教浅谈职业高中物理探索性实验的设计与指导
摘要：物理学是一门建立在以科学实验为基础上的一门科学，可以说没有实验研究就没有物理学这门科学，所以科学实验在物理教学中的地位是十分重要的。笔者在多年的物理教学中发现设计一些较为简单，但探索、发现性较强的物理实验去让学生做，对学生的学习物理的兴趣的培养、物理思想的建立、物理方法的掌握往往起到事半功倍的效果。根据职业高中物理的特点可将探索性实验分成三类，即:兴趣类、思想类、方法类。探索性实验能够促进学生科学素养的提高。 关键词：物理学、实验、探索性实验的设计与指导、科学素养。
物理学是一门建立在以科学实验为基础上的一门科学，可以说没有实验研究就没有物理学这门科学，所以科学实验在物理教学中的地位是十分重要的。现行职业中学物理中学生实验大部分都是预先设计好的，教学中往往是教师先讲、再做示范、最后才让学生去做，这样往往扼杀学生的探索、发现的个性，使实验变成了实验技巧的传授，从而导致物理实验的功效下降。笔者在多年的物理教学中发现设计一些较为简单，但探索、发现性较强的物理实验去让学生做，对学生的学习物理兴趣的培养、物理思想的建立、物理方法的掌握往往起到事半功倍的效果。根据职业高中物理的特点可将探索性实验分成三类，即:兴趣类、思想类、方法类。
一、兴趣类探索性实验的设计与指导
1、 兴趣类探索性实验的设计
兴趣类探索性实验一般都是设计在绪论和各章节的开头。兴趣类探索性实验的设计要做到三点：一是趣味性，二是易操作性，三是探索性。趣味性就是要求设计的实验要对人有强烈的吸引性，能一下子调动起学生的兴趣激发起学生的求知的欲望；易操作性是要求这类实验操作简单、现象直观，一般不需繁琐的准备，只需一些简单操作即可看到实验现象；探索性就是要求这类实验要有一些较为深奥的物理原理，紧扣学生的心理让其产生探究的冲动和解决问题的欲望。设计这类实验时不一定都要对学生给出解释，因为有些物理现象的解释超出高中物理的要求，所以只要能留出想象的空间即可。
2、兴趣类探索性实验的指导
兴趣类探索性实验的指导的一般要求是:一是要明确实验目的，二是要有控制实验的能力，三是引导学生提出问题、思考问题。
1） 要明确实验目的
指导学生做兴趣类探索性实验时教师要明确所做实验在现阶段教学中的作用，明确实验目的，做到有的放矢、有针对性，不能胡乱的作一下拉到。只有明确了实验目的，才能使每一个实验都能达到预期目的、使学生的学习物理的兴趣得到提高，从而激发学生产生探索物理规律的冲动。如果实验目的不明确只是做一些花架子往往会劳而无功，甚至事与愿违。
2） 有控制实验能力
兴趣类探索性实验一般较为简单，过程较容易控制，但有时一些实验的控制也会出现问题，这就要求教师在指导学生做实验之前要预先试做，发现问题及时调整实验参数，使实验易于成功。不能无准备进入课堂，如果进入课堂实验一旦失败会使学生对教师的实验能力产生怀疑，甚至怀疑实验的真实性，所以教师一定要有控制实验的能力。
3） 引导学生提出问题、思考问题
兴趣类探索性实验的问题可提在实验之前、也可在实验过程中提出、亦可实验结束后提出，总之这类实验的问题的提出很灵活，有时只要调整一下实验参数就可以使被提出的问题得到合理的解释。问题的提出和解决一般都有学生独立完成，对于一些需要新的物理知识来解释的现象，教师要告诉学生，只有好好地学习物理知识，才能不断解开自然界中无穷的奥秘。
3、具体实验举例
笔者在高一物理绪论教学中经常安排这样三个趣味小实验，单摆小实验、气球对接小实验、三棱镜分光的小实验。
单摆实验的目的是让学生对单摆这一现象有所了解，观察单摆的周期与摆长、摆球的质量是否有关系？如果要有关系，那么究竟是什么关系？教师在指导学生时要控制好实验的两个参量，一是摆球不能过轻、二是摆角不能大于5度角。学生在观察实验的过程要能得出两个结论：一是摆长相同的单摆摆动的周期相同 ，二是单摆的周期与摆长L成正比、跟单摆的摆球的质量大小无关。（注意：摆角不能大于5度角）
气球对接实验的目的是：1）让学生明白想象不能代替科学实验；2）培养学生探究物理奥秘的兴趣。气球对接实验设计如下：取两只相同气球分别充入不同量的空气，形成两个一大一小的气球，然后再用一根带有阀门的玻璃管将两只充了气的气球连接起来，打开阀门观察两只气球中的气体将如何重新分配。教师指导实验时要控制好气球中空气的充入量和接连通管时不能漏气，并要注意此时阀门不能打开。实验准备好以后教师提出问题:打开阀门后两气球中的空气将如何重新分配？为什么？问题提出后绝大多数同学都认为大气球中空气将有部分流入小气球中，最后两只气球变成一样大，只有很少同学持不同意见。教师此时让一位同学来打开阀门，提醒同学们注意观察将发生的现象，观察到的现象与先前绝大多数同学想象的并不一样，而是大气球变得更大、小气球变得更小了。学生一片诧异声，心里在暗暗地问这是为什么呢？
三棱镜分光的实验的目的是让学生了解日光与单色光的关系，通过对实验的观察了解发现日光可以通过三棱镜分解成七色光；让学生明白白光（日光）是一种复色光。教师在实验中可以适时地引用毛泽东的著名诗句“赤橙黄绿蓝靛紫，谁持彩练当空舞。----------”。教师在指导学生实验时要注意光源的质量，同时还要注意三棱镜的摆放位置，有条件可以运用放大投影仪，以便增强视觉的冲击力度。 兴趣类探索性实验设计的是否成功，关键要看能否调动学生的兴趣，能否紧扣学生的心理。每一个好的兴趣类实验的设计，无不是教师智慧的体现。一个成功的兴趣类实验往往能使一个人学习物理兴趣大增。所以教师在教学中一定要注重兴趣类探索性实验的应用。
二、物理思想类探索性实验的设计与指导
1、思想类探索性实验的设计
思想类探索性实验的设计一般要遵循二个原则：一是循序渐进性原则，二是具体与抽象相结合原则。设计实验时要考虑学生的接受能力，不能不顾学生的实际，否则反而会事与愿违。物理思想的培养需要过程和时间，只要在实验设计中遵循循序渐进的原则，就一定会得到好的结果。实验的设计除了要考虑循序渐进原则外，还要充分考虑抽象与抽象相结合的原则，因为许多物理思想都是建立在物理模型基础之上，而物理模型的建立离不开具体实物模型。所以在设计思想类探索性实验时一定要注意这一原则。
2、思想类探索性实验的指导
思想类探索性实验的指导的关键：一是如何指导学生去观察实验，达到提高学生观察实验的能力；二是如何指导学生归纳问题，达到提高学生的归纳推理能力。1）指导学生观察实验时要让学生明确实验目的，只有在知道实验要解决什么问题的前提下，才能对实验进行有目的地观察。学生在观察实验时要善于从众多的实验现象中捕着有用的现象，提高自己的观察能力。2）指导学生归纳问题时重要的是，让学生找出各个问题之间的共性的东西，从而达到从个别到一般地归纳。为了让学生在实验时找到共性的东西，可通过改变实验参量来分析和寻找各个问题之间的本质联系。
3、具体实验举例
1）惯性实验
惯性定律是物理力学中最重要的定律之一，笔者在设计这个实验时完全重现伽利略当年对物体惯性的研究过程，让学生领会伽利略当年是如何研究和发现惯性定律。学生在实验时关键要理解两个概念：光滑平面和物体所受的合力。
光滑平面是一种理想的物理模型，现实中并不存在；光滑平面是一种绝对平面 ，它对任何运动物体的阻力都为零。物体所受的合力是指等效力，研究物体在平面上运动时，由于物体在竖直方向所受的合力为零，所以只需对水平方向的受力情况进行分析。学生在实验中让运动小车在不同光滑程度的平面上运动，得出光滑平面的概念，并从每个具体的运动事实中归纳出一般规律-----物体具有保持原有运动状态的性质，直到有外力迫使它改变。
2）气体定律实验
现行的高中物理实验对气体定律研究一般只限于定性研究，很少涉及定量研究。本人在“固体、液体和气体”这节内容结束后，给学生安排了一个气体定律的定量实验-----PV/T=C（常量），该实验的目的是让学生在实验中通过测量和计算得出一定质量的气体在一般状态下遵循的规律PV/T=C（常量）。实验中首先要使学生明确“一定质量的气体”的含义和P、V、T各表示什么物理量；其次要求学生在测量时方法要正确，读数要准确；最后要求学生通过计算得出P1V1/T1=P2V2/T2。
思想类探索性实验设计好坏，一看能否体现某种物理思想，二看实验方法是否符合学生实际。好的思想类实验能帮助学生从思想的高度把握物理现象的本质，能帮助学生较快将所学知识形成体系。
三、方法类探索性实验的设计与指导
1、方法类探索性实验的设计
方法类探索性实验的设计要做到三点：首先设计的重点应放在物理方法的应用上；其次要考虑实验的可操作性，不能设计得太难、太繁；最后要注意理论联系实际，不能脱离实。实验设计时要重点突出物理方法的应用，这类实验目的就是将物理知识应用到实验中去解决实际问题。设计时如果将实验设计得太难、太繁会大大的挫伤学生的实验积极性，甚至导致厌恶参与这类实验。设计这类实验时最好设计一些日常生活中经常遇到和发生的物理问题，这样容易引起学生的兴趣，容易让学生记牢实验原理和方法。
2、方法类探索性实验的指导
方法类探索性实验的指导要注意两点:一是实验原理一定要阐述清楚；二是让学生明白方法类实验的实验方法的不是唯一。
1） 实验原理的阐述。方法类探索性实验的目的一般都是应用学生已掌握的物理知识来解决一些实际问题，要想使学生能够顺利地进行这类探索性实验的研究，物理原理的掌握事关重要，所以教师对实验原理的阐述是十分重要的，学生只有弄懂实验原理才能去研究实验。
2）方法类探索性实验方法的不唯一性
方法类探索性实验方法一般都不是唯一的，为了完成某一个物理量的测量往往有多种实验方案，但每一种实验方案测量的结果应该是一致的。由于方法类实验的方案不是唯一的，所以教师在指导学生实验时一定要从被实验的物理问题的本质出发，充分考虑各种方案和可能，做到心中有数，若在实验中学生提出一些预案之外的方案，教师要给与充分重视并鼓励学生将实验完成。
3、具体实验举例
1）实验一、 过河
如图1所示，一个大人和一个小孩都要过河，一个要从河的左岸到右岸，另一个则相反。两岸各有一块木板，但是每块木板都略短于河的宽度。请问：a.假设不能用游泳的方法，他们能过河吗? b.用两堆书、两把直尺和两个玩具娃娃做一个摸拟实验，验证你的方法是否可行。
实验原理分析：这是一个关于物体平衡的问题（实质上是杠杆平衡问题），一个物体是否平衡，关键要看该物体受到的合力矩是否为零，若为零物体则平衡，否则物体则不平衡。两块木板都略短于河的宽度，所以按图1b搭法，两木块构成的‘简易桥’处于平衡，为了确保安全先让大人过河，小孩站在如图的位置上不动，待大人过河后，大人站到小孩先前的位置上后再让小孩过河。(该实验还可进行定量分析)。
2）实验二、 三相电源作星形连接时线电压、相电压的测量
三相交流发电机的三相绕组的尾端相连，并在接点处抽出一根导线，从三相绕组的三个首端抽出三根导线，三相发电机共抽出四根线对外供电，这种供电方式叫做三相四线制供电。这种供电方式中，从三相绕组首端抽出的三根导线叫做相线，从三个尾端抽出的导线叫做中线，相线与中线之间的电压叫做相电压，相线与相线之间电压叫线电压。问题a.用交流电压表测出各个线电压、相电压，并比较线、相电压的大小，若线、相电压不相等试说明为什么？b.若有一相绕组首尾端接反，那么线、相电压各为多少？为什么？
实验分析：这个实验是本人为物理兴趣小组设计，实验中要对交流电进行相位分析，通过相位分析可知两种情况下的电压是不相同的，注意b.问中接错相的相位和原相位相反。第一情况下线电压是相电压的 倍，第二种情况下接错相的相线和另外两根相线间的线电压与相电压相等，二个没有接错的绕组间的线电压仍然等于相电压的 倍。
高中阶段是学生科学思想形成的重要阶段，培养学生的研究和探索能力是高中物理教学的重要任务之一，在当前大力提倡素质教育的情况下实验教学尤其显得重要，好的探索性实验的研究能极大地帮助学生从物理本质上认识物理问题，能充分发挥学生的主观能动性，引导学生进行科学探索，对学生科学的世界观和方法论的形成起到促进作用。所以我们一定要充分重视物理的实验学，特别是这类探索性的实验教师就更应该加以重视，只有这样才能使学生的科学素养快速的得到的提高，也必将对学生学习后续课程和以后的工作产生良好的效果。
