黄开智+陈野
摘 要： 物理实验教学是中学物理教学过程中的重要环节，体现物理学科的魅力，对物理概念的形成、规律的发现、理论的建立等方面起着重要的铺垫作用，同时也可以激发学生学习兴趣，投入到自然科学研究的“启蒙教育”.以“三个方法”和“五个原则”为依托，例析了如何突破中学物理的实验教学，旨在实现物理实验教学的最优化.
关键词： 实验教学；三个方法；五个原则
1 中学物理实验的基本方法
鉴于物理实验是一种研究活动，同时也是一种科学方法，它能够创造最真实、最少受干扰，保证过程以纯粹形态进行的物理环境.因此，在中学物理实验教学中，有丰富的科学方法因素存在，可以将其归纳为以下三类.
1.1 物理实验中的思维方法
物理实验中的思维方法主要有以下几种[1]：（1）分析法.解决实验中的各种问题，找出实验现象间的内在联系等，都要借助于定量与定性的分析.如探究向心力与哪些因素有关；（2）理想实验法.这种方法旨在真实实验的基础上，运用逻辑推理对实际的物理过程进行深入探索，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，进而在思想中塑造理想的过程并对其进行分析的方法.如牛顿第一定律的斜面实验就是典型的理想实验，再如黄开智在《刍议从教材内容到教学内容的重构》中的楞次定律的突破教学，也是典型的理想实验[2]；（3）物理模型法.作为一种常用的方法，它是在实验的基础上对物理事实进行一种近似与抽象的描述，常见的物理模型有质点模型、点电荷模型、电流元模型、理想气体模型等.
1.2 物理实验中的数学方法
运用数学工具，可以对客观规律作精练的概括.物理实验中经常用到以下几种数学方法：（1）几何图形法.如运动学的速度—时间图象、运动（或力）的合成与分解、振动的图象等；
（2）算术平均法.如测金属丝的直径、伏安法测电阻、测凸透镜的焦距等；（3）函数关系法.如弹簧伸长与外力的关系、温度计的刻度、归纳欧姆定律的数学表达式等；（4）表格法.如研究摩擦力与哪些因素有关系，相互作用力与平衡力之间的关系等.
1.3 物理实验中的设计方法
1.3.1 平衡法
许多测量仪器是根据平衡原理设计的.如天平、密度计、压强计、温度计等，一些物理实验如电桥测电阻，测定金属的比热等实验也都用到了平衡法.
1.3.2 补偿法
实验中由于某些原因会使需要满足的条件受到破坏，这時用某种手段对测量状态所受影响加以弥补，可以得到较好的结果，这种方法叫做补偿法.补偿法可以提高实验的精度.如电压补偿法弥补因仪表的接入而引起的被测量支路电压的变化，光程补偿法是弥补光路中光程的不对称影响.
1.3.3 比较法
通过比较一些物理现象或物理量，可以达到异中求同或同中求异的目的，这种实验设计方法称为比较法.如天平、电桥等仪器都是依据比较原理制造的.
1.3.4 放大法.
在实验过程中，有些物理量因太小而不能直接观测时，就要借助于声、光、电或叠加等方法，将其放大后再测量.例如，游标卡尺、显微镜等仪器的设计就是基于“放大”的思想.物理实验中常用的放大方法主要有光放大、电放大、机械放大等几种方法.
除以上几种实验设计方法之外[3]，在物理实验中常用的重要设计方法还有振动法、驻波法、干涉法、衍射法及光谱法等.
2 中学物理实验教学设计的原则
中学物理实验教学的设计，关键在于体现“探究”的本质特征，要从注重知识学习与技能训练转向注重学生的发展，因此，实验教学设计应遵循以下基本原则.
2.1 科学性原则
科学性原则是最根本的实验设计要求，指在物理实验设计过程中必须保证实验的设计不出现科学性错误，实验方案应有科学依据和正确的方式.
案例1 用音乐卡演示自由落体不受支持力[4]
为了说明重物在自由下落过程中（即完全失重的物体）对支持面的压力为零这种状态，原教材设计了如图1所示的方法进行演示.
在一平底吊盘C上放一个不小于500g的重物P，把一张薄纸带A的一端压在重物和吊盘之间，纸带应当尽量窄和不结实，要能在被压的一端不脱出的条件下轻易地被拉断.实验时，一只手把纸带的另一端按牢在桌上，另一只手提着盘的吊线B.第一次用手提着盘和重物慢慢下降，则纸带先被拉紧，接着就断裂了，这是因为纸带被重物压着的一端存在着静摩擦力的作用.第二次换一张同样的纸带，仍像第一次那样，一端压在重物P下，另一端按牢在桌上，但是提吊线B的手突然放开，使盘和重物同时自由下落，可以看到纸带不但没有被拉断而且完好如初，这是因为自由下落过程中重物不受盘的支持力，反作用力（即重物对盘的压力）也就消失了，使静摩擦力不复存在，因此纸带可以无损地脱出.
这个小实验受到桌子高度和合适纸带的限制，实际演示效果不好，即使纸带瞬时完好抽出，自由落体的整个失重状态过程不够直观，可做如下改进.
把重物P下面压的纸带A换成生日音乐卡片，外露发光二极管.卡上设置的开关处于自然状态时，开关闭合，二极管随着音乐的伴奏同时发出炫目的光，当有重物P放在它上面时，开关断开，音乐卡则“偃旗息鼓”.这样卡的开关直接受重物P的压力控制.同时，在吊盘C正下方放一块海绵用来接收和缓冲.
实验时，用手提着盘的悬线B慢慢下降时，“风平浪静”，说明重物P对音乐卡有压力的作用.一旦松手，重物和盘一起做自由落体运动，音乐卡随即响起来，这说明重物对音乐卡没有了压力，没有压力触动开关，音乐卡就不会发出声音，直到刚一接触上海绵，这段时间内音乐卡“无声无息”，之后重物P又恢复了对音乐卡的压力作用.通过音乐卡的声音来说明重物在下落过程中，对支持面压力的变化情况，更形象地证明了重物自由下落即完全失重时对支持面的压力为零.endprint
这个演示实验设置得非常科学，体现在如下几个方面：
（1）操作性强.克服了桌子高度和合适纸带的限制，变观察纸带的断裂为音乐开关的闭合，将支持力有无的判断变成听觉上的监测.此外，该实验的材料也容易获取，只需要给学生简单介绍耳熟能详的生日卡片工作原理，通过实验，可以帮助学生直观认识与理解完全失重的概念.
（2）提升了课堂效率.通过简单的演示实验，将抽象的知识化为具体感官的体验，活跃课堂气氛的同时，提高了学生的学习兴趣，提升了课堂效率.
（3）优化了课堂结构.在学习超重失重概念时，增加实验环节，一方面可以验证所学知识经验，另一方面可以激发学生的学习热情.在课堂结构方面，将传统的“以练巩固新知课堂提升”为“以实践质疑新知”的高效课堂.
2.2 探究性原则
物理实验应体现探究的本质特征.探究性原则要求：（1）所设计的物理实验中包含的物理规律常常隐藏在较深层次，需要学生去挖掘；（2）实验条件和结果之间往往存在较大的差距，需要学生去跨越；（3）解决问题的方法和途径一般也不太明确，需要学生通过尝试错误，提出假设并验证假设来寻找.
2.3 趣味性原则
趣味性原则就是要充分考虑到中学生的认知水平和猎奇的心理特点，目的是激发学习兴趣.需要明确的是，實验活动是一项智力活动，而智力活动通常需要被一种情感的力量所激发，这种情感就是“兴趣”，就是“喜爱”.有了趣味性，带来的是高度的参与性，火热实验场面，如此，实验教学已成功了一半.
案例2
探究水果电池的特性实验设计[5]
我们知道，用不同的水果可以制成各种各样的水果电池.自制水果电池，是一件让人十分心动的事情.那么，在中学阶段怎样更好地发挥自制水果电池的教学功能呢？思路之一就是突出实验的探究性.
探究问题： （1）水果电池有哪些特征？
（2）它的输出电压有多大？（3）它的内阻有多大？（4）输出电压的大小与哪些因素有关系？
实验设计 我们可以通过自制水果电池，先来研究它的一些特性.例如，可以先在一个橘子的不同部位分别插上一块铜片和一块锌片，做好一个橘子电池，用毫伏表测出该电池的开路电压，记下读数.然后再进行下列制作与实验（注意观察变化）.
（1）改变铜片和锌片的距离，再用毫伏表测出其开路电压，记下读数，测量出什么情况下开路电压较大？
（2）改变铜片和锌片的正对面积，观察什么情况下开路电压较大？
（3）保持铜片和锌片的位置不变，用一根铁丝将橘子内心捣烂，使橘片中的汁水相互连通，测出开路电压，记下读数，观察有何变化？
（4）在水果中分别加入食盐或食盐水，测出其开路电压，记下读数，观察有何变化？将小灯泡接入橘子水果电池中，观察小灯泡是否能发光？
（5）制作3–5个橘子电池，分别测出其各自的开路电压，再将它们串联起来，测出串联电池组的总电压，观察电压有什么变化？
（6）用其他水果（如苹果、菠萝、柠檬等）做成水果电池，与橘子电池进行比较分析与研究.
（7）试试看用蔬菜如土豆、黄瓜、西红柿等，能不能做成电池？
该实验实际上是一个课外实验，教学大纲对其不作要求，但在恒定电流章节，有着重要的实践意义.从实验设计的角度来看，充分体现了探究性原则，“试一试”、“看一看”和“猜一猜”的思想无处不在.自然界本身就是一个天然的大实验室，教师应该充分利用这个实验室，在教学中设计出可以引起学生兴趣的各种拓展实验.既不是为了成绩而实验，也不是为了教学要求而实验，有的只是“一探究竟”和变“可能如此”为“真的如此”的探究学习.
2.4 主体性原则
物理实验课强调学生的主体参与.没有学生的参与就失去了实验教学的意义.现代教育理论认为，学生是主体，教师是主导.学生的主体参与程度决定教学质量.在实施实验教学的过程中，教师应做到引导学生建立正确的物理思维方法、帮助学生掌握正确的实验操作技能和引导学生提出深层次的问题并加以讨论，如此，激发学生学习的内在动机，激发学生的探究兴趣与欲望.[6]教师还应做到在实验探究过程中给学生留有充分时间和空间，让学生敢于提出与众不同的实验方案，使学生积极参与到实验中来，提高探究能力和创新能力.
2.5 社会性原则
实验教学的“合作学习”反映的就是实验教学设计的社会性原则.在实验教学中，要特别关注有效的合作与交流.合作与交流的内容不仅可以是知识方面的，同时还涵盖着科学方法、科学态度、情感价值观的交流.教师要指导学生在小组内部进行实验讨论和论证，完成实验后，要进行实验成果的分享.有效的小组合作，是提升实验教学质量的法宝，学生在做中学，在学中倾听，在倾听中成长.
案例3 验证向心力表达式的实验设计
根据教材所述，作圆周运动的物体所需要的向心力计算公式为F=m v2 r ，或者F=m 4π2 T2 r，为验证这个公式，设计如下实验.
实验目的
通过测量向心力F、周期T和转动半径r之间的关系，验证向心力计算公式F=m 4π2 T2 r的正确性.
实验原理
通过图2所示的简单实验器材，让橡胶塞B在钓鱼线C拉力的作用下，在水平面做圆周运动，钓鱼线穿过笔管A，另一端悬挂砝码D，通过测量橡胶塞做圆周运动的周期T和转动半径r，即可验证向心力计算公式.
实验器材
笔管，钓鱼线，橡胶塞，胶带，刻度尺，秒表，砝码.
该实验无不体现着学生主体参与其中的主体性原则和强调合作学习的社会性原则.
首先，实验装置的组装.该实验的器材十分“亲民化”，学生按照图2所示，很容易就组装了实验器材.
其次，实验步骤的设计.这也是该实验最为核心的环节，涉及到如何验证向心力的计算公式，出发点是什么，需要测量的物理量有哪些，实验数据如何处理等实际问题.
再次是实验数据的获取.譬如说橡胶塞的运动周期可以通过记录橡胶塞转10圈所需时间来测量，这就需要小组合作了.还有如何保证橡胶塞的转动半径保持不变，这就需要借用胶带在图2所示的E位置做标记.
最后是实验数据的处理和误差分析.针对所获得的数据，学生组间合作，分享经验，进行作图以及实验结果分析.
3 结束语
“三个方法”和“五个原则”仅仅是对实验教学的粗浅认识，需要指出的是所有实验教学的终极目标应是实现从教师要求做实验向学生想做实验、需要做实验和乐于做实验等过程的转变.要引导学生形成内部动机，需要有高超的实验教学艺术.实验教学，如同攻克城堡，必须要在铜墙铁壁的城墙中撕开一道口子，寻找切入点，如此慢慢扩散，赢得最终的胜利.
参考文献：
[1] 张德启，李新乡，陶洪等.物理实验教学研究[M].北京：科学出版社，2005.
[2] 黄开智.刍议从教材内容到教学内容的重构[J].中学物理教学参考，2015（1-2）37-38.
[3] 张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M].杭州：浙江教育出版社，2007.
[4] 朱禧，曹养荣.用音乐卡演示自由落体不受支持力[J].物理教师，2003（1），39.
[5] 黄国雄.重新发现物理实验[M].北京：高等教育出版社，2007.
[6] 孙枝莲.中学物理学论[M].北京：北京师范大学出版社，2010.endprint
