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加强高中物理实验教学的几点建议──从近几年高考实验试题谈起(张祥勇)
  作者:张祥勇(广东省潮州市金山中学)   发布者:学科专家  发布时间:2011-09-22

  摘要:本文针对目前高中物理实验教学的现状,根据理科综合考试的发展趋势和素质教育的要求,结合自身教学实践,提出加强高中物理实验教学的几点建议。 

  关键词:物理实验教学;高考;实验基本功;设计和完成实验的能力 

  杨振宁是一位理论物理学家,但他对物理实验和实验教学非常重视,曾给《物理通报》写了一则题词:“物理学是以实验为本的科学”,这一精辟论述表达了物理学界的共同见解。近年来,杨振宁在对国内物理教育做了大量考察后指出,中国的物理教学有一个倾向,即使人觉得物理就是逻辑。他认为物理学不单是国内大学中“四大力学”这样的骨干,还应是有血有肉的,还应和实验、现象、实际联系在一起。在物理学的发展过程中,实验起过重要作用,现在正在起着、将来必定也起着重要的作用,这一点对于物理学家大概是没有争论的。但是在目前高中物理教学中,我们感到,物理实验仍未得到充分的重视,物理实验教学还有待进一步加强,当然其中有多方面的原因。本文针对近几年高考物理实验试题和高中物理实验教学现状的进行分析,提出自己的加强高中物理实验教学的对策和建议,与同行教师一起研究探讨。 

  一、对近几年全国高考物理实验试题(广东卷)的分析 

  高考物理在考查知识的同时,注重考查能力,通过考查知识及其运用来鉴别考生能力的高低,并把对能力的考察放在首要位置。目前,高考物理科要考查的能力主要包括以下五种能力:理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学处理物理问题的能力、实验能力。考试大纲对实验能力做了明确的要求:“能独立地完成知识内容表中所列的实验,能明确实验目的,能理解实验原理和方法,能控制实验条件,会使用仪器,会观察、分析实验现象,会记录、处理实验数据,并得出结论,对结论进行分析和评价;能发现问题、提出问题,并制定解决方案;能运用已学过的物理理论、实验方法和实验仪器去处理问题,包括简单的设计性实验。”这个要求近几年没有怎么改变。 

  从我们广东省的高考情况来看,每年基本都有两道实验题。2005至2007年,全国高考物理试题(广东卷)中实验题20分,占试卷总分(150分)的13.3%;2008、2009年实验题24分,占试卷总分(150分)的16%;2010年广东理综试卷中物理实验题18分,占物理部分总分(100分)的18%,这个分值和所占比例跟其他省市的相当接近。可见连续多年高考物理实验的题型基本稳定,所占比重逐渐上升。综观这几份试题,我认为还具有以下3个基本特点: 

  1.实验基本技能几乎每年必考。例如“读数”的考查几率相当高,2007年、2009年考了螺旋测微器的读数。 

  2.不排除考查教材中基本的学生实验。一般来说,电学实验就是考仪器选择、连线、误差分析;力学实验考打点计时器就一定考速度、加速度的测量。例如2007年、2010年考了“研究匀变速直线运动”,用打点计时器来研究物体的运动,通过分析纸带求速度、加速度等物理量。 

  3.通过学生实验的延伸与拓展,突出了对学生的设计和完成实验能力的考查。例如2008年考了“利用直流恒流电源和电压表探究一种热敏电阻的温度特性”,2009年考了“利用电流表和电阻箱探究一种金属丝的电阻率”,2010年考了“利用电压表和电阻箱测定干电池的电动势和内阻”。这类题目具有很好的区分度,能把不同层次的考生区分开来。 

  可以说物理实验的重要性通过高考试题得到较好的体现,学生的创新思维与实验能力通过高考实验设计也能得到很好的考查。再对照其他省市的高考试题,也能够看到这些特点,这也是我们的进行实验教学的一个方向。 

  二、目前高中物理实验教学的一些情况 

  这两年我在高三级担任物理科教学工作,每次测试结果出来后,学生在实验题的完成情况都是我分析的重点。下面列举了学生经常出错的4种情况,从中就能够看出一些问题: 

  (1)对“有效数字”相关的运算或估算,答对率很低。有的同学是把“保留两位有效数字”理解为“小数后两位”,而运算部分则往往出现单位的换算、数量级的运算错误等。 

  (2)没能掌握好螺旋测微器、游标卡尺、毫米刻度尺等测量工具的使用方法。有的学生对测量工具的结构原理不了解,给出莫名其妙的读数。大部分学生的主要问题是分不清楚测量数据估读到哪一位。像螺旋测微器的读数,经常出现了“0.21mm”、“1.10mm”等读数。 

  (3)未能很好掌握电流表、电压表、滑动变阻器等实验仪器的使用方法,表现出来就是实验的连线和读数出错率很高。例如考查连接实物图的时候,经常就有学生把线连接到滑动变阻器的滑片上。 

  (4)与纸带有关的测量问题,这类题目从高一开始就做实验,并经常讲和练,但学生仍然经常出错。例如在“利用纸带求加速度”的实验题中,学生答题时用“计算各段加速度求平均值”代替“逐差法”,或只计算一段,反映出学生不理解“逐差法”的作用。 

  很多次测试的结果都表明,高三学生的实验能力是个弱项,实验的基本技能依然掌握不到位,设计和完成实验的能力更亟待提高,对普通学生来说设计型的实验题“满脸杀气”、“望而生畏”。 

  出现这种情况,我认为主要原因是: 

  目前实验教学中还普遍存在着教学方法简单化、实验过程形式化、实验结果唯一化的现象,学生的物理思维、实验方法、探究能力得不到预期的培养,从而导致学生实验设计能力普遍较弱。 

  另外,大部分省市采用“小综合”或“大综合”模式之后,导致物理教学课时变少,实验课时被压缩。由于物理教学课时的限制,有些教师放弃了某些课堂演示实验,甚至一些必须由探究实验得出结论的新课,也被简单的“说过去”;有些教师认为“做好一个实验不如讲好一个实验”,变物理实验课为师生“纸上谈兵”课。 

  教师在教学中对实验这样的处理,会在学生中造成相同的认知,直接导致学生重理论、轻实验、轻探究,学生以“背实验”代替“做实验”,其实验技能必然得不到提高。 

  君不见,由于实验题在高考中的重要地位,很多学生把物理考纲列出来的11个实验的实验目的、原理、步骤、注意事项、数据分析处理等等内容一遍遍复习、死记硬背,花在上面的精力不少,但效果却不明显。 

  三、物理实验教学的备考建议 

  针对目前学生实验能力的掌握情况和高考的改革趋势,我提出以下的建议: 

  1.重视实验基本功的训练,培养学生实验基本操作能力 

  物理实验基本功是指实验的基本理论、基本方法和基本技能。实验基本功的训练主要是在高一阶段,教师要充分重视课本的每一个演示实验和分组实验,中学物理教学大纲要求的分组实验一定要做。 

  一方面,教师要注重演示实验的规范性。物理演示实验本身就是技能的展示,具有很强的示范性,教师演示时的一举一动会成为学生独立操作时的依据。教师做课堂演示实验前应先多次演练,力求操作演示规范、熟练、完整,确保课堂上效果明显,一次成功,使学生信服。对较复杂的实验,还可利用多媒体的仿真实验作为辅助,逐步展示真实实验的动态过程。 

  另一方面,在做分组实验之前,教师要求学生必须对本次实验原理、所用实验器材、实验步骤能清楚了解(当然学生能够自己设计出来的更好),要求每个学生都动手参与到实验操作中,并如实记录实验的原始数据,等等。这些分组实验对于训练学生的实验基本功、规范学生的基本实验操作具有重要作用 

  例如通过“研究匀变速直线运动”这个分组实验,训练了打点计时器的使用方法,知道了两种打点计时器的工作原理和主要结构,学会了通过打出的纸带判断物体的运动状态,以及如何求解速度、加速度,会用有效数字表达直接测量的结果。学生拿自己辛苦劳动之后得到几条纸带来分析小车的运动,能更形象具体的理解物理规律,极大的提高了学生学习物理的信心和兴趣。 

  条件允许的学校可以在课外开放实验室,给学生更多的时间和空间来动手做实验。比如,学生想做实验了,就向老师提交实验申请书──包括实验的名称、目的、原理、器材和预约的实验时间,然后教师从实验的可行性、实验室仪器的准备情况等方面考虑学生的申请,给学生安排具体的实验时间和地点。而学生则可通过查阅参考书、约请同学或约请教师来指导等途径认真做好每一个实验,切实提高实验能力。 

  2.设置实验新情景,提高学生的设计和完成实验的能力 

  纵观近几年的高考物理实验,力学和电学既是考查的重点也是难点。主要特征是:电学为主,力学为辅,兼顾其他;既重基础,尤重迁移。比如测电阻的实验几乎年年考,题目年年翻新,角度常常变化。虽然实验的情景很新颖,但实验试题中涉及的基本知识和实验技能的要求仍然立足于课本实验。 

  比如2010年广东理综试卷中,第34题第(2)小题,围绕“利用电压表和电阻箱测定干电池的电动势和内阻”展开,这是高考考纲中明确要求的实验,不过提供的实验仪器与教材上有所不同。题目中巧妙地引入了“电阻箱的读数”、“电压表和电阻箱测电阻”、“闭合电路欧姆定律”、“补充实验步骤”、“连接实物电路图”、“分析实验误差”等实验技能和相关知识的考查,在一定程度上体现了三维课程培养目标中“知识与技能”、“过程与方法”的要求,对理综模式下的物理实验的教学和备考很有启发作用。 

  因此在复习时要注重教材上的实验。教师可以从教材中选取一些典型的实验,在同一个实验中设置新情景,引导学生将已经学过的物理知识和实验方法迁移到新情景中,根据实验目的和提供的仪器设备,开动脑筋设计方案进行实验。既通过多种方案的设计、论证等思维活动,提高学生的实验设计能力,又通过实验操作验证设计得合理性,提高实验操作能力。 

  例如“电阻的测量”的复习可按以下方式进行,设置新情景,培养学生的实验设计能力。 

  (1)复习伏安法测电阻的实验 

  实验器材:待测电阻Rx(用电阻箱,阻值为5Ω),学生电源、电压表(量程3V,内阻约3kΩ)、安培表(量程0.6A,内阻约1.5Ω)、滑动变阻器(最大阻值10Ω)、开关各一个,导线若干 

  由于电阻箱是精密的仪器,不能长时间通电。要求学生先设计出测量电路图,然后连接电路测量,最后通过测量结果分析安培表外接法和安培表内接法适用的对象。 

  大部分学生习惯的采用滑动变阻器的限流接法,从测量数据看,相比安培表内接法,安培表外接法测量出来的结果误差更小。 

  接下来把实验器材做了调整: 

  实验器材:待测电阻Rx(用电阻箱,阻值为150Ω),学生电源、电压表(量程15V,内阻约15kΩ)、安培表(量程100mA,内阻约10Ω)、滑动变阻器(最大阻值10Ω)、开关各一个,导线若干 

  学生经过简单分析,还是采用滑动变阻器的限流接法、安培表外接法来测量,但是在调节电压时感觉调不动了,有不少学生有了疑问。教师可以适时指出,待测电阻的阻值是滑动变阻器的最大阻值的15倍,滑动变阻器的限流作用不明显了,提出用滑动变阻器的分压接法来调节待测电阻两端的电压。 

  教师在这里可以进行小结:对电阻测量的实验电路中,一般先设计“测量电阻部分”的电路(包括待测电阻、电压表、电流表,体现测量的思路),再设计“提供电源部分”的电路(包括电源、滑动变阻器、开关,提供电压和电流);从“测量电阻部分”来总结安培表的内接法、外接法的理论依据以及使用条件;从“提供电源部分”来总结滑动变阻器的分压、限流接法的理论依据以及使用条件。 

  (2)重点训练“测量电阻部分”电路的设计 

  ①如果知道电表的内阻,怎样计算电阻的真实值?如何使用伏安法测量电表的内阻? 

  ②如果没有电流表(或电流表不合适),而有两块电压表(已知内阻)应如何设计电路测量电阻?反之呢? 

  ③如果只有电压表和一个电阻箱,应如何测量电阻?反之呢? 

  ……

   大家知道,物理是难学的,学习物理是辛苦的。而眼前这些学生在讨论、设计、完成实验的过程中,既有思维的碰撞又有实验的及时验证,他们的学习是主动的、快乐的。同时学生对伏安法、替代法、半偏法这些测量方法有了一个切身体会,也明确了如何设计一个测量电阻的电路。 

  教师在这里可以进一步总结:电学实验无非就是在电压U、电流I、电阻R、电动势E这几个物理量的测量上做文章而已,这是电学实验区别于力学实验之处。今后我们可以用类似的方法处理类似的探究性实验。 

  3.注重物理思想的总结,提高学生思维的开放性 

  每一个实验都有各自的设计思想,一个成功的实验,其设计思想总包含着对已有知识的灵活运用和创造性构思。引导学生领会前人的实验设计思想,是一条培养学生具有设计实验能力的有效途径。 

  比如,在做“验证力的平行四边形定则”实验时,为什么要两次把橡皮条的结点拉到同一位置?在做“验证牛顿第二定律”实验时,为什么要使长木板倾斜以平衡摩擦力?在做“验证机械能守恒定律”实验时,要验证 mv2=mgh,,为什么要选第一、二点距离为2mm的纸带?在做“验证动量守恒定律”实验时,被碰小球的质量为什么要小于入射小球的质量?还记得“控制变量法”吗……实际上所有的实验都要在控制上下功夫,实验的精髓就是“控制”。 

  再看另外一些例子,在做“研究匀变速直线运动”实验时,用打出的纸带上面的点数来计算时间,用点与点之间的距离来计算速度和加速度,在电学实验中,电流表用指针偏转程度的大小来表示电流的相对大小,历史上卡文迪许使用扭秤研究万有引力常量的时候,由于引力非常之小,他先通过测定力矩来测力,又通过石英丝的扭转角度来测力矩,再通过光点的移动来测定石英丝的扭转角度,这些就是“测量变换”。 

  再比如人们熟知的守恒定律,像能量守恒定律、动量守恒定律、电荷守恒定律,它们的出现不是偶然的,而是物理规律具有多种“对称性”的必然结果。 

  …… 

  诸如此类,不多列举了。 

  物理学不仅是自然科学的基础,也是人类文化的重要组成部分。在物理学发展史上,人们看到,实验发现和研究与理论探索是互补的,它们共同或交替的促成了物理学的进步。和杨振宁一起因发现弱作用中宇称不守恒而获得诺贝尔物理学奖的李政道教授,在1987年提出物理学家的两个定律:没有实验家,理论家趋于浮泛;没有理论家,实验家趋于摇摆。我们相信,只要广大物理教师能取得这样的共识,物理实验教学弱化的趋势必能得以扭转,物理实验必能发挥应有的作用。 

  【参考文献】 

  [1]李新乡、张军朋,《物理教学论(第二版)》[M],科学出版社,2009年第2版 

  [2]梁旭,《中学物理教学艺术研究》[M],浙江大学出版社,2005年第1版 

  [3]陈刚,《新编物理教学论》[M],华东师范大学出版社,2006年第1版 

  [4]王克强、潘玲珠,《通用物理实验》[M],中山大学出版社,2005年第1版

 
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