中学物理实验教学的分类设计

 

物理实验因不同的划分标准有不同的分类：按研究问题的质与量划分，有定性实验和定量实验；按实验目的，可分为探索性实验、验证性实验、训练性实验和测定性实验；按实验的手段分为对比实验、模拟实验。按实验主体的不同，物理实验又可分为演示实验和学生实验两大类。前者主要研究如何组织课堂演示物理实验，后者主要研究学生分组进行物理实验和课外物理实验的教学问题。其中学生分组实验又可分为学生实验课与边教边实验课两种具体实施形式。根据中学物理实验教学的实际，重点介绍演示实验和学生分组实验。

  （一）、课堂演示实验的设计

  课堂演示物理实验是指教师配合教学内容利用课堂时间为学生演示，在操作的同时又引导学生对实验进行观察、思考和分析的一种实验教学方式。在课堂演示物理实验中，通过指导学生对现象的观察和分析、可以使学生获得生动的感性认识，从而更深刻地理解物理概念和规律，培养学生的分析、综合等逻辑思维能力。演示实验可以集中学生的注意力，使教学过程活泼生动，提高学生的学习兴趣。此外，教师对待演示实验的严谨作风和科学态度对于学生的实验素养起着良好的潜移默化作用。

  演示实验一般在教室或专用演示室进行，由教师操作演示，要求学生看、听、记。它以全体学生集体观察为特点，并紧密结合教学内容，使现象和规律在特定条件下再现，往往会给学生留下深刻的印象。对于某些条件、技术要求较高，限于学生能力不足的实验，应以演示实验为主要形式。演示实验虽是教师做实验，但并不排除学生参与，仍可充分调动学生积极性。物理演示实验的教学效果不仅取决实验本身是否成功，还取决于实验前后及操作过程中的教学组织。所以在设计、演示实验时应注意以下几个问题：

（1） 、演示实验要具有科学性

演示实验是传授知识，揭示客观世界规律性的手段，不允许出现科学性的错误。因此，从实验的设计，操作，到分析都必须抱着实事求是的科学态度。任何实验，误差是难免的，演示时不应回避，更不应该弄虚作假，要向学生说明演示中存在的误差及其产生原因。另外，要正确对待演示中的失误。备课时做好充分准备，可以提高演示的成功率，但不能保证课堂上一定不出问题，有的教师在出现故障时，往往手足无措，要么仪器不行搪塞过去，要么编造一个假的数据，这必然对学生造成不良影响。实验中应如实分析失败的原因，强调实事求是的重要性。要向学生说明科学家在探索中也经常失败，但他们不怕挫折，实事求是的分析失败的原因，最终发现真理，以激励学生不屈不挠的科学探索精神。那种由于演示实验可能失败而宁可不做的想法，更是不可取得。

（2） 、准备充分，确保演示成功

演示实验的成功与否，很大程度上取决于准备工作的好坏。要确保演示成功，首要条件是要掌握实验原理。只有掌握实验原理，才会目的明确，抓住关键，设计实验才能做到科学、鲜明，才能成功的进行实验和改进实验。其次，要做好实验条件的准备工作。要科学的布置教室或实验室，营造演示实验环境。如实验室应设置演示实验照明灯，灯光集中照射在演示台上，具有将学生注意力集中在观察现象上来的作用。实验室比一般教室面积大，应设置专用的黑板照明灯。课前要做好实验安排，检查室内的照明、供水、供电、窗帘等设施。教师要熟悉仪器的性能、检查仪器状态是否良好，熟练使用仪器，装备好仪器设备。若实验室无现成的仪器，教师能制造的，应克服困难，创造条件，努力制作。有些实验的成败外界条件关系很大。例如空气的湿度对静电实验很有影响，某些电学实验跟电源电压的稳定性有关。。。。。等等，这些在实验环境准备时都应重视。第三，要注意实验方法的选择。同一实验，一般可用不同的方法，教师应根据教学大纲、教材内容、教学条件，学生的实际状况选择最佳的实验方法。第四、要重视课前试做。教师为了确保实验成功，不论在以往的教学中对某个演示实验做过多少遍，课前仍必须作充分的准备和试做。通过试做能取得最佳数据、最优的组合、最佳效果的操作程序和物质准备，通过试做能排除课堂演示时可能出现的各种不利因素。

（3） 、演示实验要明显直观、简单可靠

演示物理实验一定要做到现象明显清楚，学生才能印象深刻。为了使课堂上所有学生都能看清楚，设计演示实验时应注意以下问题：

（A）物理过程的变化要显著。如为了观察玻璃瓶的微小变化，可取一只大墨水瓶，瓶口加橡皮塞，塞中插一细玻璃管，瓶内装满颜色水，并使水位升到细管中。用一只手去紧握玻璃瓶，则见细玻璃管中水位很明显上升。这样便将不易观察到的玻璃瓶的微小形变显示出来了，。又如为了说明金属盒气压计的工作原理，采用吹弯纸管的方法演示，只要稍微改变纸管内的压强，就能使纸管的弯曲半径有明显变化。

（B）演示仪器的尺寸要比较大。演示仪器的尺寸要大，尤其是观察部分的尺寸要大，刻度线要粗，要使教室内最远的学生都能看清楚。这样做，显然精密度有所降低，但可以用感受效果来补偿。当仪器的尺寸再大也不足以使学生看清楚时，可通过投影、机械放大、光、杠杆、放大电路等方式来提高演示效果。如进行热膨胀演示时，将棒的一端固定，并使棒的另一端抵在一个指针的支点附近，这样当铜棒受热膨胀，长度的微小变化便可利用指针的转角而得以放大，从而增强实验效果。

（C）仪器放置的高度要适当，将水平放置的实验和图像尽可能改为竖直放置

为了使教室里后排的学生也能看清演示实验，可用升降台、小凳或特制的小桌，将仪器垫高些，或把仪器提盒翻过来垫在讲台上就成了一个垫高仪器的小桌。某些平放在桌面上的装置和图像，要尽可能的使它竖直起来。如，电学实验线路最好能安装在线路示教板上，演示时可将示教板竖直起来面对学生。再如磁力线只能在水平面上演示，可以用平面镜与水平面成适当的角度，让学生看磁力线在平面镜里所成的像。为了使学生更加清楚地观看演示现象，还可采用磁性黑板和尼龙搭扣示教板把器件粘附在竖直面上进行演示。

（D）利用背景衬托增强演示效果。要使被观察的主体对比强烈，易于分辨，通常可采用衬托背景——染色、生烟、照明等方法来增加对比效果。若观察对象是反射光显示（如电表，温度计读数），可采用强光照射，增大背景或色彩反差。若观察对象本身是发光显示（如荧光屏，折射光束），可采用增加本身光强，改变光色，增大其背景环境——光差等方法。

演示实验不但要明显，而且要直观，就是为了能从实验中直接观察到物理过程，认识现象本质。例如，沸点与压强关系的演示，用抽气法就比冷凝法更为直观。又如，用旋转磁铁的方法演示电动机原理，就比搬一个真的电动机来做实验更能突出原理。

演示实验要求简单，这是为了排除次要因素，突出主要矛盾，突出结构原理，而不会被那些次要的因素所干扰。

演示实验应有较好的稳定性，实验装置要牢靠稳固，经得起反复操作和轻微震动，要有很好的现象重复性，达到一做就能成功的程度

（4） 、演示实验要求操作规范，准确安全

正确的操作不仅是保证实验成功和实验安全的需要，而且教师的每一个动作都对学生起着示范作用，对培养学生良好的实验习惯，实验技能起着潜移默化的影响。所以，教师在操作中一定要做到规范、熟练、安全。讲台上一般不要堆放仪器，凡是没有用到或已经用过的仪器（包括附件）应放在演示桌下，演示时仪器要面向学生，背朝教师，矮小仪器在前，高大仪器在后，必要时后排仪器要用台架或木块垫起来，不要互相遮蔽；演示仪器的放置角度要有利于学生观察，演示时，教师不要让身体部位遮住学生的视线，仪器的可动部分演示时要左右移动，而不是对着学生前后移动。

演示实验必须做得准确，干净利索。讲解时要精辟、简要、规范、准确，如教师面对学生进行演示和讲解，教师的左右方向正好跟学生的左右方向相反，教师讲解时，应以学生的左边称左边，学生的右边称右边，以免造成思维混乱。

演示实验必须坚持安全第一。实验仪器、装置要牢固、稳定、保险防护措施要落实；在实验准备过程中，要仔细研究实验的不安全因素，消除隐患，杜绝事故；实验时要严格按操作规程操作，确保仪器设备和人身的安全。

（二） 学生分组实验设计

学生分组实验是在教师的指导下，学生在课堂中独立完成物理实验操作，处理实验数据，得出实验结论的一种物理实验教学方式。

学生分组实验是学生掌握实验操作技能，培养物理操作能力，实践物理研究方法的重要环节，它不仅可以培养学生独立动手能力，而且能够使学生养成实事求是、严肃认真、科学严谨的良好习惯，对学生参加各项工作将起到有益的作用，所以在教学中特别重视分组实验教学，充分挖掘它在教学中的各种功能。

（1） 、学生分组实验的分类

按实验的目的不同，学生分组物理实验分为5类

（a) 侧定性实验，以测定物理常数的值为主要目的的实验。如测定物质的密度、比热、电阻率等，测定物体的速度、加速度；测定电源的电动势和内电阻等

在这类实验中应弄懂实验原理，了解仪器和量具的精度，并按有效数字的准则记录和处理数据。这类实验能使学生更进一步熟悉有关仪器，量具的作用。

（B）训练性实验

  以掌握仪器的性能和使用方法，提高操作技能为主要目的的实验。在分组物理实验中，应训练掌握的基本仪器和量具：刻度尺、游标卡尺、螺旋测微仪、停表、天平、弹簧秤、气压计、打点计时器、量筒、温度计、电源、安培表、伏特表、电流计、滑动变阻器、电阻箱、万用电表等。在实验中，教师按操作规范认真示范，让学生反复操作，准确熟练掌握。通过训练，使学生真正掌握基本仪器、仪表和量具的使用方法，理解它们的原理和构造，了解它们的性能和用途，以便使用它们进行观察、测量。

（C）、验证性实验 以验证已学过的物理知识为主要目的的实验。在物理学的研究中，当人们对研究对象有了一定的认识后，根据已知的理论和实验，对一些物理现象的存在、原因或规律作出推测、提出假说，或形成新的理论时，为了检验它们的正确与否而设计的实验叫验证性实验。中学物理教材中的学生分组物理实验大多是验证性实验。它是通过学生独立实验，来验证所学规律的正确性，加深对规律的认识。实验前，学生应首先正确理解被验证规律的内容及适用范围，从而理解实验原理及其控制的因素；其次，学生已学了规律，知道实验结果会如何，故往往不顾理论结果与实际结果的区别而并凑数据。因此，在实验中必须对学生进行实事求是的科学态度教育，教师也应课前先做实验，从而明确误差范围，以便正确指导。

（D)、探索性实验 以获取物理知识为主要目的的实验。探索性实验一般是指人们从事开创性的研究工作时，为了探寻未知自然事物或现象的性质及规律所进行的实践活动。其特点是实验前人们对研究对象不了解。像中学教材中对电磁感应现象、平抛运动规律、互成角度两个共点力的合成的研究等都属探索性实验。

  在实验教学中组织学生通过实验来模仿前辈科学家发现科学规律过程，让学生独立的以实验的手段解开科学之谜，可极大的激发学生的求知欲，充分调动他们的学习积极性，培养独立工作能力和科学创造能力。因此，探索性实验成为普遍重视的教学形式。

  实施探索性实验，一般应经历引导准备阶段、实验探索阶段、分析概括阶段和运用深化阶段。

（E）、应用性实验 以巩固知识、培养技能、理论联系实际为目的德实验。如照明电路的安装，组装显微镜、望远镜模型等。

  学生分组物理实验的具体组织形式一般有并进式、轮换式和混合式三种。并进式即各组学生同时做相同内容的实验；轮换式即各组做不同的实验，然后按既定顺序轮换直至每组完成所有的实验；混合式为在轮换式基础上的并进式，即将若干实验小组合为大组，小组之间为并进式，大组间为轮换式。并进式的组织方式简单，易于配合教学进度，但仪器需要套数多。轮换式不易于配合教学进度，但仪器利用率高，适用于配备差的学校。

（2） 、学生分组物理实验的程序

在实验室里进行的物理实验，一般是在人为的条件下，再现或重复某一物理现象，并借助于各种仪器研究其变化规律。进行学生物理实验的一般程序是：设计实验、安装实验、观察测量、计量数据、数据处理和分析、写出实验报告

（A） 、设计实验 实验设计是根据实验目的，制定实验方案，其中包括采用的实验方法及其原理；明确需要直接测量那些物理量；怎样计算出实验结果；根据实验的要求，选配适当的仪器；拟定合理的操作步骤等内容。

例如：要测定某一电阻的阻值，可采用伏安法，并根据实际情况决定采用内接法还是外接法，画出电路图，选用恰当的电流表、电压表和变阻器，再写出由测出的电流、电压值求得阻值的公式，最后确定合理的实验步骤，既要有利于取得较好的实验数据，又要节约时间，还要保证安全。

（B）、实验操作及观察

实验操作及观察，是把实验方案付诸实施。首先，仪器的安装、布局、连接都需合理，既要便于操作，又要便于观察和读取数据。其次，按照拟定的实验步骤进行规范地操作、观察和测量，及时记下测得的数据。第三，分析并排除实验中出现的故障。第四，实验结束时，要整理好仪器。

（C）、实验数据的记录与处理。

  在实验的过程中，测量所得的数据和观察到的现象，必须认真做好记录。记录数据，首先必须忠于事实，决不允许有丝毫的虚假和差错。其次，还须注明记录的时间，说明实验所用的仪器、待测对象（样品）的编号或标志等。

  记录的数据须加以分析和处理。数据的处理是物理实验的一项重要内容。在中学阶段，常用的数据处理方法有两种。即列表法与图示法。

  列表法：列表法是根据实验的内容，设计适当的表格，把测量的数据，按实验的顺序填入表内，然后再作计算。这种数据处理法，简单易做,利于比较。设计表格应做到（1）、要说明实验条件（2）、要有原始实验数据记录栏（3）、数据表示要完整，栏目中要说明物理量的符号和单位（4）、要简明，便于总结物理规律。

  图示法：图示法也叫作图法或图像法，它是根据实验记录的数据，选择适当的平面坐标系进行描点。画图分三步：第一步建立坐标系。一般采用直角坐标系，横轴表示自变量，纵轴表示因变量。坐标原点可以从零开始，也可从某一定值开始，坐标的分度适当，使所得曲线处于坐标线的中部；第二步用”+”表明实验数据点，描出曲线，由于测量误差的存在，实验点不可能精确落在一条曲线上，因此描点时不应该使曲线强行通过各实验数据点及坐标原点，曲线尽可能与所有实验数据点接近，使其成一条光滑的曲线或直线；第三步，根据数据所得的曲线（或直线），可得知两个变量的函数关系，从而得知两个变量之间的一般规律，或根据实验曲线求出未知量。

图示法的优点是简明直观，便于显示关系中的特殊之点，还能排除一些有明显差错的坏值。

（D）、实验报告 实验结束后，应完成实验报告。实验报告的内容包括：实验名称、实验目的、实验原理、实验步骤、数据记录，分析结论，必要时尚需有问题讨论。实验报告要求简洁、明确，图文正确，文理通顺。

（3） 、学生分组物理实验的基本要求：

  要提高学生的分组物理实验的教学效果，需注意以下三点

（A） 、认真做好实验的准备工作 任课老师、实验员和学生都要认真做好实验前的准备工作。

  任课教师要认真备好实验方案，制定本学期学生实验计划，排出实验课程表，提前一周填写学生实验通知单送交实验室签收。要分班级成立实验小组，确定组长，达到人人定组、定位、定仪器，做好三定管理。对学生进行遵守实验守则的教育，了解实验室是进行科学实验的场所，不仅要有科学态度，而且要爱护仪器设备。上课前必须到实验室先试做实验，熟悉仪器性能，体会难点，分析掌握实验成功的条件和关键，设身处地为学生着想，拟定实验注意事项，并检查仪器数量及其完好情况，如有问题应及时向实验员提出。其次，要上好实验指导课，引导学生预习实验教材，领会实验的要求和过程，提出问题让学生思考和理解，设计好实验方案。

学生要预习实验，了解实验的目的、原理、步骤和方法，做好实验设计方案，了解与实验有关的内容。如做“测定金属的电阻率”实验，除了要预习课本上的实验内容、熟悉使用有关器材外，还有必要回顾初中学过的“伏安法测电阻”的实验知识。实验前应熟悉《学生实验守则》保障实验安全进行。

（B）、切实加强实验指导

  学生做实验时，教师和实验员要加强巡视、检查、指导。注意观察学生实验情况，坚持全面指导和个别指导相结合。发现问题时不要代替学生去解决，要进行启发诱导，让学生自己寻求解决的办法，从而培养学生的独立工作能力。对实验中学生普遍存在需要立即解决的问题，可暂停实验，教师指导后再继续进行，但讲解要简要，不要过多的占用实验时间。

每种实验仪器都有其特有的性能和操作方法，使用时要求学生遵守操作规程，注意安全。爱护仪器，不了解仪器的操作方法不能乱动仪器，不得擅自拆卸仪器，更不能将仪器私自带出实验室。损坏仪器应及时报告，及时处理。指导学生细心操作、认真观察，及时记录实验数据。不允许实验后追记，更不得拼凑实验数据。如遇到学生自己不能处理的问题，如仪器失灵等，应及时报告老师。在教师排除故障时，学生应认真观察教师操作。电学实验在连好线路后应请教师检查，判定线路正确无误后方能接通电源。

实验员要参与辅导学生实验，及时排除实验过程出现的故障，发现因仪器问题导致误差的原因，掌握第一手材料，进而想法改进实验。

（C）、及时做好实验总结工作

  实验结束后，要重视总结工作，这往往是容易被忽略的环节。学生实验后的总结，对于提高整个实验课的质量，对于学生良好行为、习惯的养成，指导以后的实验教学，所起的作用是至关重要的。没有实验后的总结，则是一堂不完整的实验课。实验总结包括一下内容：

  （1）、指导完成实验报告 实验报告最好能当天完成，以防止实验中感知的现象在头脑中淡化。书写或填写实验报告，一定要实事求是，要根据自己的观察和记录独立完成。要防止学生在实验课上不专心观察，却忙于完成实验报告，以及相互抄袭实验报告的现象。

  为了让学生学会作书面报告，开始阶段要有实验报告的示范程式，包括实验课题、、目的、器材、步骤、记录表格，以后逐步提高要求，让学生练习设计记录表格并进而要求学生独立设计和写出完整的书面报告。

  （2）、重视实验的讨论、分析和小结 实验结束后，教师要认真批改实验报告。同时还要组织学生进行讨论和总结，分析产生实验误差的原因，提出改进实验的建议。总结点评实验课堂情况，表扬认真实验并取得好的实验效果的小组和个人，也要指出不足之处。

为了积累经验，提高老师的实验水平，在每节实验课后，教师要在分析学生实验报告的基础上，根据自己所观察的学生实验情况，在教案的后面，简明扼要地写上教后感或课后记，写上成功的经验和存在的问题，以便下次实验时参考。

（三） 学生课外实验

课外物理实验是不占用课堂教学时间进行的一种物理实验教学形式，在教科书中已被选为专门的内容。课外物理实验是指必须在课堂外完成的属于课堂教学内容之内的实验，以及家庭小实验等。

课外物理实验活动按内容可分为5种形式：（1）、观察性实验 引导鼓励学生在日常生活中观察自然现象，认识自然规律。这对于培养学生学习兴趣，提高学生的观察能力、洞察事物的思维能力是很有必要的。如在日常生活中观察天气变化中风、雨、雪霜的形成特点，水波的产生、传播规律、雨后的彩虹等。常采用的方法是：经常布置观察课题，鼓励学生写观察日记，定期举办观察发现汇报会，配合实验复制观察到的自然现象等。

（2） 、课堂教学的补充性实验 根据教材内容、教材特点，安排学生课外在家庭、或实验室做一些补充性小实验，帮助学生更深刻的理解物理概念规律，灵活运用所学知识、训练实验技能。如让学生用不同的方法测声速、测重力加速度、验证机械能守恒定律等。

（3） 、课外小制作 物理教学的最终目的是让学生在将来的工作中去灵活的应用所学知识，并有所发展。最好的教法是让学生手脑并用，发展思维能力，培养动手创造能力。让学生在力所能及的情况下，制作一些简单仪器。如弹簧秤、杠杆、天平、显微镜、小电动机等。学生在制作中必然会有所创造，有所突破、有所提高。

（4） 、趣味性小实验 让学生在课外自己亲手做一些有趣的小实验 。如纸锅烧水，上滚圆锥，沸水煮鱼等，能极大的提高学生学习物理兴趣，活跃课外生活。适当时，还可组织物理趣味游艺会，让学生自己表演，用于提高全体学生的学习兴趣。

（5） 组织课外科技活动小组 为了使学生更深刻的了解现代科技的成就和应用，使学生获得物理实验研究方法的训练，可以把一些能力较强、兴趣较浓厚的学生组成课外科技活动小组，在教师的指导下，开展各种实验活动。如，成立航模小组、电工小组、无线电小组、摄影小组、地震预报小组、气象测报小组、仪器和教具制作小组、物理观察小组、物理科研小组等。组织举办科技夏令营、物理科技主题会、物理科技晚会、物理科学考察、物理科技参观、物理手抄报、物理橱窗、物理集锦、物理科技展览、物理科普书刊阅读、物理科技录像、物理科技板报、物理科普讲座、访问科学家（科技工作者）物理科学幻想画、物理科技小发明、物理科学小论文、物理知识竞赛、物理实验竞赛等活动。

让学生在活动中得到锻炼和提高。各个科技活动小组都应有确能胜任的教师负责。定出计划，包括教师讲课，学生动手实习的内容和时间的安排等。对活动要有明确要求，提倡学生互帮互学，共同提高。教师应注意激发学生的求知欲，加深和扩大学生的知识面，培养学生的创新意识和创造能力，使学生能够把书本知识灵活的应用于社会实践中去。学生在课外实验中得出的有关结论，教师在课堂上应引导学生展开讨论，并在课堂教学中注意应用，这有利于提高学生的课外实验兴趣。这类实践性活动对教师的业务素质要求较高，教师应努力学习，加强知识的积累和更新，不断充实和完善自己，真正胜任辅导工作。