物理实验教学中提升科学思维品质的实践策略

时间：2024-05-08

刘振和张永锋李旺

[摘要]高中物理实验对落实物理学科核心素养具有非常重要的作用。在物理实验教学中，运用恰当的教学策略，不仅可以帮助学生巩固所学物理知识，锻炼科学思维，还可以提升学生的思维品质，使思维的深刻性、广阔性、灵活性、批判性和创造性在一定程度都得到培养。

[关键词]高中物理;实验教学;科学思维

[中图分类号] G633.7 [文献标识码] A [文章编号] 1674-6058（2022）17-0046-04

物理实验在新课程实施过程中占有重要的地位，对提高学生物理学科核心素养有着不可替代的作用。物理实验教学对形成、深化物理观念，提升学生科学思维品质，激发学生探究意识，帮助学生树立正确的科学态度都有重要的作用。为此，在物理实验教学实践中教师应注意采取恰当的教学策略，以培养学生思维的深刻性、广阔性、灵活性、批判性和创造性。

一、理解经典实验，培养思维的深刻性

思维的深刻性指的是思考问题时能够把握本质特点和内在规律，能排除表面的、片面的、偶然的干扰因素，能透过现象发现事物必然、内在、本质的联系。

经典物理实验蕴含着深刻的物理思想和典型的实验方法。许多教师在教学中往往注重实验操作过程，对实验原理未做深入的剖析，结果导致学生做实验时只会按部就班地进行操作，对实验步骤的合理性和必要性认识不到位（如，知其然，不知其所以然），而经典实验的教育功能也没有体现出来。新课程理念下的物理实验教学，教师不仅要让学生会做实验，更要引导学生深层次思考，搞清楚为什么要这样做实验，并通过类比、分析、综合、推理和论证等过程，锻炼思维能力，培养思维的深刻性。

[案例1]对实验“探究加速度与力、质量的关系”的研究（实验装置如图1所示）。

分析和讨论：对于这个经典实验，除了让学生掌握具体操作知识，还要帮助学生消除困惑，为此，教师要深入挖掘实验的操作依据，引导学生思考以下问题。

（1）实验的研究对象是谁？

答：小车，注意不是小车和钩码组成的系统。

（2）为什么要平衡摩擦力？

答：为了使研究对象受到的合外力简单，即由细线拉力单独充当。

（3）怎样平衡摩擦力？

答：在长木板无滑轮的一端垫上小木块，使其适当倾斜，利用小车重力沿斜面方向的分力与摩擦力平衡;平衡摩擦力的标准是小车带着纸带恰好可以沿板匀速下滑。

（4）平衡摩擦力时为什么不能在轻绳的另一端挂托盘，但是必须让小车连上纸带，且让打点计时器处于工作状态？

答：不挂托盘是为了使绳对小车没有拉力，此时小车只受到重力、支持力和阻力。平衡摩擦力使这三个力的合力为零。实验时，小车的合外力就只有绳子拉力了。让小车连上纸带，且让打点计时器处于工作状态，这样就平衡了包括滑动摩擦力，纸带所受的摩擦力在内的所有阻力。

（5）细线为什么必须与木板平行？

答：细线如果不与木板平行，细线上的拉力会在垂直木板方向有分力，小车所受合外力就不等于细线的拉力。

（6）为什么要求小车质量[M]远大于钩码质量[m]？

答：对小车和钩码组成的系统，由牛顿第二定律有[mg=（M+m）a]，對小车有[F=Ma]，联立可得小车加速度为[a=mM+mg]，细线上的拉力[F=MM+mmg=mg1+mM]，只有当[M?m]时，才可近似认为小车所受的拉力[F]等于[mg]，所以可以通过测量钩码质量，从而得到细线拉力，即小车所受合外力。

这些看似细小的问题都有着深刻的道理，教师应引导学生探寻其中的道理，找寻隐藏在现象背后的原因，这样既解答了学生的疑惑，也加深了学生对实验的认识，培养了学生思维的深刻性。

二、多种思路设计实验，培养思维的广阔性

思维的广阔性指的是思考问题思路开阔，不拘泥于一种途径，可以多方位、多层次地探索问题。在实验教学中，教师引导学生多角度思考实验原理、过程和处理数据的方法，调动学生各方面的知识和技能，深化对概念、规律的理解，突破学生的惯性思维，培养学生思维的广阔性。

[案例2]电阻的测量。

分析和讨论：电阻测量，依据不同的思路可以有多种方法，教师可指导学生进行梳理，得到以下几种常用方法。

（1）伏安法：根据电阻的定义[R=UI]，利用如图2甲（内接法）或乙（外接法）的电路测量。

（2）欧姆表法：利用欧姆表，根据闭合电路欧姆定律测电阻。

（3）替代法：用如图3所示电路，根据[Rx]和[R2]可以等效替代测出[Rx]的阻值。

（4）半偏法：利用如图4甲所示电路可以测电流表[G]的电阻，利用如图4乙所示电路可以测电压表[V]的内阻。

（5）差值法：用如图5甲所示电路（应知道电压表[V1]的内阻）或图5乙所示电路（应知道电流表[A2]的内阻）可以测量电阻[Rx]的阻值。

（6）电桥法：利用如图6所示的电路在电桥平衡时（即电流表读数为零）的关系可以测量电阻[Rx]的阻值。

教师指导学生一题多解，帮助学生对已经获得的知识进行归纳整理，使学生打通不同方法的界限。这样可使学生的知识体系变得更加完善和顺畅，方便学生随时调用知识，从而使学生能够站在更高的角度审视问题，扩展学生的思维视野。

三、变通使用仪器仪表，培养思维的灵活性

思维的灵活性指研究问题时善于根据问题的变化，及时调整思考方向，并且能在不同的思考方向间顺畅变通，自如切换。在实验教学中，教师要指导学生利用所学理论和技能，灵活使用现有实验仪器。

[案例3]用以下器材测量电阻[Rx]的阻值。

待测电阻[Rx]，阻值约为600 Ω;电源[E]：电动势约为6.0 V，内阻可忽略不计;电压表V1，量程为0～500 mV，内阻r1=1 kΩ;电压表V2，量程为0～6 V，内阻[r2]约为10 kΩ;电流表A，量程为0～0.6 A，内阻[r3]约为1 Ω;定值电阻 [R0=60 Ω];滑动变阻器[R]，0～150 Ω;单刀单掷开关S一个，导线若干。

（1）测量中要求两个电表的读数都不小于其量程的1/3，并能测量多组数据，请画出测量电阻[Rx]的实验电路图。

（2）若选择测量数据中的一组来计算[Rx]，则由已知量和测量物理量计算[Rx]的表达式为[Rx=] ，式中各符号的意义是_____________________。（所有物理量用题中代表符号表示）

分析和讨论：由于题中电流表A量程太大，如果使用该电流表测量，则示数小于量程的1/3，测量误差太大，所以可以考虑用内阻已知的电压表V1测电流，但是其量程比较小，只有[IV1=URV1=500×10-31000A=5×10-4A]，这样的话，电阻[Rx]上的最大电压为[Um=IV1Rx=5×10-4×600 V=0.3 V]，不到电压表V2量程的三分之一[13×6 V=2 V ]，所以必须对电压表V1这个“反串”的电流进行改装扩容，使其量程增大。把定值电阻[R0]用作分流电阻，这样电压表V1就被改装成量程合适的电流表。结合其他分析计算可知，本题应该设计出如图7所示的电路，这也是第（1）问的答案。

推理可知，待测电阻的计算式为[Rx=U2-U1U1（R0+r1）R0r1=（U2-U1）R0r1U1（R0+r1）]，其中[U1]，[U2]分别是电压表V1，V2的读数，这就是第（2）问的答案。

在实验设计中，要准确掌握各器材特点和原理，根据需要使它们扮演更多的角色。为此，教师应注意引导学生深刻理解实验原理和方法，打破学生的惯性思维，培养学生思维的灵活性。

四、全面评价实验方案，培养思维的批判性

思维的批判性指的是善于独立思考，善于质疑批判，对思维过程和结果能进行评价并做必要的修正，善于对相似或者相近的问题进行辨析。在物理实验中，善于对实验方案、实验过程、实验结果进行评判，舍弃不合理的方案，选择最佳方案或方法就是思维批判性的表现。在物理实验教学中，教师应有意识地引导学生对实验过程和结果进行分析和评价，鼓励学生大胆质疑，审视实验原理，努力寻找更便捷、科学的实验方案。

[案例4]（2020年北京市普通高中学业水平等级考试）用图8所示的甲、乙两种方法测量某电源的电动势和内电阻（约为1 Ω）。其中[R]为电阻箱，电流表的内电阻约为0.1 Ω，电压表的内电阻约为[3 kΩ]。

（1）利用图8甲所示实验电路测电源的电动势[E]和内电阻[r]，所测量的实际是图9中虚线框所示“等效电源”的电动势[E′]和内阻[r′]。若电流表内电阻用[RA]表示，请你用E、r和[RA]表示出[E′]，[r′]，并简要说明理由。

（2）某同学利用图像分析甲、乙两种方法中由电表内电阻引起的实验误差。在图10中，实线是根据实验数据描点作图得到的[U-I]图像，虚线是该电源的路端电压[U]随电流[I]变化的[U-I]图像（没有电表内电阻影响的理想情况）。

在图10中，对应图8甲电路分析的[U-I]图像是 _______________;对应图8乙电路分析的[U-I]图像是 _______________。

（3）综合上述分析，为了减小由电表内电阻引起的实验误差，本实验应选择图8中的（填“甲”或“乙”）。

分析和讨论：（1）将电源和电流表视为等效电源，电源电动势是电源本身属性，电流表不产生电动势，所以等效电源的电动势为[E′=E]，而电流表的内电阻和电源的内电阻作为等效电源的内电阻，即[r′=r+RA]。

（2）对图8甲电路，考虑电表内电阻时，根据闭合电路欧姆定律得[E=U+I（r+RA）]，变形得[U=-（r+RA）I+E]。

通过实验获得数据，分析可得[U=-r′I+E]。

从以上分析可知，对图8甲电路，两[U-I]图像与纵轴截距均为电源电动势[E]，虚线对应的斜率大小为[r]，实线对应斜率大小[r′]为（[r+RA]），所以对应图8甲电路分析的[U-I]图像是[C]。

对图8乙电路，考虑电表内阻时（即虚线对应的真实情况），根据闭合电路欧姆定律得：[E=U+I+URVr]，变形得[U=-RVrRV+rI+RVRV+rE]。

通过实验获得数据，分析可得[U=-r′I+E′]。

虚线对应的斜率大小为[r]，实线对应的斜率大小[r′=RVRV+rr

（3）根据题中数据，[rrA=1 Ω0.1 Ω=10]，[rVr=3000 Ω1 Ω=3000]，在图8甲电路中，虽然测量的电源电动势准确，但电流表分压较为明显，内电阻测量误差很大;图8乙电路虽然电动勢和内电阻测量均偏小，但电压表内电阻很大，分流不明显，所以电动势和内电阻的测量误差较小，所以选择图8乙可以减小由电表内电阻引起的实验误差。

本题答案：（1）[E′=E]，[r′=r+RA]，理由见解析（2）C A（3）乙

五、重视实验拓展迁移，培养思维的创造性

思维的创造性指的是思维不拘泥于旧的模式，能另辟蹊径思考问题，思维具有新颖性、独特性和发散性。在实验教学中，教师可以引导学生跳出已有思维模式，把所学习的核心理论、操作方法大胆地拓展、迁移和组合，从而深化物理观念，培养探究能力，锻炼学生分析问题的能力，培养学生思维的创造性。

[案例5]验证碰撞中的动量守恒。

分析和讨论：教材提供了“验证碰撞中的动量守恒”的多种实验方案，在教学中可结合一些习题中涉及的情景，对以前的知识进行组合、拓展和迁移，提出新的实验方案，以此引导学生开拓性地思考问题，培养学生思维的创造性。

教材中碰撞、平抛方案组合。

如图11所示，小球1和小球2大小相同，先让质量较大的小球1从斜槽上某一固定高度[A]处由静止释放，从斜槽末端[B]处水平抛出后落于[P]点;将小球2放于[B]处，再次让小球1从[A]处无初速释放，在[B]处与小球2碰撞后，小球1落于[M]点，小球2落于[N]点，找到[B]点在地面上的投影点[O]，测出[OM]、[OP]、[ON]的长度。

分析：如果碰撞过程中动量守恒，则[m1v0=m1v1+m2v2]，设小球平抛过程用时为[t]，则有[m1OPt=m1OMt+m2ONt]，可得[m1·OP=m1·OM+m2·ON]。在具体实验中，如果有[m1·OP=m1·OM+m2·ON]，即验证了该碰撞过程动量守恒。

拓展思路1.实验方法及条件与思路1中相同，让小球平抛后落在斜面[BC]上，如图12所示，测出小球质量和[BM]、[BP]和[BN]的长度。

分析：设斜面倾角为[θ]，落点到[B]距离为[L]，由平抛运动规律有[Lsinθ=12gt2]，[Lcosθ=vt]，联立可得[v=gLcos2θ2sinθ∝L]。

若碰撞过程动量守恒，则[m1v0=m1v1+m2v2]，代入各速度，整理得[m1BP=m1BM+m2BN]。

在实验中，如有[m1BP=m1BM+m2BN]，则验证了碰撞过程动量守恒。

拓展思路2.碰撞、平抛和竖直面组合。

如图13所示，其他条件与思路1相同，但是让小球平抛后都打在同一竖直面上，这说明各平抛过程的水平位移[x]相同。

分析：根据平抛运动规律，由[h=12gt2]，[x=vt]联立得到[v=xg2h∝1h]。

设[O]点是与抛出点等高的一点，各次落点分别是[P]、[M]、[N]，[O]点到各点距离为[OP]、[OM]、[ON]。如果碰撞过程动量守恒，则有[m1v0=m1v1+m2v2]，可得[m1OP=m1OM+m2ON]。

实验中，若测得的数据满足[m1OP=m1OM+m2ON]，则验证了碰撞过程动量守恒。

在高中物理实验教学中，教师采用恰当的教学策略，积极引导学生深入分析实验原理与过程、数据处理方法以及实验误差，不仅可以让学生进一步理解物理知识，掌握物理实验方法，还可以提升学生的科学思维品质，助力学生全面成长。

[ 参考文献 ]