中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與設(shè)計(jì)研究

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

教學(xué)與設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)研究一物理實(shí)驗(yàn)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(yàn)證理論。3、測定常數(shù)。4、推廣應(yīng)用。2二物理實(shí)驗(yàn)與物理教學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)實(shí)驗(yàn)的比較科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)?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(jì)，根據(jù)教學(xué)實(shí)際的需要安排。比較成熟的。形式通過實(shí)驗(yàn)觀察、測量、記錄、計(jì)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(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的地位1、實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)2、實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要內(nèi)容3、實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要方法。4、實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要手段。4(二)物理實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)原理（一）分析原理是研究實(shí)驗(yàn)的基本方法1、明確實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要求；2、認(rèn)真研究實(shí)驗(yàn)原理，對定量或半定量實(shí)驗(yàn)，需要分析實(shí)驗(yàn)的誤差原因及其影響程度；3、確定實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵；4、對實(shí)驗(yàn)裝置、器材和實(shí)驗(yàn)條件提出要求并進(jìn)行選擇5、明確操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。6（二）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案1、實(shí)驗(yàn)歸納法

這是一種由個別到一般的認(rèn)識方法。其特點(diǎn)是，實(shí)驗(yàn)在前，結(jié)論在后，實(shí)驗(yàn)就是探索規(guī)律的主要手段。這種實(shí)驗(yàn)人們常稱為探索性實(shí)驗(yàn)。2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證法

這是一種推理、判斷在前，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在后的研究方法（即演繹法）。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(rèn)識能力充分發(fā)展的表現(xiàn)。3、理想實(shí)驗(yàn)的方法

理想實(shí)驗(yàn)是人們頭腦中想象的實(shí)驗(yàn)，是一種思維活動，是在已有實(shí)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(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)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(jìn)和自制儀器10六、計(jì)算機(jī)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用（一）、用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)（二）、計(jì)算機(jī)模擬物理實(shí)驗(yàn)

1．課堂演示，強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的中間過程

5．代替危險(xiǎn)性較大的實(shí)驗(yàn)演示11（三）用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)總線圖1采樣原理圖122、斷電自感的采樣實(shí)例圖2斷電自感實(shí)驗(yàn)電路圖4圖3圖5133、通電自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)一、測量最大靜摩擦力和最大靜摩擦系數(shù)17實(shí)驗(yàn)二、沖量實(shí)驗(yàn)18第二部分中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)研究一、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的概念1．物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指實(shí)驗(yàn)者(包括學(xué)生和老師)在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)之前，根據(jù)一定的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，并根?jù)實(shí)驗(yàn)者已有的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用有關(guān)的物理知識和技能，對物理實(shí)驗(yàn)的儀器、裝置、探究步驟和方法、實(shí)驗(yàn)結(jié)果所進(jìn)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(shí)驗(yàn)技能的掌握與綜合運(yùn)用。物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要組成部分，它對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成敗起著關(guān)鍵的作用。192．探究性實(shí)驗(yàn)探究性實(shí)驗(yàn)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(dú)自圍繞自己感興趣的某個問題通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、分析綜合、得出結(jié)論并對結(jié)果進(jìn)行交流的一種實(shí)驗(yàn)形式。探究性實(shí)驗(yàn)是以科學(xué)地簡縮人類認(rèn)識歷程和突出所要解決問題為主要特征的前提下，適當(dāng)減緩學(xué)生主動探索事物的認(rèn)識坡度，去進(jìn)行能動認(rèn)識的學(xué)習(xí)過程。3．驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是指在已知結(jié)果的情景中設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作的過程，實(shí)驗(yàn)者的任務(wù)是嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)條件，安排實(shí)驗(yàn)步驟，按要求進(jìn)行操作，以求得預(yù)想中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一種實(shí)驗(yàn)形式。在實(shí)驗(yàn)操作過程中實(shí)驗(yàn)者可以掌握操作要領(lǐng)，獲得實(shí)驗(yàn)的一些基本技能。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)因其封閉性、嚴(yán)謹(jǐn)性的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)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(tuán)結(jié)協(xié)作精神21三、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類型1．根據(jù)實(shí)驗(yàn)所追求的精確性劃分

定性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要用于判斷研究對象具有的性質(zhì)，是定量實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，同時也保證了定量研究的方向，它物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是常用的一類物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。定量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)研究的基本手段和方法2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的劃分

掌握儀器、器材的實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)原理、鞏固知識的實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)方法的實(shí)驗(yàn)：主要使學(xué)生的掌握實(shí)驗(yàn)的方法

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

驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)探究型實(shí)驗(yàn)

22四、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要素1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

要有效進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先要考慮的問題就是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。因?yàn)樗苯記Q定著實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法、思想和形式。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)的目的指的是某個物理概念或原理的理解，某種實(shí)驗(yàn)方法的掌握或某項(xiàng)操作技能的熟練程度。2．實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容3．實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)條件23五、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式1．物理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)策略

實(shí)驗(yàn)者在設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)時，一般要從如下的程序去認(rèn)真思考，并設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案：首先，要明確這一實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證的物理規(guī)律的內(nèi)容（即要驗(yàn)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(jì)的實(shí)驗(yàn)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(jì)才可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。再次，弄清?shí)驗(yàn)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(jì)好實(shí)驗(yàn)記錄表格。第四，弄清如何分析、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪圖像，并對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行進(jìn)一步的分析，得出結(jié)論，驗(yàn)證規(guī)律。第五，必要時還要分析這個實(shí)驗(yàn)是否有局限性。

242．驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是在給定一定物理理論或結(jié)果的情況下，根據(jù)一定實(shí)驗(yàn)理論設(shè)計(jì)相應(yīng)的物理實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)物理理論等。圖1物理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式25六、探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模式1．探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的策略進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，首先要求實(shí)驗(yàn)者要從實(shí)驗(yàn)課題出發(fā)，對所探索的問題進(jìn)行“科學(xué)猜想”，并從“科學(xué)猜想”和實(shí)驗(yàn)原理入手，運(yùn)用已有的知識和實(shí)驗(yàn)技能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；注意弄明白實(shí)驗(yàn)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(yàn)“猜想”的正確性，如查實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟原先的“猜想”不一致，則應(yīng)否定原先的“猜想”，再進(jìn)行新的“猜想”，重新設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。讓學(xué)生進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)方法，在培養(yǎng)、提高他們用實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)（也包括處理多個物理量之間變化規(guī)律的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)），常采用“控制條件”的實(shí)驗(yàn)方法來處理。即實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模式探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是對結(jié)果未知的實(shí)驗(yàn)根據(jù)假設(shè)來安排實(shí)驗(yàn)方案的一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)形式。根據(jù)理論研究和對原則策略的討論，其設(shè)計(jì)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(yàn)證修正擬訂探究方案收集相關(guān)素材圖2物理探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)教學(xué)模式27第三部分中學(xué)物理疑難實(shí)驗(yàn)研究28一、運(yùn)動和力的實(shí)驗(yàn)研究（一）、運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究1、運(yùn)動規(guī)律實(shí)驗(yàn)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(yùn)動規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究的基本問題。2、運(yùn)動規(guī)律實(shí)驗(yàn)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(yùn)動物體空間位置的實(shí)驗(yàn)方法。（2）按位定時在運(yùn)動物體必經(jīng)的路徑上事先確定出計(jì)時點(diǎn)并測得它們的空間位置，根據(jù)物體經(jīng)過這些點(diǎn)的時刻來研究其運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)方法。（3）時位同定在記錄時間的同時記錄運(yùn)動體空間位置的實(shí)驗(yàn)方法。29（二）瞬時速度教學(xué)的困難及其實(shí)驗(yàn)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(yùn)動的速度來測量瞬時速度的實(shí)驗(yàn)方法分析研究30（三）、力的演示與測量實(shí)驗(yàn)研究

1．微小形變的顯示

2．摩擦力方向的實(shí)驗(yàn)演示（四）、運(yùn)動與力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究（五）、拋物體留跡問題研究31三、機(jī)械振動和機(jī)械波疑難實(shí)驗(yàn)分析與實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)(一)、簡諧運(yùn)動圖像的演示(二)、機(jī)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(shí)驗(yàn)研究（一）浮力產(chǎn)生原因的實(shí)驗(yàn)研究（二）壓強(qiáng)的演示33五、熱學(xué)疑難實(shí)驗(yàn)研究(一)、晶體的熔化與凝固實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)過程及影響實(shí)驗(yàn)成敗因