中學物理實驗的科學方法
中學物理實驗是培養學生科學的觀察、實驗能力、科學的思維、分析和解決問題能力的主要課程之一。正如李政道先生所說的那樣:“教物理重要的是讓學生懂道理……”根據中學物理教學的目的和教學標準的基本要求,在中學物理實驗的教學過程中應使學生在科學實驗的基本方法上有一個實在的感受,從而培養他們的探索精神和創造性,並受到科學方法的教育。黑龍江省教育學院樊式錄、哈爾濱81中徐春菊老師從培養學生分析問題和解決問題能力的角度出發,在中學物理實驗的整體構成和實驗思想方麵,論述了實驗設計的綜合考慮及兩種實用的實驗結果的表示方法。
實驗設計
(1)實驗目的
物理實驗的教學,雖然具有一定的可操作性和觀察性,但仍存在著理論聯係實際的問題。物理實驗課應既能解決實際問題,又能促進中學生各門功課特別是物理課程的學習和提高,將自己學到的各科知識,在物理實驗上綜合地發揮出來。
為使實驗達到預期的目的,必須使每個參加者明白為什麼要做這個實驗,做這個實驗是要解決現實技術問題、知識問題,還是要探索一下教材中將要出現的物理現象等等。解決實際問題的是什麼樣的,探索書中的知識問題時,應當明白是哪一個問題及什麼現象。目的明確,是實驗成功的前提。
(2)實驗操作
為使實驗達到預期的結果,應考慮采用符合實際的實驗方法和規範的實驗操作步驟。實驗的操作過程不是簡單的使用儀器,也不僅僅是個技術或技巧的問題。操作過程本身就是一個創造環節,同時又是實驗方案設計的完善過程,並且也是一個創造性的思維過程。確立恰當的實驗程度是實驗成敗的關鍵。實驗操作的每一步都應置於控製之中,啟動一個開關或調節某一個部件(部分)所出現的物理現象、物理變化的趨向或顯示出來的數值都是有預期結果或指定範圍的。集中精力測準幾個關鍵量。參加實驗者應分工明確,並保證每人都能有親自動手操作的機會。
(3)分析變量
為使學生在實驗課中受到分析問題能力的訓練,教師應有效的指導學生分析本實驗所涉及的所有變量。所謂變量,是指反映預期實驗結果的被測量。根據實驗目的和實驗內容,必須確定出被測量之間的因果關係以及它們的變化範圍,並保證每一個被測量隻在人為的方便的控製之中,不受其他物理因素的影響。
(4)實驗儀器的選擇
中學物理實驗課,在儀器設備的選用上,應遵循創造性、科學性、安全性、經濟性和試驗性的原則,突出訓練意義,不必強調自動化、高精尖和現代化。盡量采用學生在做一般物理實驗時用到過的儀器設備,也可動員學生自製和改裝。
(5)實驗數據的記錄與簡單處理
實驗數據記錄是整個實驗過程的關鍵一環。為使學生在采集數據和獲得資料能力等方麵得到嚴密有效的訓練,盡量避免使用現成的數據表格。實驗記錄應與實驗目的和實驗方法聯係在一起考慮。學生自己合理的設計記錄數據表的規格和形式,具有明確的名稱和標題,能夠突出的表示出被測量的因果關係,具有清楚的分欄項目,便於填寫實驗數據,使自變量和應變量在數據欄中出現明顯的對應。確定的數據采集點應符合實際,不論采集的數據是否在預期的範圍之內,都應如實記錄,並且禁止使用鉛筆,以防有意或無意的塗改數據。
中學生也要掌握一定的數據處理的知識。在一般情況下注意到有效數字的計算和可疑數據的剔除。基本能達到實驗的要求,在有效數字的知識方麵,應當掌握有效數字的概念,實驗數據有效位數的判定準則,及有效數字的化整原則和誤差計算。對於測量結果中的可疑數據應按可疑數據的剔除原則處理。
(6)探索性實驗的選題
給中學生安排探索性實驗,並不是讓學生去揭示尚未認識的物理規律,而是讓他們經曆該實驗的全過程之後,對探索性實驗有一個實在的感受,掌握探索未知物理規律的基本方法。
探索性實驗的選題應與中學生的知識水平和教學任務相適應。在選題方麵應注意到以下幾點:
①根據中學生學到的數學知識和在實驗時間上的限製,實驗結果的經驗公式以一次線性為宜。如:
A線性關係:Y=a+bxB反比關係:Y=a+b/xC冪關係:Y=axbD指數關係:Y=aexp(bx)改直:lny=lna+bx以上各式中x為自變量,y為應變量,a、b為常數。
②兩個被測量之間的變化特征具有較強的可觀察性。
③經驗公式的理論分析不宜過於複雜。
實驗結果的表示
實驗結果的表示,首先取決於實驗的物理模式,通過被測量之間的相互關係,考慮實驗結果的表示方法。常見的實驗結果的表示方法有圖解法和方程表示法。在處理數據時可根據需要和方便選擇任何一種方法表示實驗的最後結果。