几个关系问题 南京师大 刘炳昇 njliubsh@263.net 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 njliubsh@263.net

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？ 点击视图播放： 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。

直杆上下落的小环 点击视图播放： 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？

讨论自行车转弯的原因 v 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。 v α f f’

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。 f

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 Q Q

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，Q1 C2，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？ L d 图9 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。

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？

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？ 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？ 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。

只要自然科学还在思维着，它的发展形式就是假说 ——恩格斯 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。

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； 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、仪器原理的推演认识等，给学生带来困难和分散，因此作为探究加速度与力和质量的关系的建构性实验并不是很合适的。

对斜面间接转换方案的评价 但作为一种补充，或学生的实验研究课题，还是较好的。 提出的实验方案是否一定要“仪器化”，即把间接测量的数据都在仪器上刻出，这也是值得商榷的。 教学中选择什么实验要看具体情况，包括在何种学习阶段、达到什么目的、实验的误差有多大等等。考虑误差只是其中的一种因素，有时还不能面面俱到。

（三）实验技术的创新 及其与传统实验手段的关系

现代技术在实验中的应用 在物理实验教学中应用现代技术是时代性的反映与要求，将现代技术与物理教学整合是物理课程发展的必然趋势。 1．数字化信息实验系统的应用 2．摄影、摄像技术在实验中的应用 3．网络支持探究实验的应用 4．其他现代技术的应用

取长避短，优化实验教学 教育是以人的发展为目标的，因此应用新技术必须考虑学生的心理特点、认知特点、具体目标等因素， 现代技术有自动化的特点，如果洽当的使用，可以提高实验的效率，但如果不洽当的使用，就可能削弱学生的思维活动和动手活动。 应充分发挥和利用现代技术的优势，优化实验教学，同时也要处理好现代技术与学生特点、传统实验手段的关系。

摄影、摄像技术在实验中的应用 应用数码相机进行闪光照相的实验研究； 应用数码相机做光的色彩的实验； 应用摄像机摄制视频图像，进行分析研究； 应用摄像头显微摄像，播放微小现象，如布朗运动、密立根油滴实验、泊松亮斑等； 应用摄像技术进行微重力实验等。

小球自由下落的视频截图

布朗运动的显微摄像

物质性质与物质结构的关系 —一个生动的实验

提倡随手取材 应用自制教具做实验

随手取材和自制教具的实验不是权宜之计 这是由它的特点决定的，因为用这种资源实验使学生感到亲切，能吸引学生积极参与； 常常出于教师的创造，能满足教学的需要； 常常体现“小实验，大智慧”，蕴涵着创造教育的因素，另外成本也比较低廉。 这些特点体现了教育现代化的思想精髓。因此，这类资源会随着技术的发展而发展，不会随现代技术的发展而消亡。

随手取材做实验

气体压强微观机制的模拟 指示针 小珠 斜槽 撞击靶

随手取材的简易实验 用可乐瓶滴水体验打点计时实验 用纸笔直尺做运动合成的实验； 用手感做力的分解实验； 用橡皮筋体验做功与内能变化的关系。

三、开发实验校本课程等的建议 根据学校的具体情况采用适合自己的形式。 趣味物理实验讲座； 开放性趣味物理实验； 网络支持实验课题探究。 建立实验研究团队，开展具体实验研究的展示交流活动。

案例：观察烧杯里的一条鱼

这是从前上方拍到的一张照片 请描述你看到的现象。 提出一个你感兴趣但不能回答的问题。

观察与思考 看到水中有三条鱼，不，是四条鱼。 为什么有三、四条鱼？ 看到上数第二条鱼最小，这是为什么？ 看到最下一条鱼似乎是腹部向上的，这是为什么？ 看到最上面的鱼与其他的鱼左右相反，这是为什么？ 看到最上面一条鱼非常靠近水面，这是为什么？

描述并分析你看到的现象

描述并分析你看到的现象 你看到什么现象？ 看到的现象有什么特点？ 现象是怎样产生的？ 能否画示意图进行简单的分析？

以鱼身上的点A为光点做示意图，定性说明 A发出光线经过容器底面反射，再从水中经透明圆柱面折射到空气中进入人眼，成虚像在①处； 眼睛 A ① ② ③ ④ A发出光线经过容器底面反射，再从水中经透明圆柱面折射到空气中进入人眼，成虚像在①处； A发出光线从水中经透明圆柱面折射到空气中进入人眼，成虚像在②处；

定性说明 A发出光线在水中传播，经水平面折射到空气中，再传播到人眼，成虚像于③处。 眼睛 ① ② ③ ④ A发出光线在水中传播，经水平面折射到空气中，再传播到人眼，成虚像于③处。 A发出光线在水中传播，经圆柱面反射，改变方向仍在水中传播，再经水平面折射到空气中，再传播到人眼，成虚像于④处。

横向特点的分析 柱面折射的分析 柱面反射的分析 A A ’ A B B’ A’ 图9 圆柱面反射 水 空气

探究海狮戏球的奥秘 —从黑箱到灰箱，再到白箱 案例 探究海狮戏球的奥秘 —从黑箱到灰箱，再到白箱

海狮戏球的探究 器材：海狮玩具（海狮和小球），大头针，小磁针，小磁铁。 把小球放在平台上，再放上海狮玩具，以海狮的正面去接近小球。

课题要求 你看到了哪些现象？想到什么问题？ 请猜测一下，海狮内部和小球内部可能有什么样的东西？ 请猜测他们的结构模型。 请用实验证实你提出的结构模型。 请分析海狮戏球产生这种奇特现象的原理。 你在探索过程中是怎样思考的？遇到了哪些矛盾，是怎样解决的？

一般学生的探究过程 较多的学生能够用大头针或小磁针接近或接触小球发现小球内的磁铁是放在球球下部的，他们也感觉得出小球的重心是偏在球心下方的。 于是得到如图的小球结构。 图2

海狮内的磁铁是如何放置的？ 较多的学生是从竖直放置的猜想开始考虑的，当海狮接近小球时，两个磁铁的作用是相互排斥的， 由于小球与台面接触点存在静摩擦，因此小球将要向顺时针方向转动， 如果小球获得转动的角加速度较大，转到两磁铁的一对相异磁极较近时，小球就不可能再转下去，并且要被海狮吸引。 F 图3

提示：是否可用一磁铁代替海狮尝试呢？ 学生又假设海狮内磁铁磁极的轴线是水平放置的，同样也推不到实际所看到的现象。 学生用一个磁铁（称外磁铁）以不同的方式接近小球，发现只要使竖直放置的外磁铁稍偏转一个角度就可以使小球出现前面看到的现象了。

回答为什么的问题 N’ S’ N S A F ω 图4

回答为什么的问题 A方向投影 N N’ S’ S F （a）磁力矩使小球逆时针偏转 （b）小球偏转后磁力的作用点偏离中轴线 图5

做一个类似的小玩具 在大致了解海狮戏球的道理后，教师可以布置学生自己动手做一个类似的玩具， 这个玩具的名称为“照镜子跳舞的小女孩”

研究水果电池的电动势和内电阻

参考资料（刘炳昇主编） 中学物理教师专业技能训练---高等教育出版社 中学物理实验教学与自制教具---上海教育出版社 科技活动创造教育的原理与设计---南京师大出版社 国家教学仪器研究所主编、刘炳昇编著，高中物理课外实验，人民教育出版社