中學(xué)物理實驗教學(xué)與設(shè)計研究

中學(xué)物理實驗

教學(xué)與設(shè)計研究北京師范大學(xué)物理系李春密1第一部分中學(xué)物理實驗教學(xué)研究一物理實驗在物理學(xué)發(fā)展的作用1、發(fā)現(xiàn)新事物和探索新規(guī)律。2、驗證理論。3、測定常數(shù)。4、推廣應(yīng)用。2二物理實驗與物理教學(xué)科學(xué)實驗與教學(xué)實驗的比較科學(xué)實驗教學(xué)實驗?zāi)康陌l(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，探索新規(guī)律幫助學(xué)生掌握知識和學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)能力，提高素質(zhì)。內(nèi)容由需要探索的新問題而定，內(nèi)容是新的，一般是未知的。按一定的教學(xué)目的設(shè)計，根據(jù)教學(xué)實際的需要安排。比較成熟的。形式通過實驗觀察、測量、記錄、計算和分析，總結(jié)出規(guī)律。使學(xué)生形成概念，掌握規(guī)律3（一）物理實驗在教學(xué)中的地位1、實驗是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)2、實驗是物理教學(xué)的重要內(nèi)容3、實驗是物理教學(xué)的重要方法。4、實驗是物理教學(xué)的重要手段。4(二)物理實驗在物理教學(xué)中的作用1、培養(yǎng)學(xué)生的興趣和激發(fā)學(xué)生的求知欲。2、創(chuàng)設(shè)學(xué)生有效掌握知識的學(xué)習(xí)環(huán)境。3、訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)方法。4、培養(yǎng)學(xué)生的各種能力。5、培養(yǎng)學(xué)生良好的科學(xué)素質(zhì)。5三實驗原理（一）分析原理是研究實驗的基本方法1、明確實驗的目的、內(nèi)容和要求；2、認真研究實驗原理，對定量或半定量實驗，需要分析實驗的誤差原因及其影響程度；3、確定實驗關(guān)鍵；4、對實驗裝置、器材和實驗條件提出要求并進行選擇5、明確操作要點和注意事項。6（二）實驗原理的科學(xué)性和可行性1、原理的正確性2、原理的確切性3、原理的可行性

7四實驗方法和實驗方案1、實驗歸納法

這是一種由個別到一般的認識方法。其特點是，實驗在前，結(jié)論在后，實驗就是探索規(guī)律的主要手段。這種實驗人們常稱為探索性實驗。2、實驗驗證法

這是一種推理、判斷在前，實驗驗證在后的研究方法（即演繹法）。實驗驗證法是與想象、推理、判斷等思維形式緊密結(jié)合起來的方法，是人們的認識能力充分發(fā)展的表現(xiàn)。3、理想實驗的方法

理想實驗是人們頭腦中想象的實驗，是一種思維活動，是在已有實踐的基礎(chǔ)上，經(jīng)過推論、判斷得出理想條件下的物理規(guī)律的方法。84、實驗方法和實驗方案的選擇原則①儀器裝置簡單明了，易于搭配和制作。②現(xiàn)象清晰，效果明顯，易于操作，安全可靠，重復(fù)性好。③緊密結(jié)合課堂教學(xué)。④學(xué)生容易接受。9五實驗裝置和實驗器材1、分析儀器的結(jié)構(gòu)和掌握儀器的工作原理2、了解儀器的技術(shù)參數(shù)和一般用途3、了解儀器的調(diào)整方法和與分析其作用和原理4、分析儀器的結(jié)構(gòu)原理與改進和自制儀器10六、計算機在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用（一）、用計算機處理數(shù)據(jù)（二）、計算機模擬物理實驗

1．課堂演示，強化學(xué)生的直觀感覺

2．建立物理模型

3．展現(xiàn)宏觀或微觀世界

4．顯示實驗的中間過程

5．代替危險性較大的實驗演示11（三）用計算機采集處理數(shù)據(jù)1、工作原理傳感器模擬量線性放大電路A/D轉(zhuǎn)換器模擬通道數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器I/O通道待測物理量去計算機總線圖1采樣原理圖122、斷電自感的采樣實例圖2斷電自感實驗電路圖4圖3圖5133、通電自感現(xiàn)象實驗的討論圖1圖2圖3圖414圖5圖6圖7圖815圖10圖9164、用力傳感器研究瞬時力的問題實驗一、測量最大靜摩擦力和最大靜摩擦系數(shù)17實驗二、沖量實驗18第二部分中學(xué)物理實驗教學(xué)設(shè)計研究一、物理實驗設(shè)計的概念1．物理實驗設(shè)計

物理實驗設(shè)計是指實驗者(包括學(xué)生和老師)在進行物理實驗之前，根據(jù)一定的物理實驗?zāi)康暮鸵?，并根?jù)實驗者已有的經(jīng)驗，運用有關(guān)的物理知識和技能，對物理實驗的儀器、裝置、探究步驟和方法、實驗結(jié)果所進行的一種規(guī)劃和設(shè)想，它包含著對有關(guān)物理知識和實驗技能的掌握與綜合運用。物理實驗設(shè)計是物理實驗教學(xué)中的重要組成部分，它對物理實驗教學(xué)的成敗起著關(guān)鍵的作用。192．探究性實驗探究性實驗是指在未知結(jié)果的情境中，在教師引導(dǎo)和配合下，學(xué)生獨自圍繞自己感興趣的某個問題通過實驗設(shè)計、實驗操作、分析綜合、得出結(jié)論并對結(jié)果進行交流的一種實驗形式。探究性實驗是以科學(xué)地簡縮人類認識歷程和突出所要解決問題為主要特征的前提下，適當減緩學(xué)生主動探索事物的認識坡度，去進行能動認識的學(xué)習(xí)過程。3．驗證性實驗驗證性實驗是指在已知結(jié)果的情景中設(shè)計實驗方案進行操作的過程，實驗者的任務(wù)是嚴格按照實驗條件，安排實驗步驟，按要求進行操作，以求得預(yù)想中的實驗結(jié)果的一種實驗形式。在實驗操作過程中實驗者可以掌握操作要領(lǐng)，獲得實驗的一些基本技能。驗證性實驗因其封閉性、嚴謹性的特點在培養(yǎng)學(xué)生基本技能方面，有不可忽視的作用。20二、物理實驗設(shè)計的功能1．激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣2．培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力3．培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法4．培養(yǎng)團結(jié)協(xié)作精神21三、物理實驗設(shè)計類型1．根據(jù)實驗所追求的精確性劃分

定性實驗設(shè)計主要用于判斷研究對象具有的性質(zhì)，是定量實驗研究的基礎(chǔ)，同時也保證了定量研究的方向，它物理實驗教學(xué)中是常用的一類物理實驗設(shè)計。定量實驗設(shè)計則主要從量的角度研究物理對象的性質(zhì)以及變量之間的數(shù)量關(guān)系，測量是物理定量實驗研究的基本手段和方法2．根據(jù)實驗教學(xué)的目的劃分

掌握儀器、器材的實驗：有意識地讓學(xué)生了解所用儀器、器材的性能和使用方法

熟悉實驗原理、鞏固知識的實驗：主要是加深學(xué)生對所學(xué)物理概念和原理的理解

掌握實驗方法的實驗：主要使學(xué)生的掌握實驗的方法

訓(xùn)練技能的實驗：主要訓(xùn)練學(xué)生的實際操作能力并掌握一定的實驗技能和方法3．根據(jù)所涉物理知識的獲得方式劃分

驗證型實驗探究型實驗

22四、物理實驗設(shè)計的要素1．實驗?zāi)康?/p>

要有效進行物理實驗設(shè)計，首先要考慮的問題就是實驗?zāi)康?。因為它直接決定著實驗設(shè)計的方法、思想和形式。實驗的目的包括廣義的目的和狹義的目的兩個方面。廣義的講實驗?zāi)康陌ㄖR與技能，過程與方法和情感、態(tài)度價值觀三個方面。狹義的實驗的目的指的是某個物理概念或原理的理解，某種實驗方法的掌握或某項操作技能的熟練程度。2．實驗原理與內(nèi)容3．實驗器材和實驗條件23五、驗證性實驗設(shè)計模式1．物理驗證性實驗設(shè)計策略

實驗者在設(shè)計驗證性實驗時，一般要從如下的程序去認真思考，并設(shè)計好實驗方案：首先，要明確這一實驗要驗證的物理規(guī)律的內(nèi)容（即要驗證哪幾個物理量間的關(guān)系）和這個規(guī)律的成立條件。其次，要弄清為此目的而設(shè)計的實驗需要哪些儀器和器材，并弄清每件儀器的原理、作用和使用方法以及為什么這樣設(shè)計才可以達到實驗?zāi)康?。再次，弄清實驗方法和步驟。如需要先后測量哪些物理量，如何觀察、測量、讀數(shù)和記錄，并設(shè)計好實驗記錄表格。第四，弄清如何分析、處理實驗數(shù)據(jù)，如何根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描繪圖像，并對實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和圖像進行進一步的分析，得出結(jié)論，驗證規(guī)律。第五，必要時還要分析這個實驗是否有局限性。

242．驗證性實驗設(shè)計模式驗證性實驗是在給定一定物理理論或結(jié)果的情況下，根據(jù)一定實驗理論設(shè)計相應(yīng)的物理實驗來檢驗物理理論等。圖1物理驗證性實驗設(shè)計模式25六、探究性實驗設(shè)計模式1．探究性實驗設(shè)計的策略進行探究性實驗的設(shè)計，首先要求實驗者要從實驗課題出發(fā)，對所探索的問題進行“科學(xué)猜想”，并從“科學(xué)猜想”和實驗原理入手，運用已有的知識和實驗技能設(shè)計實驗方案；注意弄明白實驗原理，弄清需要先后測量哪些物理量及其所依據(jù)的原理；由學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)或圖像的分析自己去總結(jié)，尋找規(guī)律，從而檢驗“猜想”的正確性，如查實驗結(jié)果跟原先的“猜想”不一致，則應(yīng)否定原先的“猜想”，再進行新的“猜想”，重新設(shè)計新的實驗方案，并進行實驗來檢驗。讓學(xué)生進行探究性實驗設(shè)計的主要目的在于訓(xùn)練他們逐步學(xué)會研究物理問題的實驗方法，在培養(yǎng)、提高他們用實驗方法研究物理問題能力的同時，發(fā)展學(xué)生的多元智能，形成對科學(xué)好奇和熱愛的情感。因此，對于研究多個物理量之間變化規(guī)律的探究性實驗（也包括處理多個物理量之間變化規(guī)律的驗證性實驗），常采用“控制條件”的實驗方法來處理。即實驗時可以在保持其它條件不變的情況下，控制一個條件來考察這個條件變化時所產(chǎn)生的結(jié)果。這樣可以使實驗條件得以簡化，用改變一個量而使另一個量隨之變化的辦法來測出二者之間的定量關(guān)系；在此基礎(chǔ)上再通過綜合、概括、總結(jié)，導(dǎo)出規(guī)律。262．探究性實驗設(shè)計的模式探究性實驗設(shè)計是對結(jié)果未知的實驗根據(jù)假設(shè)來安排實驗方案的一種實驗設(shè)計形式。根據(jù)理論研究和對原則策略的討論，其設(shè)計的過程可形象地表示為下圖的形式。選題明確目的提出假設(shè)驗證修正擬訂探究方案收集相關(guān)素材圖2物理探究實驗設(shè)計教學(xué)模式27第三部分中學(xué)物理疑難實驗研究28一、運動和力的實驗研究（一）、運動規(guī)律的實驗研究1、運動規(guī)律實驗研究的基本問題和主要困難聯(lián)系著時間和空間的測量就是運動規(guī)律實驗研究的基本問題。2、運動規(guī)律實驗研究的基本方法（1）按時定位根據(jù)事先設(shè)定的時間信息來記錄運動物體空間位置的實驗方法。（2）按位定時在運動物體必經(jīng)的路徑上事先確定出計時點并測得它們的空間位置，根據(jù)物體經(jīng)過這些點的時刻來研究其運動的實驗方法。（3）時位同定在記錄時間的同時記錄運動體空間位置的實驗方法。29（二）瞬時速度教學(xué)的困難及其實驗研究1、瞬時速度教學(xué)的困難及其原因分析2、用平均速度近似代替瞬時速度的測量方法及其教學(xué)應(yīng)用研究3、用測量勻速運動的速度來測量瞬時速度的實驗方法分析研究30（三）、力的演示與測量實驗研究

1．微小形變的顯示

2．摩擦力方向的實驗演示（四）、運動與力關(guān)系的實驗研究（五）、拋物體留跡問題研究31三、機械振動和機械波疑難實驗分析與實驗方法的改進(一)、簡諧運動圖像的演示(二)、機械波的演示1、繩中橫波的演示2、縱波的演示32四、流體力學(xué)疑難實驗研究（一）浮力產(chǎn)生原因的實驗研究（二）壓強的演示33五、熱學(xué)疑難實驗研究(一)、晶體的熔化與凝固實驗

1、實驗過程及影響實驗成敗因