關(guān)于談中學(xué)物理實(shí)驗的基本點(diǎn)

物理是一門(mén)實(shí)驗科學(xué)，而我們目前的物理教學(xué)基本上是停留在關(guān)于物理學(xué)知識系統的歸納和理論體系的闡述上，就連物理實(shí)驗本身的教學(xué)，也是按教材的分析按部就班進(jìn)行純理論講解，其弊端是顯而易見(jiàn)的。本文主要談?wù)勚袑W(xué)物理實(shí)驗的一些基本點(diǎn)。

一、實(shí)驗設計教學(xué)的注意點(diǎn)

1. 從小處著(zhù)眼，加強實(shí)驗設計教學(xué)

上海作為考試改革的試點(diǎn)城市，其成功的改革將為考試提供可能的改革方向，甚至一些新穎的題型和情境，都可能為考試所借鑒。無(wú)疑考試關(guān)于實(shí)驗設計的考查是又一個(gè)成功的改革舉措，極有在全國推廣的價(jià)值。而物理《考試說(shuō)明》中要求“會(huì )用在這些實(shí)驗中學(xué)過(guò)的實(shí)驗方法”，也為實(shí)驗設計的考查在全國的推廣提供了可能。

2. 從大處著(zhù)眼，加強實(shí)驗設計教學(xué)

著(zhù)名核物理學(xué)家錢(qián)三強先生在為郭奕玲、沈慧君編著(zhù)的《物理學(xué)史》所作的序中，曾嚴厲指出：“今天我們科學(xué)界有一個(gè)弱點(diǎn)，這就是思想不很活潑，這也許跟大家過(guò)去受的教育有一定關(guān)系……”我們常常教育學(xué)生“應該……”、“必須……”；我們的考試題目常常不惜筆墨描述背景、附加條件，最后只有一個(gè)小小的空格“是……”。這樣培養選拔出來(lái)的人才在學(xué)校是好學(xué)生，步入社會(huì )是好職員，大腦中只是機械地跳動(dòng)著(zhù)兩個(gè)問(wèn)題：“你要我做什么？你要我怎么做？”工作常?！巴瓿伞钡南喈斊?，但思想僵化，毫無(wú)創(chuàng )見(jiàn)。這正是我們的悲哀！長(cháng)期以來(lái)這種教育選拔模式，致使我們現在仍只能在很羞澀地提到幾個(gè)美籍華人時(shí)才有一種借來(lái)的榮光與自豪。

思想不活躍，是因為我們給了學(xué)生太多的“必須”的限制；思想僵化，是因為我們留給學(xué)生太少的“可能”的余地。實(shí)驗設計的教學(xué)，正是活躍思想，培養能力的一種好方法，授以實(shí)驗的基本方法，讓學(xué)生自己去考慮有哪些可能的做法，自己會(huì )怎么做。

二、實(shí)驗設計的基本方法

1. 明確目的，廣泛聯(lián)系

題目或課題要求測定什么物理量，或要求驗證、探索什么規律，這是實(shí)驗的目的，是實(shí)驗設計的出發(fā)點(diǎn)。實(shí)驗目的明確后，應用所學(xué)知識，廣泛聯(lián)系，看看該物理量或物理規律在哪些內容中出現過(guò)，與哪些物理現象有關(guān)，與哪些物理量有直接的聯(lián)系。對于測量型實(shí)驗，被測量通過(guò)什么規律需用哪些物理量來(lái)定量地表示；對于驗證型實(shí)驗，在相應的物理現象中，怎樣的定量關(guān)系成立，才能達到驗證規律的目的；對于探索型實(shí)驗，在相應的物理現象中，涉及哪些物理量……這些都是應首先分析的。

舉例來(lái)說(shuō)，要測定地球表面附近的重力加速度，我們就應檢索：在所學(xué)知識范圍內，哪些內容涉及重力加速度，它與其他物理量有何定量關(guān)系，并一一羅列出來(lái)：

（1）在靜力學(xué)中，靜止的物體對豎直懸繩的拉力或對水平支持物的壓力的大小都等于重力，即T＝N＝mg，若T（或N）和m能測出，則重力加速度g也可測定。

（2）在自由落體運動(dòng)中“h＝gt２/２”，若h和t可測出，則重力加速度g也可測定。 2. 選擇方案，簡(jiǎn)便精確

對于每一個(gè)實(shí)驗目標，都可能存在多條思路、多種方案。教材中關(guān)于某個(gè)實(shí)驗目標的實(shí)驗方案，也只是眾多方案中的一種，而且不一定是最好的一種，而只是較可行的一種。那么在眾多實(shí)驗方案中，我們應該如何選擇呢？一般來(lái)說(shuō)，選擇實(shí)驗方案主要有三條原則：

（1）簡(jiǎn)便性原則 即要求所選方案原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，各物理量易測。應盡量避免實(shí)施那些原理復雜、操作繁瑣和被測量不易直接測量的實(shí)驗方案。

（2）可行性原則 即實(shí)驗方案的實(shí)施要安全可靠，不會(huì )對人身和器材造成危害；所需裝置和器材要易于置備，不能脫離實(shí)際，不能超出現有條件。

（3）精確性原則 即不同的實(shí)驗方案，其實(shí)驗原理、所用儀器以及實(shí)驗重復性等方面所引入的誤差是不同的。在選擇方案時(shí)，應對各種可能的方案進(jìn)行初步的誤差分析，盡可能選用精確度高的實(shí)驗方案。

3. 依據方案，選定器材

實(shí)驗方案選定之后，考慮該方案需要哪些裝置，被測量與哪些物理量有直接的定量關(guān)系，這些物理量分別需用什么儀器來(lái)測定，從而確定整個(gè)實(shí)驗需要哪些器材。

例如，在“用單擺測定重力加速度”的實(shí)驗中，是利用單擺裝置來(lái)進(jìn)行實(shí)驗的，故需鐵架臺、細線(xiàn)和擺球等來(lái)組裝單擺。重力加速度可表示為ｇ＝4π２L/Ｔ２，周期需用秒表測定；擺長(cháng)L是從懸點(diǎn)到擺球中心的距離，因此需用米尺和游標卡尺分別測定擺線(xiàn)長(cháng)度L和擺球的直徑d。從實(shí)驗原理表達式可以看出，實(shí)驗與擺球質(zhì)量無(wú)關(guān)，故不需要使用天平。

當然，從實(shí)驗方便性和精確性角度考慮，還需對所選器材作進(jìn)一步要求，以期把系統誤差降到最小。如上述器材中，擺線(xiàn)的伸縮性和質(zhì)量應較小，擺球的質(zhì)量應較大；擺線(xiàn)伸縮性大，其長(cháng)度會(huì )隨拉力變化而變化；擺球與擺線(xiàn)質(zhì)量相差越小，系統（擺線(xiàn)和擺球）質(zhì)心偏離擺球中心越遠，誤差就越大。為了便于觀(guān)察，擺球振動(dòng)的路徑宜長(cháng)，但又要確保單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，故擺線(xiàn)宜長(cháng)些，常取1 m左右。

4. 擬定步驟，合理有序

實(shí)驗之前，要做到心中有數：如何組裝器材，哪些量先測，哪些量后測，應從正確操作和提高效率的角度擬定一個(gè)合理而有序的實(shí)驗步驟。對一些可直接測量的物理量，可先行測量；對需通過(guò)實(shí)驗裝置才能測定的物理量，須先組裝器材，再進(jìn)行實(shí)驗、觀(guān)察和測量。

總之，要改善中學(xué)物理教學(xué)現狀，培養思想活躍、有創(chuàng )新精神和創(chuàng )造能力的跨世紀人才，還需要中學(xué)教育工作者的切實(shí)努力。