充分认识中学物理实验的教育功能（下），本文主要内容关键词为：充分认识论文,物理实验论文,功能论文,中学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
四、设计和实施实验计划，培养学生的运筹能力
执行计划的能力是一种重要的实际操作能力。一项计划能否取得成功，不仅要求计划本身必须设计得科学合理，还要制定周密的实施方案。完成物理实验，首先是要在实验设计的基础上安排实验步骤，再将实验的计划转化为可行的实施方案，这二者是不同的，因为科学性并不等同于可行性。科学性只需要有正确的理论作为基础，而可行性则要受到来自各个方面的诸多复杂因素的制约，如理论的、技术的、环境的甚至人的主观心理方面的因素等。应注意的是，在实验进行过程中产生的诸多不确定的因素的影响，常是决定实验成败的关键。
执行计划包括在实验过程中，包括应当先完成什么，后完成什么，怎样安排才最省时、省力、高效；每一步骤所解决的突出问题是什么；在执行每一步骤时，可能出现什么问题，什么样的现象才是正常的和合理的；如果出现了问题，应当采用什么应急措施；等等。问题的关键是处理好实验方案的科学性与可行性之间关系的问题。其次是解决在实验过程中不断出现的问题。要有应变的心理准备和对可能出现的问题与现象的预测，及时判断和解决出现的问题，以保证实验的正常进行。学生在缺乏做实际工作的经验时，常常不能合理地安排实验操作步骤，在执行计划的过程中容易出现步骤上的混乱。
实际中并非理论上正确的都是可行的，一个典型的例子就是电流表的扩程电路的设计。图2所示的电路在理论上完全正确， 且原理易于理解，但是在实际中却是不可行的，因为开关接点的频繁通断造成接触电阻无法控制，这不仅造成了测量的严重误差，而且直接影响到电表的安全。实际中可行的设计方案如图3所示。
热力学过程的迟豫性，使做量热学实验往往能有效地培养学生的计划运筹能力。这是学生非常缺乏的但必须经过训练来提高的能力。学生在做实验时，往往不是事先缜密考虑了实验步骤后再开始操作，而是从使用最熟悉的仪器开始：调节天平、连接电路、调整电表的机械零点等。他们没有意识到，测量水的初始温度需要等待一段时间，那些工作完全可以在这段时间内完成。实际中，通常只有少部分的学生是事先考虑好了实验步骤才开始动手做实验的。
缺乏计划性是学生在初学做事时常出现的问题。学生在做“碰撞中的动量守恒”的实验时，我们常能够看到这种情况：学生精心调整仪器，并在白纸上认真确定好O点、P点和直线OP，万事俱备后开始使两球碰撞，结果没想到，被碰球一下飞出了纸外，无法记录其落点的位置，于是前面所做的大部分工作均告作废。（文中字母符号的意义参见《高中物理读本》第一册第258页。）
在科学实验和科学探究的过程中，失败往往是难以避免的。尽管在中学做实验是允许失败的，但是我们应当要求学生尽量减少失败的次数以至避免失败，因为在他们将来所从事的实际工作中，失败所带来的消耗可能是巨大的、难以负担的，所造成的损失可能是无法弥补的。这样就需要实验者事先尽可能精心设计实验过程中的每一个环节，做到“运筹帷幄，决胜千里”。
学生对实验方案考虑得越细致，实施计划的步骤越周密，在实验中对异常情况就越敏感，越具有洞察力，越具有应付突发事件和解决异常问题的心理准备和能力。做实验与做物理习题的最大差别，就在于实际问题没有给定已知条件和要求解答的问题，没有现成的标准答案。“解题条件”就是在实验过程中所暴露出的各种实验现象。它往往不像解答习题那样，条件非常清晰明确，不多也不少。实验者必须关注在实验过程中所显露出的每一个现象，对任何蛛丝马迹都不能轻易放过，并根据自己对实验方案的理解和把握，准确地判断哪些现象是属于正常的，哪些现象是属于异常的，根据现象的特点，自己寻找和分析产生这些现象的原因。对异常现象的判断与分析，是一种典型的“黑箱方法”。
对电路故障的判断与分析，是一种典型的黑箱方法。在一个连接好的电路中，有意地将某一处短路或断路，让学生判断并排除故障，这是培养学生发现异常情况和解决实际问题的行之有效的方法之一。例如在图4所示的电路中，移动滑动变阻器的滑动端P时，电表均有示数，但示数变化不够明显（电路中的各仪器的参数已经明确给出）。让学生分析这是否属于异常现象，如果属于异常现象，原因是什么，应当如何排除？学生只有正确理解分压电路的特点，才能找出造成这种异常现象的原因。
五、培养学生分析、解读实验数据，总结、归纳实验规律的能力
中学物理实验大部分是定量实验，学生需要分析和处理各种实验数据。在中学物理实验中，最常用的处理实验数据的方法是运用图表、图线及拟合线性方程。这些方法不仅是研究物理问题，也是研究各种实际问题（包括社会、经济甚至人文科学）最常用的分析方法。
在开始学习处理实验数据时，学生往往不会自觉运用各种图线分析问题和描述规律。学生总认为计算比画图得到的结果更准确。他们总习惯于测出两组数据求解联立方程组，因为数学上是用两个点确定一条直线。但在处理物理实验数据时，我们不能用两个数据点确定一条直线，因为物理实验或解决科学问题有减小实验误差，提高实验结论可信程度的客观要求，而拟合图线可以有效地减少随机误差。学生接受图线法并自觉地利用图线来研究问题，需要经过一段时间的训练，他们要经过多次的使用才能逐渐体会到图线法的优点。自觉地将数与形结合起来并用之分析问题，这是一种重要能力。
学生对于数学中的各种图线是熟悉的，但他们缺少如何更加有效地运用图线解决各种实际问题的经验。一个典型的例子是学生在“测定电池的电动势和内电阻”的实验中所画的U－I图线。由于通常路端电压的变化不很明显，学生开始时往往根据实验数据，直接将图线画成图5 所示的形状，显然这样的图线没有能使坐标纸得到充分利用，他们不知道应适当选取坐标的起点，将图线画成图6所示的形状， 这是一种资源的浪费。怎样确定标度使得图线与实验数据的测量精度达到最佳匹配，怎样选取坐标的起点以使有限的坐标纸得到最充分的利用，怎样更加充分地发挥条件、设备的功用等，这是一个人在处理实际问题时必须具备的资源意识。
教材里应当更加重视图线法的应用，因为图线法是一种重要的普遍应用于各个领域的科学研究方法。特别是利用图线法可以直观地反映出两个物理量之间的关系，这是理解和发现规律的重要方法。
用自由落体仪研究落体运动。将第一个光电门的位置固定，移动第二个光电门，使物体下落不同的位移并测量所需时间。物体经过第一个光电门时的速度很小。
第一个光电门的位置坐标：x[,0]＝5.0cm
第二个光电门的位置坐标(cm)15.045.095.0 165.0
经过两个光电门所用时间(ms)142.9
275.8 430.2
573.1
由于采用光电计时，时间可显示四位有效数字。正是因为过于“精确”，使运动的规律性呈现得不够明显。但是如果拟合图线，物体下落的运动规律就显而易见了。
六、培养学生对数量的感悟能力和速算能力
提高对数量的感悟能力，培养快速估算能力，也是中学物理实验的重要任务之一。估算能力是一种非常重要的运算能力，在处理实际问题时随时要用到。它除了同计算问题有一些共同之处外，还需要在运算过程中，根据正确的理论依据，大胆进行近似约简，简化运算过程，迅速得出结果。事实上，只有当学生对问题有深刻的理解和正确的把握时，才敢大胆简化计算过程。这是正确设计物理实验所必需的能力。在设计物理实验的过程中，估算的根据来自于实验者丰富的实践经验和对实验参数（包括实验仪器的有关参数）的了解，由此确定某些数据的合理分布范围、数量级等。具有较强的估算习惯和能力的人，才能在将来的实际工作中，对一些问题迅速做出判断。
例如测定直径为0.3mm、长约80cm的一段均匀铜导线的电阻。 一开始，学生们总以为有了电流表和电压表就能够进行测量。经过估算可知，这段导线的电阻大约是0.2Ω，这与连接导线时接触电阻的数量级相当。如果不采取措施的话，由于接触电阻所造成的测量误差可能会超过100％，当导线中通以0.5A的电流时，在导线上的电压降约为0.1V，如此小的电压用通常的电压表（量程为0～3V～15V）是无法测量的。因此，经过估算，我们知道了完成这个实验需要解决的两个关键性的技术问题：一是如何测量0.1V的电压，这需要改用直流微安表当作毫伏表测量电压；二是要在测量过程中减少接触电阻的影响，这需要将电流表的接点和电压表的接点分开。这样测量出一段有效长度上的电阻，再折算成整条导线的电阻。
七、培养学生操作各种实验仪器的能力，使学生加深对技术的理解，培养科学情感
科学与技术是相互促进的。科学探索离不开实验，实验的水平依赖于技术发展的水平；反之，科学的发展又为技术的进步提供了理论支持。科学实验仪器是人的感官的延伸。中学物理实验为学生提供了使用各种科学仪器和测量工具认识客观事物的机会。培养学生动手操作的能力是中学物理实验的重要任务之一。培养学生动手实践的能力，首先体现在学生要学会使用各种实验仪器。学习使用仪器，不仅仅是掌握通常的使用方法，还要了解仪器的参数以及可能在各种情况中的应用，从而掌握仪器在一些特殊的情况下变通的使用方法，并在可能的情况下对实验仪器提出改进的意见。学会使用各种实验仪器，使学生在动作技能上得到锻炼和提高，同时在心智层面上，使学生缩短了与科学技术的距离，培养和加深了科学情感。
科学情感是人在未来科学技术高度发达的社会中生存和工作能力的重要标志，它是一个人对科学技术的亲近感。具有科学情感，表现为一个人相信科学技术的力量，相信根据科学理论和技术手段所获得的信息和得出的结论的可信性。学习并使用科学实验仪器，了解实验仪器的功能与作用，了解仪器原理所涉及的科学知识，进而了解仪器设备的技术发展水平，是培养科学情感和知识运用能力的重要途径。培养科学情感，是培养未来人的重要任务和关键。
具有科学情感，表现为一个人愿意了解科学技术的发展水平，具有运用先进技术解决生活和工作中问题的自觉意识，具有不断改进技术状况的积极的主观要求，愿意接受新的技术带来的新的思想和观念，而不是将其拒之千里之外。培养科学情感是培养创新精神的前提。
用不同的方法测量电阻，是使学生体会技术与实验思想发展的典型实例，比如伏安法、比较（或替代）法、半偏法、补偿法、惠斯通电桥法，当然现在最简单、最准确的方法是使用数字测量仪器进行测量。从这些实验中，学生能够较好地了解和体会实验思想、方法和技术的发展、演变及不断完善的过程。
但是，生活中常见这样的现象：在商品市场中，手工制品的价值往往高于规模化生产的产品（其实这并非属于正常现象）。由此给人们造成的错误理念是崇尚手艺甚于崇尚技术，这种理念使人难以从繁重复杂的手工作业中解放出来。中国是生产自行车最多的国家，但自行车的组装至今仍停留在手工作业的水平，而结构远较之复杂的汽车的组装却早已在发达国家实现了全自动化。这一严酷的事实使我们无法否认，我们对技术的理解同一些发达国家相比仍存在着巨大的差距。
中学物理教学属于青少年的科学启蒙教育，实验的教学是一种典型的“主题教学模式”，每一个实验不仅是一个知识点，而且是一个“主题”。掌握知识是重要的，但更重要的是在解决问题的过程中得到锻炼，获得体验，在“做中学”。实际现象中所蕴含的信息量是无限的，可开发的教育资源是丰富的。因此，中学物理实验中蕴藏的教育功能是极其丰富的。但应当指出的是，仅就现行教材所规定的这些实验，要全面培养学生的实践能力是远远不够的。教师应当经过慎重的选择，适当增加学生亲自动手的实验，才能达到全面培养学生科学思想和综合实践能力的目的。