对优化和创新职高物理实验器材的思考

兰建中

摘 要：物理是一门以实验和观察为基础的学科，物理实验方法是人们研究物理学的重要手段。本文通过分析提出，作为新课程实验教学的教师应该对物理实验进行研究，合理优化实验教学，根据实际情况进行实验仪器的改进、创新和开发研究，力求达到实验教学的最佳效果。

关键词：实验教学 优化器材 创新

实验是物理的根本，实验效果是教学效果的保证，所以在物理教学中必须重视实验教学。通过优化和创新实验器材，利用现代技术，实现实验效果的最大化。教材对实验设置、安排体现知识的系统性、科学性，通过对实验教学的研究和思考，改变实验方法，充分利用身边的资源，提高学生兴趣，提升教学效果。

一、看课本对实验教学的选材与着力点

1.伽利略理想实验的“缺陷美”

伽利略是近代实验科学的先驱者，被喻为物理学中的“福尔摩斯”。在他对物体运动与力的关系研究的历史当初，人们研究的经验是：要使一个物体运动，必须推它或者拉它。根据这类经验，亚里士多德得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。

而伽利略认为，将人们引入歧途的是摩擦力，若没有摩擦力，物体将永远运动下去，但是在日常物体的运动中，摩擦力是难以避免的。于是他设想（图1），让小球沿一个斜面从静止状态开始滚下，小球将滚上另一个斜面，如果没有摩擦，小球将上升到原来的高度。若将后一斜面放平，球将永远滚下去直到回到原来的高度。这就说明，力不是维持物体运动的原因，而是改变速度的原因。作为物理实验教学的教师，如果仅仅停留在他思想的阐述和知识传授上，那是很遗憾的。

图1

首先，我们也不妨提出他的“缺陷”：第一，他选取的是两个随意性斜面，即使是光滑斜面，也不能回到原来高度，因为，当小球从一斜面滚下再滚上另一斜面时，底端没有圆滑曲面过度，所以不能避免碰撞的发生而导致少许能量的损失。第二，不可能把水平木板做得无限长，即“理想实验”。所以，在此实验的课堂教学过程中，必须要对其进行加工与优化；提出选用的是两个通过曲径比较大的圆滑过度曲面衔接的光滑斜面（如图2），再结合伽利略的思想进行合理外推。

图2

其次是他的“缺陷美”：一是他为我们提供的是钢性小球，而不是滑块，当球在底端圆滑过度时，既可以避免碰撞的发生，又使质点小球所受的弹力（向心力）不做功，结合他的思想进行合理推理，真是天衣无缝。二是小球在无限长水平面上不受合外力永不停息的运动，戳穿了亚里士多德的谬论。三是小球的无摩擦滚动体现了物体固有的属性——惯性：小球质点不受合外力，保持原状：看成加速度为零的质点平动；若考虑小球各个质点滚动（没有转动力矩，即M=Jβ=0，角加速度β为零），保持原状：角加速度为零的匀速滚动。即惯性原理的本质：

①F合=ma=0，物体力的平衡：静止或匀速运动

②M=jβ=0，物体力矩平衡：静止或匀速转动

所以，理想实验的“缺陷美”告诉我们：实验教学的真谛就是要通过合理选取实验器材与研究对象，优化构造，在实验的过程中掌握和运用基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，学习科学研究方法；力争创新，最终突出主要因素，忽略或弱化次要因素，接近理想，着力于物理原理的本质回归。

2.同一实验“变”与“不变”的商榷

实验教学的优化还可以从仪器上下工夫。我们可以通过改变其中某个或某几个环节，使实验优化，取得新的教学效果，做到同一实验中“变”与“不变”的完美结合。下面我们结合高中物理必修1与必修2的部分内容分析同一实验“变”与“不变”的合理商榷。

（1）探究两种实验装置同一探究结果达成的差异。2006年12月第2版的人教版采用了如图3所示的实验装置，从两个分力与合力对物体的作用效果——形变等效入手，最后试探性地用虚线把合力的力的图示矢量末端与两个分力的力图示矢量末端连接，发现了力的合成满足“平行四边形定则”，体现了探究这一主题，符合实验的开放性特点。而2004年5月第1版的人教版采用了如图4所示的装置，同样是从分力与合力对物体的作用效果——形变等效入手的，实验原理不变。但是力的测量是以钩码重力倍数计数的，所以分力不能随意调控或连续变化。要使“探究”成功，必须做到3、4、5等的钩码数（勾股数），即平行四边形的特例，否则不能做到让两个分力作用时，绳子在水平方向形变，即不能等效，导致此方法不是真正意义上的探究。因为它已经间接地要求学生初步懂得力的合成方法，之后再去验证。所以它不是探究，缺乏科学性，实验最终的着力点没有突破。可见同一实验，仪器选择“变”还是“不变” 的把握是非常重要的。

图3 图4

（2）平抛运动同一装置两种探究途径的权衡。对于平抛运动水平方向运动规律的研究，人教版新教材2004年5月第1版与2006年12月第2版教材采用的都是同一实验装置（图5），但是在问题探究方法上“各有千秋”。

2004年5月第1版的探究方法如下。

①通过实验，运用投影法与描点法描绘出小球做平抛运动的轨迹。

②在平抛运动的轨迹上找到每隔相等的时间间隔物体所对应的位置。

③测量两组相邻位置间水平位移，分析这些位移的特点。

而在怎样找到軌迹上每隔相等时间平抛物体所到达的位置时，教材给出了这样的建议：因为平抛运动在竖直方向上的分运动为自由落体运动，相对起点下落的高度h与运动的时间t的二次方成正比，即：，因此如图6，在竖直坐标轴上，从原点开始向下任取一个坐标为h的点，再找到坐标为4h，9h，16h……的点，过这些点做水平线与轨迹相交，交点就是每隔相等时间物体所到达的位置。

而2006年12月第2版给出的探究方法如下。

①通过实验，运用投影法描出小球做平抛运动过程中经过的位置5个以上（间隔不能太密），M1，M2，M3，M4，M5，……（图7）。

②用光滑曲线拟合小球做平抛运动的轨迹

③在建立的坐标系中分别测出点，M1，M2，M3，M4，M5，……的坐标（x，y）。

④利用公式求解各段时间内的水平速度进行对比分析。

前者方法对学生的预备知识要求要高些，必须知道初速为零的匀加速直线运动相邻的相同的时间间隔位移之比依次为1∶3∶5∶7：……。而后者对学生的预备知识要求较低，只要知道速度的定义与计算式就可以进行分析，对基础知识的落实具有优势。但是在知识的拓展与思维培养方面不及前者。面对学生，教师要以学生为中心，从学生的实际情况出发权衡探究途径，让探究的方法更加遵循学生学习与发展的心理规律。

二、优化和创新实验器材促进教学

从课本对同一实验的前后变化中发现编著者也在不断优化实验设计与方法、器材，使实验方法、原理更符合学生的认知规律，符合实际的探究规律。因此，我们在实验教学过程中更要根据学生的实际，不断优化各个环节，提高实验的效果。以下就优化和创新高中物理实验器材谈一谈个人的思考。

1.利用生活中物品优化和创新实验器材

如演示静电感应的实验，教材中用导体两端的金属箔是否张开来检验导体是否带电，直接把金属箔贴在下面，由于静电力很小现象不明显。通过反复实验，发现把“U”钩粘在导体两端，把金属箔挂在“U”钩上，金属箔能够自由活动，效果明显很多。但在市优质课评比中，发现一位教师用尼龙线挂在导体两端，这样效果更明显。原因是尼龙线即轻又软，有静电时张开明显，在没有静电时能够恢复竖直。

再如利用激光的单色性和相干性，用激光笔做光源，墙做屏幕，直接照射双缝，可以得到双缝干涉条纹。课后学生也可利用激光笔做光的直线传播、光在水中的折射、光在玻璃砖中的侧移、光的全反射等。利用医用废旧的输液瓶做匀速水流原理的演示器，可以演示平抛运动、斜抛运动。在干净的塑料油壶底上放置几粒小泡沫塑料，放于收音机的喇叭口上，当喇叭发声时，小泡沫塑料随之上下跳动，说明空气能传播声音，声波是一种纵波。由此实现了“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的境界。这样利用日常生活中的物体演示物理教学抽象的内容，使学生容易理解，还有利于学生创造性思维的活跃。

2.利用现代技术优化和创新实验器材

随着科学技术的不断进步，物理学家把一些新技术应用到物理实验当中，促进了物理实验和物理学的发展，作为一名普通的物理教师也可把一些现代技术用于高中实验，优化和创新更多的实验器材。

如利用工业中所用的大直流电，短路时电流等于40A，来演示同向电流、异向电流的相互作用；演示直线电流、环形电流周围的磁场，可利用三极管对霍尔电流的放大，使电流表发生偏转，让学生有更多真实的感受。

如对布朗运动的观察，对于实验现象，教师和学生是通过书本中的图片来认识的，对于真实的实验现象很少看到。可以通过数码摄像头来观察，让数码摄像头和电脑相连，并投影到屏幕上，让所有学生在第一时间看到布朗运动。此处我们使用了显微镜数码目镜、数码摄像头，这些都是当代新科技的产物。

再如，教材中“充电电流和放电电流使电流指针发生偏转”的现象不能够很好地引起学生的注意。如果在电容器充电的电路上安装几个功耗较低的发光二极管，在充电时，有电流流过电路，发光二极管就发光，发光亮度随电流强弱变化，可以清楚地显示充电时间的长短和电流方向；放电时，有放电电流流过另一侧的二极管，也能发光，直到放电完毕。这一装置还可以对大小不同的电容器充放电做对比，电容大，充电时间长，二极管发光时间就长，相应就短。此处我们用发光二极管，让现象更明显，更好地引起了学生的注意。

3.利用传感器优化和创新实验

有了传感器和电脑，可使更多实验得到优化和创新。如演示“力的作用是相互的”，通过力传感器把两作用力的关系清晰地反映在电脑F-t图中，大小始终相等，方向始终相反。

如利用位移传感器和电脑绘制简谐运动位移-时间图像。

再如“用力传感器探究向心力”这个实验装置是利用学校现有的向心力演示装置改装而来，利用光电门传感器测量物体做圆周运动的周期，得到角速度；利用力传感器测量绳子拉力的大小，得到向心力大小。以此来研究物体做圆周运动需要的向心力、角速度、半径之间的定量关系。

沿着这样三种方式来开发和优化更多的实验器材，让它更加适合于学生的学习，可以有效提高教学效率。在优化实验教学的其他环节，如实验教学的理念、原理、方法、数据处理和误差分析等，还有更多的空间去一一探索和落实，相信沿着这条路，一定能够把实验教学提高到一个新的台阶。

教师要始终坚持“实验优先”的原则，创造一切条件为学生开设可以进行的实验。值得注意的是，当前中学里多媒体教学非常盛行，虚拟实验、网络实验，用课件来代替实验，甚至就用虚拟的实验室代替了学生分组实验。但这样不能够真正体会探究过程，降低了学生学习物理的兴趣。高中物理教學的最终目标是培养学生具有终身学习的愿望和能力，掌握适应时代发展所需要的基础知识和基本技能，学会收集、判断和处理信息，具有初步的科学与人文素养、环境意识、创新精神与实践能力。因此，我们只有优化实验教学，才能切实提高物理教学的实效。

参考文献：

[1]郑蓉梅.开发奇妙的物理实验资源[M].北京：北京师范大学出版社，2005.

[2]柴宏良.重走科学家探索之路[J].中学物理教学参考，2007（3）.

（作者单位：湖州市技师学院）