将圆环从竖直状态的铁杆上端释放，会出现什么样的情况？点击视图播放：讨论自行车转弯的原因如图，假定原来自行车向右前进，速度v的方向向右，在某一时刻，自行车龙头逆时针偏转一个角度α，车子由于惯性有要向右侧滑的趋势，于是产生向左的静摩擦力f，这个摩擦力沿偏转α角方向的分量f’对前轮质心的力矩使轮新的平面内绕轴转动。vαff’为什么斜面上的小轮取易滚的方向滚下？将小轮平面与斜面下滑方向成一锐角，释放后，小轮取最容易滚动的方向滚下，是由于静摩擦力f在该轮平面内的分力对其质心的力矩，使小轮沿轮平面向下滚动。ffvf为什么直杆上的小环下落加速度减小小环内孔径略大于直杆轴径，环面法线与轴线不重合，小环重力与摩擦力作用使环既下落又有转动，若把直杆的圆柱面想象为细密的螺旋形斜面，就可以用类似上面的原理解释小环转下的现象。下落过程中重力势能转换为转动动能和平动动能。为什么大圈上的小环能旋转不息？如果让大圈静止不动，小环相对大圈既有转动，又逐渐下移。若让大圈逆时针旋转，则它拖动小环向上的摩擦力做功，使小环重力势能得到被充，因此能够维持过程中小环转动能量的损失。激发学生的好奇心和求知欲好奇是与生俱来的，但不可能自然而然地保持和发展好奇心。好奇心在一定条件下可以转化为求知欲，进而发展为科学的兴趣，由此形成的动机是一种内部的驱动力，通过观察和实验能有效激发学生的好奇心和求知欲，应当引起物理教师的充分重视。激发学生的好奇心和求知欲今年诺贝尔物理奖得主海姆和肖洛夫给我们的启示—好奇，创新性人才的重要品质。现实：学生普遍对物理不感兴趣。需要为不同的学生提供有利于发展个性特长的学习平台。案例：制作一个“非常规”电动机模型器材：小圆柱形磁铁，干电池，硬铜丝。没有换向器，没有支架和底座。尝试1—思考绕一个线圈，用引线的两端作转轴。为什么不能转动？怎么办？尝试2—思考去掉线圈的一边，做一个开口的线框。为什么还是不能持续转动？怎么办？尝试3—思考把磁铁吸到电池的一个极上，可以持续转动了，但转动中不停地颤动。怎么办？技术设计是不断创新的过程实验对培养科学素养的重要作用（二）培养求实的科学态度案例：酒杯加水后音调变高还是变低？不同的教参有不同的答案，究竟谁对？问老师，问同学，找书看，问家长，谁是权威？唯独没有试一试。求真求实，现代公民科学素养的要求经过实验的训练，要求学生观察测量，如实地记录现象和数据，客观地分析发现的问题，不弄虚作假。经过实验的训练，要求学生考虑问题从事实出发，运用理性思维，靠事实检验，不轻信“权威”。这会影响一个人做人的根本，影响决策的思维模式和行为准则。二、物理实验教学多元化创新面临的几个关系问题（一）实验探究的强化及其与基础性实验的关系加强实验的探究性是科学课程发展的必然上世纪80年代以前，我们的物理实验多半是为学习物理知识服务的，探究的缺失是实验失去了本来应有的生命力，加强实验的探究性是使实验向科学本质的回归，也是激励学生学习动机和培养创新品质的需要。从实验内容、教学模式等方面都有了变化。自然地引入探究的实验内容如，探究小灯泡的伏安特性，猜测图像可能有什么特点，电压从零开始逐渐升高，在低电压区采点密集一些，用什么电路？画出图像，分析图像特点：低电压区，中电压区，高电压区。尝试解释这种图像的特点。自然地引入探究的实验内容用多用表探测黑箱中的电路元件和简单电路。多用表如何使用？不同元件有什么不同的特性？应当用什么样的程序来探测？如何保证测量安全？如何判断电路的连接方式。课题：辉光球电场的探究将高频、高压电加在辉光球中心电极上，在很短的时间内可以把它当静电场处理。观察现象，它的电场有什么特点？用手接触在玻璃壳上并在其上移动时，现象有什么特点，你能提出什么问题，怎样解释？辉光球电场的探究给你一只氖管，怎样用它来探究辉光球周围电场的特点？操作中看到什么现象？说明什么问题？辉光球电场的探究分别用书本、乒乓球拍、泡沫塑料板、铝板等隔在辉光球与手持的氖管之间，看看这些东西对电场有什么影响？看到什么现象？怎样解释？辉光球的电场它是一种点电荷的电场，中心是一个电极，无穷远处（或周围接地物）是另一电极，极性随高频电压变化而变化。球壳内的稀薄气体分子被运动的带电粒子碰撞电离产生辉光现象，由于气体密集程度较小，所以辉光总体按电场线的路径显示。手触球壳前后的电场线分布情况QQ为什么辉光线向手这一边转移？当手掌接触球壳一部分时，相当有一个电极从无穷远（周围接地物）移到球壳上，此时可以看成是两个电容并联，电势差相等，电容大的，其上的电荷量也越大，电荷密度也越大，电场也就越强。C1，Q1C2，Q2为什么放电辉光束跟着手走？当手指在球壳上移动时，好像存在一种“惯性”的记忆。由于原空间区域的导电离子较多，因此出现辉光线略向上弯曲的现象。插入物体的现象解释插入接地的金属板，氖管不再发光，如果插入带绝缘柄的金属板（图）和其他电介质板，氖管仍能起辉，说明它们在电场中被感应或极化，不能对电场起隔离的作用。+----++++辉光金属板图8强化探究，但不能忽视基础训练继承传统学生实验中的优点关注物理实验的基本思想和技能要求使用基本仪器的规范要求；测量与间接测量的思想；控制变量的方法；等效替代的方法；黑箱方法；处理与评价数据的技能；偶然发现的追踪等。案例：用单摆法测定重力加速度这是一个传统的经典实验，有许多巧妙的思想方法和技术细节必须通过学生的动手操作而体现出来。如：用间接测量的方法测量物理常数；用多次测量的方法减小偶然误差；用图像的方法处理实验数据等。一些不容忽视的技术细节①如何悬挂单摆的悬线？②怎样测量摆长？③在什么位置开始计时和终止计时，为什么？为什么要测多次全振动的时间？④各直接测量量对加速度值误差的影响。LLLd图9案例：油膜法估测分子的大小巧测微观物理量；稀释的作用；显示油膜；对油膜面积的测量；实验中的偶然发现与分析。过程重于结果，数量级究竟以多大为准？打点计时器的数据获取和处理方法获取时间、位移的信息；求平均速度和瞬时速度；求加速度；做有关图像；寻找或验证有关运动学和动力学的规律。（二）是关注科学探究的程式还是关注探究过程本质特征的内涵？给学生提出问题的机会观察发现，你能否提出来几个感兴趣而你又不能回答的问题？案例：发现电池的内电阻学习初中物理之后，往往给学生形成了一种错误的思维定势：电源给定后，电源的电压就是不变的了。这一定势对学习闭合电路欧姆定律带来障碍。创设情景，发现问题演示与讨论：将开关逐一闭合（选用旧的干电池），观察现象，提出一个你感兴趣而却不能回答的问题。讨论学生1：U一定，并联电阻变小，电流变大；电流变大，为什么灯泡变暗呢？学生2：U一定，通过每一个灯泡的电流不变，每个灯泡的亮度应当不变。那么，什么情况下可能使灯泡变暗呢？可能电源的输出电压变小。实验验证与再讨论：测量电源两端的电压，验证了上述猜想。那么，为什么并联灯泡增多（并联电阻变小）时加在灯泡两端的电压（电源两端的电压）会减小呢？讨论如果在电路中串联一个电阻，能解释灯泡变暗的现象吗？灯泡合电阻变小，导致串联电阻上的电压变大，灯泡两端电压变小，所以灯泡变暗。再猜想和验证原来电路中的串联电阻可能在电池内部，即电池内有电阻存在。用可调内阻电池实验，验证了内电压的存在，由此可知，电池有内电阻。在“形成假说”上下功夫只要自然科学还在思维着，它的发展形式就是假说——恩格斯以猜想和假设（假说）为探究的纽带不同层次的猜想和假设：猜一猜：随机猜想。发散性的猜想：搜集一切可能有关的因素。推断型猜想：以一定的经验事实和已有的理论为基础，经过逻辑推理，做出一定判断。创造型的猜想：以表象为基元，通过联想、想象，运用直觉和灵感等非逻辑思维，并与逻辑思维结合，做出一定的猜想和假设。案例：探究求合力的方法怎样为学生猜想提供铺垫？探究求合力的方法1.教师演示：用3、4个砝码牵引橡皮筋，求两分力成直角时的合力——（右图）。2.学生猜想：合力和分力可能有什么关系？3.学生实验：用两个弹簧测力计拉伸橡皮筋，验证你的猜想。验证你的猜想验证猜想（1）让两个力之间互成120°，且与橡皮筋伸长方向成60°，实验并作图，你能看出合力与分力的关系吗？（2）改变两个力的大小和方向，重复上述实验和作图，可以得到同样的结论吗？写出你的实验结论。方案的特点演示实验，教师操作且只演示一种特殊情况，实验难度降低，通过它说明力的合成的概念；演示实验只给出了一种特殊情况下的信息，它为学生提供猜想的依据，而不是实验的结论；选用一种有较大尝试空间且操作难度较小的实验方案，让学生动手，明确猜想，进而验证自己提出的猜想。探究设计离不开对学生认知的研究牛顿第三定律，太简单了，弹簧测力计对拉，或用DIS显示。计算机显示两力相互作用的图象实验设计应当有利于纠正学生错误的前概念两个穿旱冰鞋的学生对推的实验，不让他们面对面用手对推，而让一个学生从另一个学生的背后推他；磁力的实验，选择磁铁和铁块，而不是两个磁铁；用小电动机拉小车，让固定电动机的小车也能运动。把验证性实验都改为“探索性”实验吗？实验验证是物理学研究的重要环节实验有归纳和验证两种，都是探究的不同方法。科学探究中常常出现：同一个问题，同一个现象，可以用两种对立的假说来解释。所以验证的结果常常是对对立假说的判断。通过实验验证使真理得到肯定，使谬误得到否决，既支持科学家的远见卓识，又帮助科学家向着正确的方向去发现真理。具体实验具体分析把历史上自由落体运动的探究引入课堂，自由落体的学生实验就没有必要改变其验证的性质。牛顿第二定律的实验可以作为探究性实验，让学生探究加速度与外力和质量的关系。动能定理，完全可以从牛顿定律推导而来，没有必要改为“探索性”实验。具体实验具体分析：关于牛顿第二定律实验方案一：连接体忽略系统误差实验；方案二：连接体保持总质量不变；方案三：用弹簧测力计直接测量绳中张力法；方案四：斜面间接转换测量法（李铁）；方案五、力传感器测量法等。综合考虑：教学功能、学生认知、误差大小、成功概率、实验条件等因素。对斜面间接转换方案的评价通过理论推导，运用巧妙的间接测量方法消除了实验方案上的系统误差，实验操作比较简便。但它涉及到物体所受多个力的合力的分析、仪器原理