物理實驗設計論文

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摘要:物理實驗是物理教育與物理研究的重要手段和組成部分，中學物理教育中對物理實驗的重視程度直接關系到學生對物理學習的興趣及物理研究思維、能力的高低．從美國的主流高中物理教材《物理原理與問題》一書中我們可以清晰地看出這個全球領先的教育大國對物理教育中物理實驗的重視程度，并由此得出此書中的物理實驗無論在數量還是在質量上都有著我們可以借鑒的地方．

關鍵詞:中美教材;《物理原理與問題》;實驗設計

《物理原理與問題》是一部依據“美國科學教育標準”而編寫優秀高中教材，也是當今美國高中主流的理科教材，全書共分為上中下三冊，知識體系與內容與我國的傳統物理教材并無太大的區別，但《物理原理與問題》教材中的實驗部分內容無論從數量上還是質量上都高于我國的傳統物理教材，筆者就此書上的幾個中學物理實驗的內容和設置來談談自己的感受，并參照我國人教版的物理教材相似部分作以比較．

1《物理原理與問題》學生實驗的設置

《物理原理與問題》中的學生實驗部分分為“起步實驗”、“物理實驗”、“迷你實驗”三種類型，共計90個平均分布在全書30個章節之中．“起步實驗”設置在每一章的開始部分，是導入本章學習內容的相關實驗，縱觀全書，此類實驗設計比較通俗易懂，對實驗器材的要求不高且趣味十足，為提高學生對本章的學習興趣奠定了一定的基礎;“迷你實驗”一般貫穿在學習章節的中部，是對本章的一個重點內容的探究性實驗，實驗的設計、操作都比較簡單;“物理實驗”則安排在一章的結束部分，是對本章學習內容的一個總結性探究實驗．這類學生實驗相對前兩類實驗而言比較復雜，由具體的問題、實驗目標、安全警示、實驗器材、實驗步驟、分析、結論與應用、進一步探索、生活中的物理學九個部分組成．并且可以分為互聯網式的觀察實驗，以計算器為基礎的實驗室(CBL)的數據處理實驗以及設計類實驗為代表的三種類型．

2《物理原理與問題》學生實驗的特點分析

《物理原理與問題》學生實驗的與我國高中傳統教材中的學生實驗相比較而言有著很多的特點與特色，具體表現如下:2.1實驗設計簡單易懂，一般不需要復雜的專業實驗器材以第一章的“起步實驗”為例，在探究物體下落的速度是否相同實驗中，課本只用了五枚硬幣和一小截透明膠帶就完成了實驗的整個過程，學生在觀察中很容易發現兩組硬幣是同時落地的，且對亞里士多德的觀點會產生懷疑．在第二章運動的描述“起步實驗”中，用兩個不同玩具小車的比賽來比較兩車的運動情況，并讓學生收集相關的數據(尺子和電子表)來驗證自己的觀察．第二章“迷你實驗”中“瞬時速度矢量”實驗中用一個1米長的細繩系住一個小重物，然后使重物擺動起來，讓學生觀察幾個來回擺動中物體的運動、速度以及方向．停止物體的擺動，請學生畫一幅圖，表示擺動的最高點，最高點和最低點之間的中點，擺動的最低點，最低點和最高點之間的中點，以及回到擺動的最高點的瞬時速度矢量．最后要求學生分析:(1)何處物體的速度最大?(2)何處物體的速度最小．(3)解釋如何利用所畫的矢量圖求出物體的平均速率．以上所介紹的三個小實驗中沒有一個用到了專業的實驗儀器，大多數器材都是來自生活中的日常用品，這對鍛煉學生的動手能力和觀察能力提供了很大的方便．2.2實驗設計大多來自日常生活中的現象，與學生的社會生活緊密相連第一章結束部分的“物理實驗•互聯網”欄目“對運動中的物體的探究”的實驗是一個以觀察互聯網上錄像片素材的觀察測量實驗，錄像片中的場景是在美國中西部接近中午時段所拍攝的公路上行車的情況，并介紹了許多州在進行空中觀測車速的辦法是以公路右側邊緣處每隔0.322km的白色長方形為標記的方法，這個實驗是讓學生利用手表記錄錄像片中車輛經過公路上兩個白色標記的時間間隔，以此計算車輛在公路上的平均速度，在實驗的分析部分要求學生定性、定量的總結出觀察結果并可以繪制和運用速度時間圖象．第四章結束部分“電梯里的力”這一實驗是利用生活中常用的箱式電梯來做實重和視重(超重、失重)的區別實驗，用到的器材都是如電梯、盤式體重計、彈簧秤等日常生活用品，實驗操作簡單易懂，實驗數據也容易獲得．從這些實驗的設計和操作我們可以發現《物理原理與問題》中的實驗十分注重物理學和日常生活、生產的相結合，實驗器材大都來自于生活用品之中，這無形中就拉近了物理和學生生活的距離，也提高了學生的物理實驗的積極性．2.3實驗設計的自主性強、角度多維化，具有高度的開放性第六章“二維運動”中結束部分的物理實驗“射中目標”主要是探究拋體運動的相關規律和應用，實驗中所使用的器材有:小塑料管(吹氣管)、橡皮筋、紙、膠帶、木塊、釘子、剪刀、衣架、細鋼絲、鋼絲鉗等等．實驗的步驟1首先讓學生想象列舉出可能影響到拋體路徑的各種因素;步驟2讓學生利用這些器材設計一個發射器并確定兩個對拋體飛行路徑影響最大的兩個因素;步驟3與老師討論上述問題并改進后進行實驗．最后收集相關的數據．在這個實驗的設計中我們可以發現這是一個開放性很強的實驗，學生可以依據實驗的目標和器材來自己設計實驗的裝置和操作，充分發揮了學生作為一個獨立個體的能動性，鍛煉了學生的創新思維．3對《物理原理與問題》學生實驗的設計感受眾所周知，物理是一門以觀察和實驗為基礎的自然科學．實驗教學的重要性對物理教育本身有著不可替代的功能性和主體性，是培養學生物理素養和自然科學素養的有效手段．因此，中學物理實驗的數量以及質量對學生學好物理，提高對物理學習的興趣至關重要．《物理原理與問題》一書中的學生實驗部分對我國中學物理教育者來說的確有著很多的啟示．首先，它在物理實驗的數量上真正體現出了物理實驗是物理學習與研究的重要組成部分，而我國傳統的物理教材對物理理論與物理規律的學習過于偏重，在繁雜的物理規律學習中，學生漸漸地就偏向了機械式的記憶學習模式，最終喪失對物理學習的興趣，好在我國新一輪的物理教材改革也逐漸注意到了這個弊端，也做出了相應的改革，但從現行教材來看，實驗的數量還是偏少，實驗的內容質量顯得傳統而呆板，并且對物理教師的實驗培訓工作也做得不夠到位．其次，它在物理實驗設計的質量上也體現出了物理和生活、生產的密切聯系性．我們可以在實驗的目標中看出實驗本身就是對日常生活和生產中的物理現象及規律的研究，實驗的器材也大都來自與生活用品，學生隨手可得，實驗的地點也不僅僅限于實驗室之中．

這樣就給了學生廣闊的實驗時空，這就對學生今后在日常生活生產中不自覺地使用物理知識進行研究和探索打下了基礎．而我國的中學物理實驗在這方面做的很少，大多數的實驗還停留在實驗室中，需要專業的物理實驗器材才能完成，這對學生的動手實驗無疑設置了很多的障礙．楊振寧在對比中、美兩國學生物理素養的時候指出:“中國的學生學習非常刻苦，基礎知識豐富、扎實，且善于考試．但他們卻普遍存在動手能力差，不善于提出問題等缺陷．它山之石，可以攻玉．筆者結合自身教學經驗對美國物理教材實驗設計部分和我國現行物理實驗教育的一點對比．相信只要我國廣大的物理教育者充分發揮“瓶瓶罐罐做實驗”、“生活生產皆研究”的精神，我國的物理實驗教育一定會有質的突破，為我國的物理教育的突破奠定堅實的基礎．

參考文獻:

［1］科學發現者［M］.《物理原理與問題》(美)．齊澤維茨等著浙江教育出版，譯，2008.8．

［2］普通高中課程標準實驗教科書．物理(必修1)［M］．人民教育出版社，006．

作者:張勇 單位:長豐縣第一中學