利用“探究小车速度随时间变化的规律”实验培养学生的动手能力和实验思维

汪志华

摘 要： 实验教学在高中教学中的地位举足轻重，实验在各地高考中属于必考考点；在实验教学中培养出的创新思维也是社会对人才需求的重要方面；通过实验锻炼将学到的课本知识应用于生活，让理论知识指导实践，也是教育的最终目的和根本出发点。所以，高中物理教学中的实验教学在整个教育体系中是很重要的一个环节，使这种要求和实验精神尽可能地在每一个实验中得到体现。

关键词： 实验教学 动手能力 创新意识 实验思维

在《人教版高中物理必修一》课本的前言章节中就有这样的描述：“物理学是一门实验课学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学。”高中物理教学大纲中也有要求：“学生实验的要求应该切实达到。有条件的学校应该增加学生实验的数目，特别是增加探索性的实验。教师要充分发挥学生做好实验的主动性和积极性，加强对学生的实验的引导。应该要求学生认真思考，手脑并用，既要独立操作，又要善于与别人合作。要教育学生遵守实验室规则。”

物理教学中，培养学生的实验能力，是物理教学的重要内容。所谓实验能力包含理论思维、科学观察和操作三个方面的因素，这三个方面因素是密切相关的，由这三方面因素的有机统一综合称为实验能力。

学生思维能力和动手能力是学生素质的一个重要方面，提高学生的思维能力和动手能力也是素质教育的重要一环。训练和提高学生动手能力，有利于学生在物理知识的内化过程中形成探究、创新的思维。如何通过课堂实验提高学生的动手能力和实验思维，本文从高中课本的第二个实验“探究小车速度随时间变化的规律”的教学中阐述笔者的做法和思路。

一、进入实验室之前的准备

（一）对进入实验室之后的行为规范做出要求，以便让学生养成遵守验室管理规范，爱惜实验仪器，保护实验环境，珍惜实验时间的良好实验习惯。

（二）对实验中使用到的仪器的结构和原理进行解说，以避免在实验过程中由于对实验仪器的生疏而造成对仪器的损坏，对仪器原理的掌握也能够让学生在实验中更熟练地应用手头的实验器材，从而得到更精确的实验结果和数据，更能让学生在实验中尽快进入实验操作过程，从而节约时间，使得学生在实验后有充足的时间进行实验的反思和总结中有效地提高实验效率。

本次实验中用到的仪器主要有打点计时器，纸带，小车，一端带有定滑轮的导轨，细线，勾码（可用重物或沙桶代替），刻度尺、坐标纸。整套装置如下图所示：

在这个实验中应该反复强调打点计时器原理及使用注意事项，因为打点计时器的纸带处理在高考是个不折不扣的高频考点，在平时的做题训练中也要加大训练的重视程度。

1.打点计时器分为电磁打点计时器及电火花打点计时器。

电磁打点计时器的电源为4～6V、50HZ的交流电源。而电火花打点计时器为220V、50HZ的交流电源。在实验之前交代清楚两种计时器的电源要求可以减少学生接错电源的情况，便能有效减少对实验仪器的损坏。

2.打点计时器在使用中的注意事项有打点之前检查墨粉盘，要先开电源再放开纸带，电源要连在交流电源等。

3.配套设备的相关注意事项有：连接小车和定滑轮的细线要水平，打点之前小车应靠近打点计时器，轨道调整水平等。

（三）对实验中的数据要求。

1.读数注意事项：本实验中使用的刻度尺为最小分度为1毫米的毫米刻度尺，应该注意读数时眼睛要正对刻度线，减少实验误差。另外在读数结果要保留到毫米位的下一位，而且在实验前应该强化训练一下毫米刻度尺的读数规则和方法。

2.数据记录：在实验中每次读数都要及时记录在实验前设计好的数据表格中，数据表格的设计应该做到直观方便，既能方便地记录又能方便我们取用数据用来计算，当养成良好习惯之后，学生自己便能掌握设计数据表格的方法。

3.数据处理：在实验之前应该将实验原理清楚无误地让每一个同学掌握，以便能在数据处理的时候灵活应用，因为数据的处理方法要遵循实验原理的要求。在本实验中用的方法有：计数点的选取，纸带上点与点之间距离的测量方法，某个计数点瞬时速度的计算，利用加速度的定义求取加速度的计算方法，利用v-t图像求解加速度的计算方法，等等。

（四）实验结束后的行为规范：要求学生在整个实验过程中保护好实验环境，不乱扔纸屑，不将实验过程中的废纸条随地乱扔；实验结束后将实验仪器整理好，关闭电源；在实验台的记录单上按实际情况签字；对破损的仪器与老师进行沟通更换；最后携带好自己的工具和课本，有序地离开实验室。

（五）对全班同学进行分组，并且让同学们按照实验的要求进行细化分工。在进入实验室之前，将实验的注意事项及需要注意的其他方面细致到位地教给学生，这样有利于学生在进入实验室之后能有序快速地进入实验的每个环节，尤其是对刚刚进入高中的学生而言，对学习习惯的养成有至关重要的作用，应该予以重视。

二、实验过程

（一）按照预先安排好的分组名单入座，先留5分钟时间回顾本节的实验原理，充分认识实验仪器，学习使用方法，为接下来的实验做准备。

（二）开始实验过程。

1.实验仪器的安装：把一端附有滑轮的长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在远离滑轮的一端，连接好电路。

在本环节中注意打点计时器的电源连接正确，注意判断导轨的水平，这些细节都会对实验结果产生很大影响。

2.把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过滑轮，下面挂上合适的钩码，放手后看小车能否在木板上平稳地加速滑行，然后把纸带穿过打点计时器，并把纸带的另一端固定在小车后面。

在本环节中要强调细线与导轨是否平行，学着判断勾码的重量是否合适，并且使用的纸带要求不能卷曲、折叠，在安装过程中要求在实验之前，小车要得位置要靠近打点计时器，并且让学生思考这样做的原因及不这样做的后果。

3.把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，然后释放小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一列小点，换上纸带，重复实验3次。

本环节中要给同学们讲解在打点计时器开始工作的时候打点频率不稳定，所以打点的时间间隔并不恒定，所以要先开电源，再释放小车。而且要注意检查小车的轮子是否安装好，因为小车的轮子最容易坏掉，而轮子安装不好会直接导致实验的失败。还要注意保护好小车的安全，在小车即将碰到滑轮的时候，要用手按住小车。

4.增减所挂的钩码，或在小车上放置重物，再做两次实验，每次实验打3条纸带。

实验进行到这里，实验的操作程已经算是基本结束了，实际操作中学生可能还有很多问题，会出错，我会在实验过程中走动检查，碰到同学们在实验中出错时及时进行纠正和辅导，比如在实验如何注意仪器的安全，在实验过程中分工的合理性，等等。

5.实验结束后，断开电源，将实验仪器放置归位。

在实验过程中一定要注意强调实验习惯的养成，在以后的实验中学生便能在用到打点计时器时主动检查打点计时器的墨粉盘是否还能继续使用，接触到导轨的时候便能自发地调整导轨的水平，自发地连接好打点计时器的电源，实验时便能自发地防止钩码落地及小车与滑轮碰撞，当小车到达滑轮前及时用手按住，等等。既能使我们未来的教学轻松有效，又能让学生在以后的实验中养成自觉纠错的好习惯。既能保证实验仪器的安全，又能保证在以后的实验有越来越好的效果，甚至在实验课堂上学到的东西能迁移应用于生活中，只要能将学到的知识灵活地加以应用，同学们便能发散思维，利用身边的一些小工具做一些科学实验。这样既能提高实验水平，又能激发同学们学习物理的热情和兴趣。

（三）数据处理。通过前面的实验过程，同学们便得到了打点的纸带：

1.纸带上舍弃掉开始的过于密集的点，从能清楚地分辨的点开始每五个自然间隔取一个点作为计数点，分别标记为0、1、2、3、4、5、6……如图：

在这个环节中让同学们思考：为什么每五个自然间隔取一个计数点呢？这样做的意义何在？对我们接下来的计算会带来什么好处？

2.用毫米刻度尺测量0点与后面各点之间的距离x，填写在下表的x这一栏：

在这一步中注意引导学生读数，提示学生精确到毫米之后的下一位。毫米刻度尺的读数是其他精确仪器读数的基础，将它的读数理解了，以后的千分尺等的读数将会省力很多，仪器读数也是高考的一个高频考点，熟练掌握也会使同学们的高考多一分保障。

3.利用上一步求出来的数据计算每两个点的距离△x■，△x■，△x■……

4.利用前面学习过的瞬时速度的求解办法v■=■计算第1，2，3，4各点的瞬时速度并计入表格。

5.将打下0的时刻当做零时刻，在上表中依次填入打下1，2，3，4，5各点的时刻。

6.根据表中的速度分析小车的速度随时间是怎么变化的。

在这一步中引导学生进行定性分析，从得到的数据可以看出来，随着时间向后推移的过程中，小车的速度随时间是增大的。可以将同学们的结果进行展示。

7.利用表格中的数据描点作图，做出如图所示的v-t图像。

作图过程如下：

（1）在坐标纸上建立坐标系，横坐标表示时间，纵坐标表示速度，并根据表中的数据进行描点；

（2）画一条直线，让描出的点更多地通过这一条直线，剩下的点均匀分布在这条直线的两侧；

（3）观察我们得到的直线，通过图像描述速度随时间变化的规律。

通过我们得到的直线，我们可以得到这样的结论：速度随时间是均匀增大的。

（四）对同学们得到的实验结果及图像在多媒体投影仪上进行放映，让同学们进行交流讨论，在此过程中可以请同学们踊跃发言，参与讨论，指出自己的小组和其他小组成功的地方，以及不成熟的地方，既激发同学们的求知欲和学习物理的热情，更使同学们的语言组织能力得到锻炼。

在整个实验过程中，我们始终要注意同学们在细节上的把握，这些细节的累积往往就是实验的关键，当同学们将各个细节的地方把握好了之后，也就是意味着同学能在实验过程中独当一面了；在实验中的许多细节也是高考的考点所在，比如仪表的读数方法，仪器的安装细节，实验失误对实验误差的影响，实验数据结果的保留，等等，这些方面的熟练掌握也能为各位同学们的高考成绩添砖加瓦；在分组实验时的分工合作对实验的成功和实验的效率也至关重要，比如在这个实验中有电路的连接，有仪器的安装，实验过程中有开电源、放纸带、保护小车、数据记录、数据计算，还有描点作图、结果分析等很多细微环节，要教育同学们在实验过程中既相互合作，又分工明确，为以后的复杂实验和未来的步入社会做准备。

三、创新实验设计

（一）在实验时打出的纸带挑出一条点迹清晰的，按照相同的时间间隔将纸带剪开，剪成一条一条的短纸条，然后将一端对齐，按照先后顺序粘贴起来，再用平滑的曲线将各段纸条最上端的中点连接起来，形成如图所示类似图像的一条直线。根据纸带的特点，便可以分析小车的运动情况了。

在讲解到这种方法的时候，请同学们试着解释，为什么这样的一个“图像”能够描述物体运动的速度随时间变化的规律呢？在同学们思考的时候也就是锻炼同学们发散思维的契机，在思考过程中既能将运动的特点和打出纸带的原理在大脑中梳理清楚，更能提高学生在应对创新题目时的敏感性，使同学们能触类旁通，慢慢地使解决问题的能力得到锻炼和提高。

（二）利用气垫导轨装置测量小车的速度随时间的变化规律。如果有条件的话，则在实验室可以利用气垫导轨做这个实验，比用传统的方法更精确也更现代化。在实验中可以让同学们积极思考，怎么样利用这个装置做这个实验，用这套装置做实验的时候比我们用传统的小车纸带打点计时器有什么优越性，在数据处理是应该注意哪些问题，等等。

在力学实验中加入气垫导轨考察也是近几年的高考实验题的热点之一，让同学们认识气垫导轨并且积极思考它的原理能够让同学们及早地学会应对此类问题，能使同学们的应试能力得到锻炼。不但提高动脑动手能力，而且让思维得到拓展。

四、实验结束后对实验过程及结果的反思讨论

在每一个实验结束之后，都要引导学生对实验过程及实验结果做出反思和谈论。根据我的经验，对于实验的题目，同学们是缺乏耐心和毅力的，因为实验题总是伴随大量计算及逻辑推理，所以在实验结束之后要对本实验中涉及的一些数据处理的技巧和运算方法给予总结和强化训练，尤其是对高考的热点问题要进行针对性训练；同时，要指导学生积极思考、发散思维，利用生活中的小工具、日常用品设计相似效果的小实验，这一过程不仅锻炼同学们的动手动脑能力，而且是对课本知识的升华和应用。比如这个实验我们可以让两个同学配合，一位同学模仿打点计时器的原理均匀地在纸上打点，另外一个同学拉动纸带，同样可以用这种简单的方法得到和实验室相似的结果。

以上就是我在《探究小车速度随时间变化的规律》这个实验教学中的一些做法和启迪。总之，作为教师，我们在教学中，尤其是在实验教学中，要随时培养学生的实验意识，动手能力，合作意识，以及发散思维。这样不仅能让同学们有更好的动手能力，让实验课更好地开展，而且能让同学们应对现在新颖的高考题目时能应对自如，给各位学子的高考添砖加瓦，也给他们未来的工作学习添加动力。

参考文献：

[1]人教版物理必修一课本.

[2]高中物理教学大纲.

[3]高中物理课程标准.

[4]鼎尖教案（延边教育出版社）.