初中物理问题仪器的处理方式及教学探讨

黄葛鸿

摘   要：仪器本身带来的系统误差虽然给教学活动带来一定的困扰，但如果能利用好，其可取到较好的效果。如：在测量液体密度实验中，个别量筒存在“调零”的问题，对实验测量结果造成较大影响。教师在量筒存在问题的基础上，通过改进实验引导学生进行二次实验教学。从校准量筒，至提出实验改进方案，实现减小实验测量误差。学生从发现问题、研究方案、改进实验、应用课堂的二次实验，最终提高学生实验研究的能力。

关键词：仪器问题;二次实验;测量液体密度;实验方案改进;科学素养

在测量液体密度实验教学中，由于少数量筒示数的不准确，学生测量盐水的密度误差变大。如图1所示，量筒放置在电子秤上质量为91.0g（图a）;往量筒中倒入自来水（为了观看效果，水中滴入红色墨水）至10ml的位置（图b），电子秤示数为98.5g;继续倒水至20ml的位置（图c），电子秤的示数为107.9g;倒水至30ml的位置（图d），电子秤示数为117.7g。前10ml液体的体积测量不准确是本次实验误差的其中一个原因。基于此，笔者将量筒的这种现象定义为量筒制作时没有认真“调零”。学生所测量的实验数据由于仪器问题而带来的错误对学生各方面造成的负面影响较大。那么我们是将该类型的量筒直接换用还是另有用途呢？

“ ‘二次实验法”在生物学实验教学中的应用”[ 1 ]一文中指出，学生在经历整个实验探究过程中，发现实验测量结果存在误差或不足，教师引导学生进行改进再次实验，可培养学生的各项综合能力。在科学研究的过程中难免会遇到一些意想不到的意外，学生采用科学的研究方法分析和解决意外是其往后科研道路的必备品质。笔者认为，在本次量筒的意外事件中，虽然直接给学生换一个精度更高的量筒即可顺利完成本节课的教学，达到科学探究的方法的渗透。但是学生仅仅掌握一种方法而在具体突发事件中未及时运用，难免有些纸上谈兵。杜威认为科学是一种方法的训练，教育的目的随着生活的生长而生长[ 2 ]。因此，一节课的教学目标并不是不变的，它应该是随着课堂教学的成长而成长出的新的目的。故笔者认为可否在仪器误差的出现后，引导学生寻找问题进行二次探究，能够提升学生的科学素养。经课堂的教学实践研究，笔者以人教版初中物理实验“测量盐水的密度” 为例，介绍如何借助量筒本身设计的缺陷，改进实验探究环节，深入二次实验探究。学生亲自参与至实验，实验能力才能够得以提升，最终落实课程标准，提升学生的科学探究素养[ 3 ]。

1  反思数据 发现问题

1.1  实验器材

量筒（10ml～100ml），學生天平，烧杯（100ml），盐水（80ml）。

1.2  误差的发现

依据教材设计[ 4 ]，学生通过计算得出盐水密度。部分小组在0.6g/cm3～0.9g/cm3之间，部分小组在1g/cm3左右，引导学生自我反思：质量测量、盐水体积测量、数据处理、计算结果四个方面是否有误。

1.3  交流与合作

总结小组数据并展示，引导学生发现质量与体积变化的数量上相差较大。思考天平及量筒是否存在问题，提出仪器的检验措施。

2  研究问题 合理改进

学生分组探究，将物理知识应用到仪器的检验中，实现学以致用，提升学生综合应用能力。

2.1  实验器材

量筒（10ml～100ml），学生天平，烧杯（100ml），水（80ml），胶头滴管，电子秤。

2.2  天平的检验

引导学生用天平和电子秤分别测量相同的烧杯。质量相同，说明非天平质量问题。

2.3  量筒的检验

提出两种检验方案，学生分两个部分，各采取一种方案进行检验，得出相应结论。

（1）增加相同质量，比较体积。实验方案一：

①将量筒放置在电子秤上，用电子秤称量其质量;

②将量筒放置在电子秤上，往量筒中加水并用胶头滴管调整至水的质量增加10g;

③读出量筒中水的体积，求出增加水的体积;

④重复②③两个步骤3次。

结论一：第一次量筒中水的体积大于10ml，后面每次水的体积均增加10ml。

（2）增加相同的体积，比较质量。实验方案二：

①将量筒放置在电子秤上，用电子秤称量其质量;

②往量筒中加水至10ml刻线处，用电子秤称量量筒和水的总质量;

③逐次增加10ml水，并测出每次增加水的质量。

结论二：第一次加入10ml的水，增加的质量小于10g，后每次均增加10g。

总结：实验测量数据错误原因在于量筒的缺陷，量筒在10ml刻度线以下体积测量不准确，量筒刻度线在10ml～100ml范围内测量准确。量筒的此种现象可定义为量筒未“调零”。

2.4  提出改进思路

根据以上结论，引导学生得出改进方式。即进行精确测量液体的密度条件为量筒中预先装入超过10ml的液体，数据记录表格（以测量水的密度为例）见表1。

表1  测量水的密度数据记录改进表格

2.5  教师演示，指明方向

教师演示实验“用电子秤测量水的密度”，师生共同验证实验方案的可行性。明确整个探究环节，强化学生的实验探究能力，为学生分组实验做好技术性引导。

3  应用改进 及时提升

学生分组探究，依据改进方案重新实验。提高实验探究的严谨性，减小实验误差，训练科学探究思维。

3.1  实验器材

量筒（10ml～100ml），学生天平，烧杯（100ml），盐水（80ml）。

3.2  设计实验

改进方案重新设计实验测量盐水密度[ 5 ]。设计实验步骤及数据记录表格。实验步骤如下：

① 量筒中倒入部分鹽水，体积为V1;

② 测量烧杯和盐水的总质量m1;

③ 将烧杯中的盐水部分倒入量筒中，读出量筒中盐水的总体积V2;

④ 测量烧杯和剩余盐水质量m2;

⑤ 根据公式ρ=（m1-m2）/（V2-V1）求出盐水密度。

3.3  学生数据分析

依据以上步骤，学生实验测量的数据结果（选取两组）见表2。

表2  学生测量盐水的密度数据

经改进，班级学生共24个小组，其中18组数据在0.95-1.03之间，6组数据0.8-0.94之间。实验结果表明，在误差允许范围内，大部分学生的实验测量结果更加接近真实数据，故改进的实验方案能提升实验测量结果的精确率，减小实验的测量误差。

4  结语

改进的实验研究过程，实验环节变多，需要记录的实验数据增多，对学生的数据分析以及实验误差的分析和仪器的综合应用能力要求较高。部分学生在完成整个完整探究过程存在一定的难度，对学生探究能力提出更高要求。学生经历发现、反思、交流、研究、改进、应用、提升完整的实验研究过程，在分析仪器问题和解决问题过程中运用科学的研究的方法，提高了学生严谨的科学态度。本次测量实验，经历科学研究从发现到问题解决再到应用过程，促进学生养成良好的科学研究方法，提升了学生的科学素养。

参考文献：

[1] 赵静，李满，红尹爽.“二次实验法”在生物学实验教学中的应用[J]. 教学与管理，2015（7）：55-56.

[2]陈峰津.杜威教育思想与教育理论[M].福州：福建教育出版社，2015：72-94.

[3]周 岩. 6种版本教材编排“测量物体的密度”内容的比较[J].实验教学与仪器，2016（4）10-12.

[4]彭前程.义务教育教科书物理八年级上册[M].北京：人民教育出版社，2012：118.

[5]陈菊清. 利用天平和量筒测量盐水密度的误差分析[J].中小学实验与装备，2017，27（4）：6-8.