对新教材高中物理实验改进的探索

2004年秋天开始实行的新课程标准, 对实验进行了较大的改变。其中最大的变化表现为以下几点。

1 实验教学内容的变化

原来的实验主要包括:

(1) 验证性试验, 如验证机械能守恒定律;

(2) 测量性试验, 如伏安法测电阻;

(3) 研究性试验, 如描绘平抛运动轨迹, 静电场中等势线的描绘。

这些试验的教学设置过程基本相同:直接给出试验的目的, 给出试验原理分析即如何做, 列出必需的实验器材, 为学生设计出试验步骤即数据处理方法, 指出试验存在的实验误差及分析。

新教材的试验教学内容设置进行了很大的改变, 几乎所有的实验都是一种开放的探究性试验, 所谓探究实验是在学生不知道问题答案的基础上, 通过自己的实验 (含收集资料数据、分析思考等) 找到答案的一种实验方法。它只给出探究的目标, 不设定探究的方法, 不设定明确的器材和步骤, 给学生留出了最大的思维空间。

2 新教材下的实验教学方式的变化

以前的实验教学, 学生完全可以在教材的具体指导下做下来, 教师只需对个别环节点一下, 学生的收效就是知道了这个实验如何去做, 要求就是记住这个实验, 包括从原理、器材、步骤到处理和误差。这种教学模式严重束缚了学生的思维开发, 达不到培养学生试验能力的作用, 也不利于对学生学习兴趣的培养。

新教材将实验教学跟探究学习融合起来, 形式是相对开放的, 思维方式是自由的, 探究过程不但让学生获得知识、获得技能, 更重要的是学到了获得知识的过程与方法, 让学生受到科学方法、科学思维的训练, 养成科学精神和科学品德, 发展学习的兴趣。

探究性试验教学的程序是:发现问题→提出假设→设计实验→实验操作→记录分析结果→总结归纳结论。实验教材中关于“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”和“探究外力做功与物体动能变化的关系”就是这方面的典型范例。实施新课程, 教师应加快转变观念, 转变教学方式, 适应新课程需要。在教学方式上要改变以往的陈旧做法, 在物理实验教学中, 把握科学探究的主要环节, 运用实验启发学生自主地提出问题, 提出猜想与假设, 设计探究方案, 进行实验操作, 收集相关信息得出结论, 对实验进行评价, 交流实验探究的成果, 教师在课堂上应起引导者、组织者、参与者的作用。

基于以上改变, 有些教师认为, 原有的实验器材已经不能满足新课程的需要, 需要将全部器材更新, 以适应新课程的需要。

对此我对人教版的教材上所涉及的实验进行了统计。必修及选修3系列共7本教材, 其中演示实验约68个, 利用原有的器材可以完成约62个;分组实验约20个, 原有的器材都可以完成。基于上面的统计我们可以看出:新课程对实验的要求比较高, 这个高要求不是体现在器材上, 而是体现在进行实验的理念上的要求。换一个角度来说, 不是对硬件要求高, 而是对软件要求高。这就要求物理实验教师在原有器材基础上, 多在软件上作文章, 也可以把我们日常生活中的物品有机地运用到实验中来, 提高实验的效果。也可以把高科技的东西带入实验中, 既可以激发学生学习的兴趣, 又可以实现物理与实际生活的有机结合。

笔者现举两个实验的改进, 这两个实验所需的器材, 都是日常生活常见的或是很容易制作的, 关键是进行实验的理念认识, 现分述如下。

2 平抛运动曲线的获得实验方法的改进

在高中研究平抛运动的实验中, 主要解决两个问题:

(1) 描绘出平抛运动的曲线。

(2) 利用曲线求出初速度。

其中解决第一个问题, 是本实验的关键, 也是本实验的难点。

2.1 2004年新教材中的曲线获得方法

(1) 喷水法。实验方法如图1所示:

倒置的饮料瓶内装着水, 瓶塞内插着两根两端开口的细管, 其中一根弯成水平, 且水平端加接一段更细的硬管作为喷嘴。

水从喷嘴中射出, 在空中形成弯曲的细水柱, 它显示了平抛运动的轨迹。设法把它描在背后的纸上就能进行分析处理了。

优点:实验过程简单, 得到的曲线就是平抛的实际轨迹。

缺点:实验装置复杂, 定位的精度不太高, 空气阻力对水柱的影响会略大于对铁球的影响。

(2) 描点法。实验方法如图2所示。

实验时让小球多次从同一高度处落下, 把笔尖放到小球可能经过的位置, 如果小球恰好能碰到笔尖, 就找到了小球经过的位置。最后找出5个以上的点, 用描点法画出平抛运动曲线。

优点:实验装置简单, 得到的曲线就是小球的实际轨迹。

缺点:实验过程复杂, 位置点的确定比较困难, 精度也低。

(3) 数码相机录像法。

利用数码相机的录象功能, 每秒钟拍摄约15幅照片。可以用它拍摄小球水平桌面飞出后做平抛运动的一系列连续照片。如果用数学课上画函数图象的方格黑板做背景, 就可以根据照片上小球的位置在方格纸上画出小球的轨迹。

优点:实验操作简单, 得到的曲线定位的精度高。

缺点:需要多张照片合成。录象和连拍不是一个概念。连拍一般可以每秒拍3张照片, 录象得到的不是若干张照片, 而是一个视频文件, 想得到照片还需要第三方软件或者在电脑上逐张抓图得到。

2.2 对2004年版新教材实验方法的改进

针对新教材中“喷水法”中实验装置复杂 (当然可以用全套输液装置代替) 以及“数码相机录象法”照片获得复杂的特点, 可以结合二者的优点做如下改进:就是用“数码相机录象法”的数码相机拍“喷水法”中水柱的照片 (图3) 。

“喷水法”中由于时间较长, 水位会发生变化, 双管设计是为了让水位发生变化时出水口的压强保持不变, 出水速度也不变。而用相机拍照时间极短水柱从出口到照片范围外的过程, 液面高度的变化完全可以忽略, 这样, 我们就可以用单管开口瓶代替原来的双管装置。

用相机拍到的是整个空中的水柱的图象, 而水柱的形状, 就是我们想要得到的平抛运动的曲线。

当然这种方法得到的照片存在着比例问题, 这可以用方格黑板做背景来解决, 甚至可以把尺子直接拍到图象中。效果如图, 由于水柱运动一段时间后速度变大, 会分散成水滴, 所以拍出的来的水柱下面是分散开的水滴, 这也与教材上的不同。

3《平行板电容器的电容》实验改进

3.1 问题的提出

新教材物理选修3-1中关于《平行板电容器的电容》的部分, 研究影响平行板电容器电容的因素, 是利用如下演示实验来进行的。

如图4所示, 用静电计测量已经充电的平行板电容器两极板间的电势差U。利用公式C=Q/U, 当Q一定时, C与U成反比, 由于电容的测量相对来说较难, 这样就可以通过静电计的读数判断出平行板电容器电容的变化情况。

但是实际上把这个实验做成功是非常困难的。这个实验的前提条件是要保持Q不变, 但是这个条件想满足很困难, 想让静电计有明显的示数, 电压必须很高, 而高压下, 放电现象非常明显, 特别是在湿度大的环境中, 根本无法保证Q不变。实验很难成功。

再者, 公式C=Q/U是本节课学生刚接触的, 本来就不熟悉, 实验中又把它当工具熟练使用, 会对很多同学的学习造成影响。

3.2 问题的解决

针对以上问题, 我对课本上的实验进行了大胆的改进。利用数字电容表和自制的教具, 取得了较好的效果。

数字式电容表是非常方便测量电容器电容的仪器, 有单一电容功能的, 也有整合在数字式多用表上的, 测量范围从几个pF到几千μF, 只要把表笔与电容器的两个脚连接, 就可以直接在表上显示出电容值。

实验中使用的平行板电容器用双面覆铜板制作, 双面覆铜板是制作双面电路板的原料, 是两张薄铜片粘在厚约2mm的绝缘树脂材料上制成, 是非常理想的平行板电容器, 正对面积的定量大小可以通过裁切精确的得到, 两板间的距离的定量关系, 可以通过覆铜板叠放在一起的数目得到。

双面覆铜板共6块4种规格, 1#5cm×5cm 3块, 2#5cm×2.5cm1块, 3#5cm×10cm1块, 平行板距离固定的无介质电容一块, 配套介质一套。

3.3 使用的方法

(1) 仪器的用途。

本教具用来探究平行板电容器的电容C与正对面积S的定量关系, 电容C与两板间距离d的定量关系以及电容C与介电常数εr的定性关系。

(2) 仪器的优点。

本教具非常小巧, 便于携带, 精度高, 适合用来分组实验。新教材对实验教学提出了较高的要求, 有演示实验, 分组实验, 还有开放实验室后学生自主探究的实验。将演示实验改为学生分组实验, 无疑会提升实验效果。本实验装置, 不是单纯的将书上的演示实验变为分组实验, 而是对整个实验方法进行了改进, 使实验的易操作性, 准确性、直观性都有了大幅度的提高。

(3) 实验过程。

实验1:探索C与S的关系。

取三种规格电容各1个, 它们的面积之比为1∶2∶4, 用电容表测量电容, 找出C与S的定量关系。

实验2:探索C与d的关系。

取全部的3块1#电容, 分别研究1块的电容、2块叠在一起的电容、3块叠在一起的电容。将电容重叠, 相当于增加了两极板之间的距离, 可以探索C与d的定量关系。

实验3:探索C与εr的关系。

因为无法保证两板间只有介质没有空气, 此实验为定性实验。取平行板距离固定的无介质电容及配套介质。将介质插入及拔出, 找出有介质和无介质 (介质为空气) 电容的差别。

(4) 电容表使用的注意事项。

因为表笔的距离、形状、是否手握等都会对电容产生影响, 所以使用时最好保持好待测姿势, 让别人协助调零, 特别是小量程时。本实验的电容在20pF～160pF之间, 属于小量程, 应特别注意。

总之, 物理学是一门以实验为基础的学科, 没有实验, 就没有物理学及其发展。新的物理教学大纲明确地指出:“观察现象、进行演示和学生实验, 能够使学生对物理事实获得具体的、明确的认识, 这是理解概念和规律的必要的基础。观察和实验对培养学生的观察和实验能力, 培养实事求是的科学态度, 引起学生兴趣, 具有不可代替的重要作用”。在新课改的浪潮中, 我们要不断改进实验教学, 培养学生的创新精神、科学的思维能力和终身学习的能力。

摘要：本文通过对新课程物理对实验内容及要求的变化, 阐述了对实验教师的要求, 并通过统计, 得出了新课程对实验教师的要求主要是软件方面的。最后通过两个实验的改进, 进一步表明的对实验理念更新的具体要求。

关键词：探究性实验,理念更新,实验改进,软件要求