物理实验能力及其培养要素

林秋华

摘 要：中学物理实验能力，主要由观察能力、操作能力、独立设计实验方案能力、分析和处理实验数据能力等要素构成。培养学生的物理实验能力，是中学物理教学的根本任务，本文从中学物理实验的特点来阐述其相应的能力要求，提出了实验能力的四大要素及其培养方法。

关键词：物理实验；实验能力；要素及培养

物理学是一门以实验为基础的自然学科，离开实验，物理学就得不到发展。学习物理学研究的实验方法，培养严谨的科学态度，掌握一定的实验技能，提高物理实验能力，是中学物理教学的重要任务。 依据《普通高中物理课程标准（实验）》和《普通高等学校招生全国统一考试大纲》的要求，中学物理实验能力可以归纳为 6“能”3“会”，即：能独立完成《大纲》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、试验方法和实验仪器去处理问题，包括简单的设计性实验[1，2]。下面结合平时物理实验教学谈谈本人对重视和培养学生实验能力的几点看法。

1 观察实验现象的能力是实验能力中的基础因素

观察实验现象的能力，指在实验中正确选择观察对象，从观察对象中发现科学现象及现象间本质联系的能力。

实验离不开观察，观察实验现象的能力是实验能力中的重要因素。培养学生的观察能力，是培养实验能力的基础，要从平时做起、从细微入手，如教师在进行薄膜干涉演示实验时，要引导学生（1）有目的的观察： 让学生知道从哪个侧面观察，要观察什么？（2）精细的观察：观察彩色条纹中有哪些颜色，每条彩色条纹中各种颜色是怎样排列？上部和下部的彩色条纹宽度是否相同，彩色条纹宽度是否随时间变化等，（3）日常生活的观察：配合教材资源鼓励学生在日常生活中进行广泛地观察，如，生活中见过彩色花纹，那些是属于薄膜干涉现象？通过观察和思考，加深对物理现象和原理的理解，养成善于观察的习惯。

2 操作仪器设备的能力是实验能力中的核心因素

操作仪器设备的能力，指利用实验装置实现实验方案的能力，简称为操作能力。

实验离不开操作，掌握实验仪器是进行实验操作的前提，新的高中物理教学大纲中要求正确使用的仪器主要有：刻度尺、游标卡尺、电火花计时器（或电磁打点计时器）、弹簧测力计、秒表、天平、螺旋测微器、电流表、电压表、多用电表、滑动变阻器、电阻箱、温度计等13种，为了培养学生的操作能力，正确使用基本仪器，实验前要使学生了解仪器的构造原理，然后进行操作。例如，弹簧测力计使用前要观察它的量度范围和读数的有效值等；有时一个实验涉及几种仪器，必须先指导他们对仪器的合理组装。合理组装仪器的基本要求是：正确选择仪器，正确连接仪器，合理布局，便于操作和观察。如，对电学实验的要求是：（1）熟悉实验原理图，正确选择仪器，做到“可行、精确、简便” 。在选择电流（电压）表量程时，应首先估算电流值能否达到半偏以上，若实验要求电流（电压）从零开始连续调节，则调节到的电流（电压）最大值应超过半偏。欧姆表应选用使指针偏转在中心值附近的档位，以减小读数相对误差。滑动变阻器的选择要先考虑实验电路是限流接法还是分压接法，再估算其阻值大小；（2）对照电路图按照先干路、后支路、再电源的顺序正确连接电路。并注意电流表、电压表与电路的串、并联连接，滑动变阻器的正确连接。（3）布局要合理紧凑，导线连接牢靠，便于电键和滑动变阻器等仪器的调节和对电表进行观察、读数。

培养学生操作的能力，还要指导他们运用物理知识进行分析、检查和排除实验中出现的故障，例如，电学实验出现的故障较多，情况也较复杂，大致有导线内部断线、电表或元件内部损坏，导线或电键接触不良等，要教给学生检查故障的方法。

实验操作能力的培养并非一朝一夕，要依靠一定的理论知识为基础，有计划有步骤进行，除了大纲规定的学生分组实验外，还要适当将一些演示实验转化为学生动手实验，并关注其操作的细节，发现错误及时加以纠正，逐步养成规范的实验习惯。

3 实验设计能力是实验能力的关键因素

实验设计的能力，指根据一定的目的和任务，拟订实验方案、选择仪器设备、进行实验探索的能力。

设计实验方案的基本原则是：可行性、精确性、简便性。

可行性，就是要求所设计的实验要能达到预期目的。例如，电阻的测量，可利用多用电表、伏安法、伏伏法、安安法、替代法、比较法、电桥法等。又如，测定当地的重力加速度、可用打点计时器测量、滴水法测量、单摆测量等，采用何种方法要视具体情况而定。学生设计实验方案的能力必须建立在熟练掌握物理知识基础之上，为此，要加强对学生的物理基础知识教学，使学生掌握坚实的物理知识。

精确性，就是要求实验的误差要尽可能小、结果要尽可能准确。为此，应让学生了解误差的初步知识。从误差的来源看，误差可分为系统误差和偶然误差两种。如，上述的电阻测量，多用电表只能粗略测量，误差较大，实验原理较完善的是替代法、比较法和电桥原理。为了提高实验的精确度，仪器的选择十分重要。就测量的工具而言，测量工具越精密，误差越小，例如，用螺旋测微器测长度就比用毫米刻度尺精确。

简便性，就是要求所用的仪器尽可能简单，便于实验操作、调节。例如，做双缝干涉实验中，需要频率相同的单色光作相干光源。简便的方法就是让光源发出的光经滤光变成为单色光，单色光通过单缝后射向双缝，这时两条缝处的光振动频率相同，成了两个相干光源。更换不同的滤色片，就可得到不同的单色光。为了提高实验效果，此实验可采用亮度适当高的小灯泡或LED手电筒作为光源。

4 分析和处理实验数据的能力是实验能力中的综合因素

数据是进行科学分析的根据，是得出科学结论的基础。分析和处理数据的能力是指会对数据进行记录、分析、比较、处理、概括，从而得出正确结论的能力。高中物理数据处理主要有列表法、图像法、图解法、逐差法等。实验处理的方法多样、步骤繁琐、处理灵活，因此数据处理能力成为实验能力提高的重点也是难点。如最常用的图象法，它具有形象直观、动态过程清楚的特点。采用图象法分析和处理实验数据的步骤看似简单，但也容易失误，在高考试题中得分率一直偏低。譬如如何合理建立直角坐标系、描出实验数据点，如何绘出图象、总结规律， 哪个坐标轴表示自变量（因），哪个坐标轴表示应变量（果）？坐标的比例如何选取才能使图象在图纸上大小合适、因果关系清晰等问题，学生在具体实践时总是做不好。常见的伏安法测金属丝的电阻实验，若以加在金属丝上的电压U为横坐标，以通过金属丝的电流强度I为纵坐标，作出I-U图线是一条通过原点的曲线，由欧姆定律知，该图线的斜率是电阻的倒数。但多年来就是这根不起眼的线绊倒了多少不细心的考生！

规范作图，通过比较一些图线，可以得出“物理图象法中，图线斜率和截距往往代表一个物理量的数值”。

利用数学知识分析和处理实验数据还受到物理实验条件的制约。如测金属电阻率实验，加在金属丝上的电压值不能太大。欧姆公式R=U/I，也不能简单地认为“电阻与电压成正比”。这跟纯数学理论有本质的区别。因此，分析和处理实验数据能力的培养离不开扎实的物理知识。

综上所述，观察能力、操作能力、独立设计实验方案能力、分析和处理实验数据能力等是实验能力的重要因素，而动手操作能力是这四种实验能力中的核心，所以要多渠道、多形式地为学生创造实际动手操作的机会，培养其探究能力和创造能力。在平时的物理教学中，教师必须不厌其烦地研究实验教学方法，优化实验效果，坚持以实验为基础，使学生的思维能力和综合实验能力真正得以培养和提高。

参考文献：

[1] 2014年普通高等学校招生全国统一考试福建省理科综合考试说明 [M].福州：福建教育出版社，2014.

[2] 2014年普通高等学校招生全国统一考试大纲（理科，课程标准实验版）[M].北京：高等教育出版社，2014.