改进物理实验教学 培养学生创新能力

陈景太 孟宪松

(江苏省泗阳中学,江苏泗阳 223700)

物理学是一门以实验为基础的科学.物理实验作为物理教学的基本手段,有其特殊的教学功能.几年来,我们在实验教学中通过“破、读、看、找、创”5个环节,有意识地引导学生认真阅读教材,仔细观察实验,积极思维联想,大胆创新实践,有力促进了物理实验的教学改革,激发了学生的兴趣,培养了学生的创新能力.

1 实验教学的5个环节

1.1 破:破除学生思维上的定势

消除认为做实验必须按书本规定的方法,一成不变的思维框框.向学生指出同一实验,可以用不同的方法,不同的器材和装置进行.课本中的实验,有的实验原理不够完善,有的操作麻烦,有的效果不理想,需要从实验原理、装置和操作方法上加以改进.在教学中,同时向学生展示经过精心改进的实验,在对比中让学生认识到探索改进实验的方法,是一件很有意义的工作,从而激起学生思维的积极性和强烈的求知欲.

1.2 读:精读书上叙述的实验内容

笔者在演示改进的实验时,让学生明确,一个新的实验方法的产生,是建立在对旧方法深入认识的基础上,针对其存在的缺陷进行改进而实现的.要求学生对每个实验的内容都认真阅读,弄清实验的目的、原理、仪器装置,了解操作程序,在头脑中形成一个完整的实验过程.要能根据实验原理去分析推断实验现象,使自己心中有数.这样才能在观察教师的实验演示中发现问题,找出实验方法上的不足.

1.3 看:观看教师的实验演示过程

要求学生不仅仔细观察实验中的各种现象,而且要注意教师的操作过程.引导学生按实验原理完善,装置简便合理,操作省时易行,实验效果好的标准,在观察中积极思维,作出分析判断.教师应有意识地突出实验中的不足之处,达到启发学生观察的敏锐性,培养学生综合概括和分析判断能力的目的.

1.4 找:发动学生找出实验存在的问题

这是学生思维活跃、兴趣高的一个环节,也是最富于启发性的过程.教师在实验后,放手让学生去充分讨论,鼓励发表不同意见.要求学生大胆列举自己看出的“问题”,相互交流,切磋对错.然后师生共同总结归纳出实验上的问题,为改进创新实验方法打下基础.

1.5 创:探索创新实验方法

教师应帮助学生树立成功的自信心,培养他们刻苦钻研精神和坚韧不拔的毅力.充分发挥学生的想象力和创造精神,引导他们运用掌握的知识在实践中去探寻实验方法.

新方法的设计主要在课后进行.通过学生的集思广益,取长补短,从中寻求最佳实验方法.最后按新设计的实验方法进行实验,检验改进后的效果.

实践证明,通过这五个环节的实验教学,不仅充分调动了学生学习物理的积极性和主动性,而且培养锻炼了学生的各种能力,学会了科学研究问题的方法,有利于学生的创新能力发展,同时开阔了学生的知识视野.

2 改进实验方法的实例

2.1 改进验证向心力公式实验

演示此实验前,先向学生讲明实验原理存在问题(操作难度大、效果不佳),交给学生设法改进实验方法的任务.然后按“阅读课文一观看演示一提出问题一创新方法”的步骤进行实验教学,在实验后的广泛议论中,综合大家的意见,归纳出实验存在的主要问题是:(1)原理不完善,不能保证小球在水平面内做匀速圆周运动,从而弹簧秤的读数不能代表小球所受的向心力;(2)在托起小球时,手的位置忽上忽下,读数不确定、而且可见度太小;(3)弹簧秤随时在伸缩,以致很难确定圆周的半径;(4)改变角速度在观察时不明显.针对上述几个问题,学生们展开了积极的探讨和研究.通过反复实验得知,用光滑圆板约束小球,这样能保证小球在水平面内做圆周运动,同时易于确定小球的轨道半径,用圆形测力计代替弹簧秤,增大了读数的可见度,利用秒表记时能较准确测出小球运动的角速度.

图1

改进后的实验装置如图1.铁架台上端用十字夹夹一钻有圆孔的光滑圆板,圆孔中套一光滑空心帽钉,圆板上画有一直径作为标志线.圆形测力计通过十字夹固定在铁架台上,按图1装置好器材,给系线小球一初速度,小球做匀速圆周运动所需向心力可由圆形测力计显示,角速度可通过秒表测出小球经过标志线的次数与所经历时间求出,改变小球运动的轨道半径可通过调节十字夹改变圆板高度实现.测出静止时小球球心到圆板中心的距离s,然后由小球运动过程中圆形测力计的读数,易得对应的伸长量Δx,从而小球运动的轨迹半径 r通过s+Δx求出,能定量验证向心力公式.

改进后的实验,原理较完善,操作方便、直观,可见度大,稳定性好,效果较好.

2.2 改进测电流表内电阻实验

将电流表改装成电压表,关键是如何精测电流表的内电阻,在进行此学生实验之前,笔者就将实验的难点分散到课堂演示实验之中.先指导学生阅读教材,然后叫两名学生上讲台演示,大家仔细观察.实验后,学生们立即发现,这个实验操作不便、调节滑线变阻器时难于使电流表刚好满偏.稍不小心,表针超满偏,易损坏电表,实验的测量值为94 Ω(300 μA电流表),课前笔者用电桥精测的值为103 Ω,相对误差为8.7%.在此基础上笔者引导学生进行了实验的定量误差分析,指出这是由于实验原理不完善和测试方法粗略所带来的系统误差,这样改装后的电压表也将出现较大误差.如何使实验操作方便,减小实验的的系统误差,在广泛的讨论中,学生们提出了在干路中串联一个微调电位器、选用高内阻和电压较高的电源的切实可行的措施.实践证明,效果很好.为了开阔学生的知识视野,充分发挥他们的创造精神,笔者提出了如何设计实验原理更完善、操作简便,精度较高的实验电路,并提示他们回顾一下测电阻的方法,启发他们带着问题积极思考探索,在对比中去联想、创新.课后学生们很快设计出了近十种实验电路.现举例如下.

例1.实验电路如图2所示,G1为待测内阻的电流表,G2为灵敏电流表,R1为滑线变阻器,R2为电阻箱.

实验步骤和原理简述如下:

(1)按图2连接好电路,将 R1触头置左端,R2调为零.

(2)关闭S1,缓慢调节 R1,在 G1、G2均不超满偏的情况下,使G2有较大整数刻度数值,并记下此时 G2指针所在位置.

(3)关闭S2,调节 R2,使 G2指针恢复原来位置,记下电阻箱的阻值 R2,依次断开 S2、S1,则得电流表 G1的内阻Rg=R2(若将 G2与 G1互换,同理可测出 G2的内阻).

图2

图3

例2.实验电路如图3所示,G为待测内电阻的电流表,V为标准电压表,R1为滑线变阻器,R2为电阻箱,R0为已知精密定值电阻(数kΩ).

实验步骤和原理简述如下:

(1)按图3连接好电路,将 R1触头置左端,R2调为零.

(2)关闭S1,缓慢调节 R1,在 G不超满偏情况下,使V有较大整数刻度数值,并记下此时V指针所指位置.

(3)关闭S2,增大R2阻值,使V表指针恢复到原来位置,记下电阻箱的阻值 R2,依次断开S2、S1,则电流表的内阻Rg=R2-R0.

上述两电路不但能精测电流表内阻,而且可直接用于改装后电压表的校核电路(例1电路中的G2用标准电压表V取代即可).

实践证明,改进后的电路原理完善、简单易懂、省时省材、操作方便、精度较高(消除了半偏法测电流表内阻由于表头直线性不良引起的系统误差),不失为较好的实验改进电路.