物理分组实验的教学

第四节　物理分组实验的教学

学生分组实验是学生在教师指导下，在实验室中利用整节课或两节课的时间进行的分组实验。它们一般用于加深理解和巩固所学的物理概念和物理规律，这类实验通常称为验证性的实验。它们也可以用于探究物理事物的规律和解决物理问题，这类实验通常称为探究性的实验。

一、分组实验的教学要求

中学物理教学设置学生分组实验主要目的是让学生学习实验的基本知识与技能，训练实验的科学研究方法和态度。

中学生进行分组实验的基本要求是：①了解基本仪器的构造和原理，能正确使用基本仪器，能按实验步骤正确操作，能排除实验中出现的一般的小故障；②能正确选择观察目的、内容和方法，如实记录观察现象和数据；③初步具有发现问题、提出实验研究课题的能力；④能根据实验目的，设计并讨论实验方案；⑤掌握实验原理，能编写合理的实验步骤，会设计记录表格；⑥能用记录测量数据，能正确运算和描绘图线，会用正确的方法处理实验数据；⑦学会初步分析、处理实验数据，推理出结论；⑧会写实验报告；⑨培养认真严谨、实事求是、遵守实验室纪律、爱护仪器等良好的态度品质。

当然，上述分组实验的教学要求是比较高的，应根据不同学生的实际情况，对分组实验的教学要求有所差异。学有余力的学生可以要求达到上述的基本要求或更高点；一般学生可以要求适当低一点；而学习有困难的学生可以部分达到上述要求或要求更低一点。

二、分组实验的教学基本过程

分组实验教学过程一般分为“课前准备”、“课内操作”、“课后总结”三个阶段，不同的阶段教师和学生都有相应的教学活动。

（一）课前准备阶段

采用复习提问、讲解或问答等方法让学生复习、掌握实验所需要的理论知识，明确实验的目的、方法和步骤，了解实验所使用仪器的性能和注意事项。

对学生要求：首先是明确实验目的，理解实验原理，领会实验方法；其次要了解仪器性能作用，知道使用方法；另外应该做好记录准备。

对教师要求：抓好教学组织，进行器材检查，提出操作规范。

（二）课内操作阶段

在学生操作时，教师进行巡视，启发点拨，使学生能正确顺利地进行实验，以减小误差，防止不应有的事故。

对学生要求：首先检查、认识、熟悉仪器；然后按照要求安装、调整仪器装置；着重规范操作、准确观察、测量、记录；结束整理仪器归位。

对教师要求：及时巡回指导、适当示范操作、引导学生思维、培养良好习惯。

（三）课后总结阶段

实验总结包括数据处理、公式利用，列表或作图，得到实验结论，批改并分析学生的实验报告。

对学生要求：根据观察到的现象和测量的数据，进行分析处理得出结论，写出实验报告。

对教师要求：指导数据处理方法，分析影响实验结果的因素，对实验中的问题进行分析和讨论。

三、分组实验的教学方法

不同类型的学生实验具有各自的功能、特点，教学中要根据不同的实验类型、学生的实际水平及学校实验资源的实际，采用不同的教学方法。

（一）示范—练习—总结法

技能训练性实验的目的是要求学生掌握物理仪器的使用方法或读数方法，一般采用示范—练习—总结的教学方法。

教师示范：在学生练习使用某种物理仪器之前，教师要对这种仪器的操作方法、读数方法及使用时应注意的问题等，做好示范。如在练习使用螺旋测微器时，可采用实物投影仪，教师将螺旋测微器的使用方法及读数方法投影到大屏幕上，使全班学生都了解螺旋测微器的使用方法及读数方法。

学生练习：在教师的指导下，学生自己练习物理仪器的使用方法或读数方法。如在练习使用螺旋测微器时，每两个学生一把螺旋测微器，要求他们用螺旋测微器测出头发丝的直径、一张纸的厚度、铅笔的直径等。

师生总结：在学生练习了某种物理仪器以后，教师要引导学生及时总结使用方法及读数方法，找出其难点问题，师生共同分析，得出解决方法。如在螺旋测微器的读数时，学生对“半刻度线”是否露出的判断感到困惑。此时教师要从螺旋测微器的原理出发，分析讲解判断“半刻度线”是否露出的方法：可动刻度的零刻度线在固定刻度的准线之上，固定刻度的半刻度线未露出；可动刻度的零刻度线在固定刻度的准线之下，固定刻度的半刻度线已露出。可简记为：半刻线“下露、上未露”。

（二）引导—实验—分析法

测量性实验的目的是通过物理实验，测出某些物理量的数值，有利于学生加深对这些物理量的理解，一般采用引导—实验—分析法。

教师引导：在做实验之前，教师要引导学生分析被测物理量与哪些因素有关，采用什么方法测量最方便、准确，如何去测量，等等。如：测量匀变速直线运动的加速度有多种方法，以a＝Δv/Δt，a＝Δs/T²和用v－t图象的斜率这三种方法为例，在分析这三种方法的特点之后，可知：用v－t图象的斜率求加速度的方法较方便。

学生实验：在确定实验方法之后，要指导学生按照实验步骤进行具体实验操作，按要求测出有关数据。此时，教师要加强个别指导，对学生中有创造性的好方法及时予以肯定和表扬，对学生中错误的操作方法及时予以纠正。

实验数据分析：学生通过实验测出有关数据之后，教师要指导学生对实验数据进行分析处理。处理实验数据通常有两种方法：解析法和图象法。解析法准确，但运算繁琐；图象法形象直观，但有时不够精确。因此要根据具体实验要求选择不同的数据分析方法。

（三）理论—实验—综合法

验证性实验的目的是让学生用实验验证物理规律，从而加深理解物理规律，一般可采用理论—实验—综合法。

理论介绍：在学生用实验验证某物理规律之前，要向学生详细介绍这个物理规律是谁发现的；在什么条件下、通过什么方法发现的。只有这样，才能使学生对这个物理规律有充分的认识和理解。如：气体等温变化的玻意耳定律，是英国科学家玻意耳和法国科学家马略特为了研究气体的压强和体积的关系而发现的，对一定质量的气体，在温度不太低、压强不太高的条件下成立。这一规律是通过实验研究而发现的，因此叫做实验定律。

实验验证：让学生通过具体实验去验证物理规律，加深对物理规律的认识和理解。并且通过实验训练，使学生逐步掌握实验方法与技巧，提高实验能力。

综合分析：在学生验证了某物理规律的正确性之后，教师要引导学生进行综合分析。一方面总结实验方法与技巧，另一方面要从理论和实验两个方面来理解和认识物理规律。如通过分子动理论来解释玻意耳定律，使学生对玻意耳定律的理解更深刻。

（四）引导—探索—总结法

探索性实验的目的是在已有知识的基础上，用实验观测得到的结果来寻求新的规律，重在培养学生探索物理知识的能力，一般在教学中要采用引导—探索—总结法。

教师引导：在学生做实验之前，教师要引导学生明确实验的目的、提供的器材及实验原理。

学生探索：让学生自己设计实验方案，确定实验步骤，并获得实验数据。通过不断探索和实践，提高学生探索物理知识的能力和分析问题的能力。

师生总结：在学生达到实验目的，总结新的规律或测量获得数据后，教师和学生一起对实验的原理、方法进行归纳总结，对得到的规律进行分析，加深理解。

［附］实验教学案例一则

探究小车速度随时间变化的规律

【教学目标】

1.知识与技能

进一步使用打点计时器；

熟练纸带数据处理；

熟练测瞬时速度；

熟练作速度—时间图象；

2.过程与方法

能独立安装器材进行实验；

能进行纸带的数据处理；

能运用相关知识和技能探究小车速度随时间变化的规律；

3.情感态度与价值观

培养学习物理和研究物理问题的科学方法；

培养能与他人合作交流，能对实验方案和实验结果进行评估和反思、实事求是等科学作风。

【器材准备】

附有滑轮的长木板；小车；带小钩的细线；25g的钩码3个，也可以用50 g的钩码，或用沙子和小桶代替钩码，用弹簧秤或天平称量；打点计时器；纸带；刻度尺；学生电源；导线。

【原理辨析】

利用打点计时器可以测定物体运动的速度，记录小车在不同重物牵引下的运动情况，结合时间的测量，通过速度—时间图象的分析，就能探究小车速度随时间变化的规律。

【过程体验】

1.如图6-附-1所示，把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面。把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路。

图6-附-1　实验装置

2.把细绳一端挂上合适的钩码，另一端拴在小车上，使细绳跨过滑轮。把纸带穿过打点计时器，并将纸带的一端固定在小车后面。

3.把小车停靠在打点计时器处，接通电源待打点计时器打点稳定后再释放小车，让小车拖着纸带运动，纸带上就会留下打点计时器打下的一列小点。

4.关掉电源再取纸带，将所用钩码质量标注在纸带上，并给纸带编号。然后选用不同的钩码按步骤2、3重做，同时进行标注和编号。

5.纸带上的点先取零点和计数点进行编号再测距离，把获得的数据记入表格。

6.在坐标纸上画v－t图象，探究小车速度随时间变化的规律。

【方法指导】

1.开始安装时打点计时器纸带限位器要与长木板纵轴位置对齐再固定在长木板上，使纸带、小车、拉线和定滑轮在一条直线上。小车要选择在木板上运动不跑偏或跑偏较小的车。

2.钩码的选取应符合要求，在纸带上打出的点数要满足以0.1s为计数点能取6组数值。必要时用小砂桶替代钩码。

3.纸带上测量计数点间的距离时仍要注意用长刻度尺对齐各计数点（不移动尺子）读出各计数点间长度值，避免测量误差的累积。

【数据处理】

1.打出纸带后处理数据，要让学生明白“舍掉开头一些过于密集的点子，为了便于测量，找一个点当做计时起点”的做法和意义。

2.指导学生自己设计表格，利用纸带上测量的数据及测量瞬时速度的方法，求出小车在不同重物牵引运动时的速度，填入自己设计的表格，如表6-附-1。

表6-附-1　小车在不同重物牵引运动时的速度

3.让学生认真观察、思考直角坐标系中描出的点的分布规律，探讨用一条曲线（包括直线）“拟合”这些点，作出v－t图象，如图6-附-2所示。

【技能训练】

1.操作中，注意小车后面纸带的安装，使小车运动时保持纸带与打点计时器平面、木板平行，减小摩擦力影响；还要注意调节滑轮高度，使拉车的线与木板平行，减小拉力的变化。另外，在前面明确开启电源，待打点计时器工作稳定再释放小车的基础上，还要注意防止小车的落地和撞击定滑轮。

2.在训练学生自己通过v－t图象拟合数据，得出小车速度随时间变化规律

图6-附-2　速度－时间图象

的基础上，有条件的，可训练学生通过Excel软件用计算机绘制v－t图象，具体做法如下：

（1）输入数据。打开Excel工作簿可以看到行和列，行号用1，2，3，…表示，列号用A，B，C，…表示。将自变量时间的数值从某一单元格开始输入，在同一列中将其他时间值一一输入。在相邻的右侧一列中将速度值一一输入，注意速度值要与时间值相对应。也可以在同一行中依次输入时间和速度，下一行中再次输入第二组时间和速度，直至全部输入完毕。

（2）作出图象。用鼠标选中输入的数据，再用鼠标左键单击“图表向导”按钮，出现“图表类型”窗口，选“散点图”，选“确定”按钮，弹出“图表标题输入框”，输入相应的字符后选择“下一步”按钮，直到“完成”。出现由点组成的图表，用鼠标右键单击绘图区中任何一个数据点，出现下拉式菜单，选“添加趋势线”，弹出添加趋势线窗口，选择“线性”趋势；打开该窗口的“选项”卡，对其中“显示公式”左侧的小方格用鼠标左键单击出现“√”号后，按“确定”。这时图表框中出现一条直线，它就是经过计算机做最佳“拟合”后的v－t图象，并显示出一个表明该图象的函数式。

【知识拓展】

利用“过程体验”中获得的纸带，可以测定小车运动的加速度。既可以用v－t图象，通过求直线的斜率，也可以直接从纸带测量，用逐差法得到，具体教学过程如下：

1.明确测量原理

设物体做匀加速直线运动，加速度是a，在各个连续相等的时间T里的位移分别是s₁，s₂，s₃，…则有　Δs＝s₂－s₁＝s₃－s₂＝s₄－s₃＝……＝aT²

由上式还可得到　s₄－s₁＝（s₄－s₃）＋（s₃－s₂）＋（s₂－s₁）＝3aT²同理有　　　　　s₅－s₂＝s₆－s₃＝……＝3aT²可见，测出各段位移s₂、s₂……即可求出

再算出a₁，a₂，…的平均值，就是我们所要测定的匀变速直线运动的加速度。

2.指导纸带处理

从几条纸带中选择一条比较理想的，舍掉开头一些比较密集的点子，在后边便于测量的地方找一个开始点。为了测量方便和减小误差，通常不用每打一次点的时间作为时间的单位，而用每打五次点的时间作为时间的单位，就是T＝0. 02×5＝0. 1s。在选好的开始点下面标明A，在第六点下面标明B，在第十一点下面标明C，在第十六点下面标明D，…，点A，B，C，D……叫做计数点，如图6-附-3所示。两个相邻计数点间的距离分别是s₁，s₂，s₃，…

图6-附-3　纸条中的计数点

3.测量获得数据

测出六段位移s₁，s₂，s₃，s₄，s₅，s₆的长度，把测量结果填入表6-附-2中。

表6-附-2　计算小车的加速度

4.求得加速度a

根据测量结果，利用“实验原理”中给出的公式算出加速度a₁、a₂、a₃的值。注意：T＝0.1s。

求出a₁、a₂、a₃的平均值，它就是小车做匀变速直线运动的加速度。

小车做匀变速直线运动的加速度a＝_____________________。

5.还可讨论逐差法的改进（略）。

6.小结汇报（略）。

撰写实验报告，规定上交时间。

思考题

1.根据不同的分类标准，中学物理实验有不同的分类。中学物理实验哪些种类？它们各具什么功能？

2.中学物理演示实验有哪些教学要求？

3.进行边学边实验教学要根据教学的实际情况，采用多种方式进行。谈谈你对如何进行边学边实验教学的认识。

4.学生分组实验教学的一般过程分为哪几个阶段？在这几个阶段，教师和学生的活动主要是什么？

【注释】

(1)朱铁成.物理课程与教学研究.杭州：浙江大学出版社，2008：161.

(2)普通高中物理课程标准实验教科书（必修1）.北京：人民教育出版社，2006：90.

(3)朱铁成.物理课程与教学研究.杭州：浙江大学出版社，2008：180.