回归学科本源 反思实验教学

杨军

[摘 要]根据《上海市中学物理课程标准（试行稿）》，结合《上海市高中物理学科教学基本要求（试验本）》，从实验教学的窘迫现状、演示实验的传承作用、学生实验的能力培养、 DIS实验的科技前瞻等几个方面入手，对物理实验教学提出改进的建议，并在教学过程中进行积极尝试和总结，旨在使学生能够从物理实验中得到更多的思维锻炼和能力培养。

[关键词]物理；实验；高考新政

中学物理是物理学的一部分，物理学是研究物质的基本结构、相互作用及最一般规律的学科，它是建立在实验基础之上的。几乎所有的物理概念、物理规律都来源于实验，同时又被实验检验后才能成立。要学好物理必须做好实验，要教好物理必须重视实验教学。

一、高中物理实验教学的窘迫现状

在高中的各门基础课程中，物理课在培养学生科学素质、思维品质与创新能力方面具有重要意义，而物理实验课更是在培养学生学科素养方面发挥着无可替代的作用。但是随着高考新政的实施，物理实验教学陷入了十分窘迫的境况。一方面，高考新政正在逐渐扭转传统教育导致的弊端和唯分数论的人才培养观，并试图减轻学生的学业压力；另一方面，考试与评价方式的改变（如物理实验技能的考查不计入任何高校招生分数），以及课时的大幅度削减，也使一些学生和家长，甚至包括一些教育界的领导和教师对物理的态度发生了很大转变，走向了另一个极端，认为物理不再重要了，对物理实验课的忽视则更加严重。面对这样的局面，需要重新思考物理实验教学的意义，与时俱进，探索通过实验教学提升学生学科素养的新途径。

二、发挥物理演示实验的传承作用

演示实验最主要的功能是传承，通过示范和学习，把最基本的物理思想和科学方法传递给学生。但物理演示实验不应只传承其方法，还应传承其精神。很多经典实验至今仍旧闪耀着智慧的光芒，在友善地唤醒学生的科技意识，照亮一代又一代青年学子攀登科学高峰的长路。但物理课本上的多数经典实验，从方法到过程、从仪器到装置、从数据到结论、从图像到公式等都太圆满无缺了，使人觉得科学家只要灵光一现便会诞生一个伟大的定律，久而久之，物理学家便被集体神话了，那些在实验中所经历的茫然无措的摸索、单调枯燥的重复、一次又一次的失败都被忽略了。因此，在实际物理实验教学中，有必要根据具体教学内容，拓展介绍物理学史，使学生了解每一个成功实验背后真实的演变过程以及科学家所历经的千难万苦，在此基础上再通过经典实验的演示和学习，逐渐渗透物理思想和方法，把物理实验的精髓传承下去。

以伽利略研究匀加速直线运动的羊皮纸实验为例。伽利略一开始在斜面上做实验，后来改为斜槽，斜槽不光滑，最后才想出贴羊皮纸的办法，让实心铜球从斜槽上滚下。当时尚无钟表，无法精准计时，为解决这一问题，他先是以自己的脉搏计时，结果不理想；后来又改为用音乐的节拍，还是不行；最后才想出一个“水钟”的记时法。即用一个较大的容器稳定地滴水，不断用天平称量水的质量来计算时间，测出铜球在斜槽上的位置与时刻，不断改变斜槽的角度，反复实验上百次，最终才得出结论：物体沿光滑斜面运动是匀变速直线运动，这种科学实验方法直到现在仍然在物理研究中被广泛应用。

每一个规律的得来都是科学家千锤百炼的结果，演示实验更是要遵循这个事实。并非所有的演示实验都一定要成功，有些实验受客观因素影响较大，比如“摩擦起电实验”受天气、温度、空气湿度的影响都很大，即便事先对电羽、橡胶棒、丝绸、毛皮等进行了必要的烘干处理，如遇潮湿恶劣天气也会使实验现象不明显，有时候甚至完全不能成功。这时一定要让学生知道，实验失败是很正常的，并与学生充分分析原因，再给学生播放一些事先录制好的视频或录像资料。

当涉及分子、原子等物理学的微观领域，一些经典实验如“粒子散射实验”等，无法在课堂上演示，也可以借助挂图和教材把原理、器材、方法、步骤、实验现象等一一介绍给学生，使学生领略其中的物理思想。如果能辅以仿真实验课件，将会使效果更好。只有讓学生领会了思想，掌握了方法，才能指导学生做好物理实验。

三、培养学生的实验能力

学生分组实验探究物理规律，要着重培养学生学会设计实验方案、控制变量、严谨规范地观察现象和记录数据，建立不怕失败的坚定信念，发展去伪存真的辨析能力，磨炼研究意志，提高思维品质。

例如，在“一定质量的气体温度不变时压强与体积关系”的实验中，根据测得的六组P（压强）、V（体积）实验数据，用计算机先画出“P-V”图像，但该图像为双曲线，无法直观看出二者之间的比例关系。这时可引导学生改变坐标轴，画“P-1/V”的图象，通过计算机拟合可得到一条直线，这说明P与1/V成正比，从而归纳出“一定质量的气体在温度不变的条件下，压强与体积成反比的结论”。理论上这根直线应该通过坐标原点，但几乎所有的小组都没有过原点。这时，可以让学生充分讨论，集思广益，最后发现：实验时输入的体积是通过注射器上的刻度得到的，并没有包含连接注射器与压强传感器的小软管的体积，直线在横轴上的截距应该就是小软管中体积的倒数。把小软管的体积减去后再重新输入数据，计算机拟合出来的直线基本上都能过原点了。

为了在课时被削减的情况下，充分地上好实验课，教师们可以从以下几方面进行尝试。一是采用单元教学法，把相关联的几个实验组合成一个综合性实验；二是开放学校实验室，事先分好组，充分利用课外活动时间做实验；三是把实验内容同科技节等社团活动有机结合，既丰富多彩又学以致用；四是改变作业方式，把一些小实验以作业的方式布置给学生，让学生以作品或实验报告的方式上交。总之，只要学生有兴趣，办法总是可以想出来的，时间也是可以挤出来的。

四、重视传统实验与现代科技的结合

最新的《上海市高中物理学科教学基本要求（试验本）》中，学生实验中的DIS（Digital Information System，数字化信息系统）实验数量有所减少，但课本中大多数演示实验仍然以DIS的形式出现，DIS引领物理实验新潮流的本质没有改变，这是因为其拥有传统实验无法比拟的强大的科技优势。

一是强大的物理图像描绘功能。如验证牛顿第三定律的实验，传统方法是用两个弹簧秤来完成，学生的观测在左边的示数和右边的示数之间来回往复，有时难免顾此失彼，观测得不够细致也不够全面。如果用DIS实验来完成，用两个传感器代替弹簧秤，作用力、反作用力的大小和方向等将实现同步详尽记录，这样作用力和反作用力的关系就能一目了然了（见图1）。同理，在学习“振动和波”的时候，对于声波的振动图像，传统实验只能依靠感觉记忆，稍纵即逝，难以准确记录。而利用声传感器记录声波振动图像，声波音频变化的大小（横轴）和振幅强弱的变化过程（纵轴）可以非常直观形象地呈现出来（见图2）。

二是强大的数据采集与处理功能。传统实验中学生的主要工作是装配仪器、规范操作、正确测量、精准读数、列表、描点、画图等具体事务，没有空闲进行推理想象，缺乏思维深度，从而影响了探究的效果。而DIS实验中，这些单调琐碎的工作都由计算机代替了，把学生解放出来进行推理判断、误差分析、修正和改良等。例如研究物体自由落体运动的规律，研究加速度与力和质量的关系等，可见DIS实验的效率优势。

三是高度的精确性与灵敏度。以 “电磁感应现象”的新课学习为例，学生们对于“导线切割地磁场磁感线是否能产生感应电流”很感兴趣，由于地磁场引起的感应电流很微弱，在传统实验中往往要兴师动众，用几十米的导线在室外进行，调试很多次，才能使灵敏的电流计做出反应。而DIS电流传感器的灵敏度级别非常高，即使在室内使用单匝线圈在地磁场中转动，也能清晰地捕捉并记录感应电流的变化。如用位移传感器测教室的长度时，可以精确到1厘米。

综上所述，面临新形势，面对新挑战，物理教师要把在物理实验中学习的主动权还给学生，引导他们积极探索、勇于创新，体验物理实验的乐趣，领悟物理实验的意义，在动手动脑中提升思维品质和科学素养。这是学生全面发展的需要，更是社会发展的需要。

（责任编辑 郭向和）