浅谈中学物理实验设计思维方法，本文主要内容关键词为：浅谈论文,物理实验论文,思维论文,中学论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理实验设计是一项积极的创造性活动，实验设计的过程充满了理性思维的火花。中学物理实验中，有许多实验设计的思维方法凝聚着科学家的智慧和创造，在物理概念、物理规律或物理理论的建立和发展中具有极其重要的作用。
在中学物理教学过程中，展示物理实验设计过程的精髓——思维方法，是课堂教学改革的方向，也是实施科学探究的策略之一。中学物理实验设计思维方法主要有：
一、转换思维法
在设计物理实验时，某些物理量不容易直接测量或某些物理现象直接显示有困难，则把难以测量的物理量转换成容易测量的物理量进行间接测量，或将某些不易显示的物理现象转化为容易显示的物理现象而进行间接观察，这种实验设计思维方法称为转换思维法。转换思维法是实验设计的高层次思维方法，主要是根据力、热、光、电等现象间的因果关系，转换变量进行实验。转换思维法的主要方式有：
1.时间量与空间量的转换：如伽利略在研究自由落体运动时，利用滴漏法来测量时间，将时间测量转换为水的体积的测量；测量小石块从井口自由下落到水面的时间来测量井口到井里水面的深度等。
2.抽象量与直观量的转换：如卡文迪许设计“利用扭秤装置测定万有引力恒量”实验时，卡文迪许扭秤发生扭转后，引力对T形架的扭转力矩与石英丝由于弹性形变产生的扭转力矩的转换，间接地观察到了引力的作用效果。石英丝扭转角度的测量转换为平面镜反射光在刻度尺上移动的距离而间接测出，实验设计非常巧妙。
3.微观量与宏观量的转换：如在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，通过测量油滴的体积与单分子油膜的面积来测量分子的大小；布朗运动实验中，通过悬浮在液体中微粒的运动来反映液体分子的运动。
4.状态量与过程量的转换：如“研究平抛物体的运动”实验中，利用做平抛运动物体的水平位移与竖直位移求平抛运动的初速度；“研究匀变速直线运动”实验中，利用位移求物体的速度与加速度；“验证机械能守恒定律”的实验中，利用物体的位移求重物下落的速度等。
5.非电学量与电学量的转换：如“传感器的简单应用”实验，传感器是将非电学量转换为电学量进行测量的一类元件。
二、放大思维法
在设计物理实验时，物理现象或待测物理量十分微小的情况下，把物理现象或待测物理量按一定规律放大后再进行观察或测量，这种实验设计思维方法称为放大思维法。由于实验的性质和放大对象的不同，放大所使用的物理方法也各异。放大思维法的主要方式有：
1.机械放大：运用机械将微小尺度的变化转换为较大尺度的变化。如利用杠杆原理将微小长度的变化转换为较大长度的变化或将微小角度的变化转换为较大尺度的变化；游标卡尺利用主尺和游标尺最小分度的差，将游标尺的微小移动转换为游标尺和主尺在较大尺度上的比较进行放大；螺旋测微器将其固定刻度上一个螺距的微小长度的变化转换为可动刻度的一周的转动，通过这种运动方式的变换来实现放大目的。
2.电放大：运用电子元件对微小信号进行放大。如在研究电磁感应现象中，微电流放大计的使用。
3.光放大：利用光学元件对观察对象的空间尺度进行放大。如高一物理研究弹力时，对微小的形变的认识较难，可以利用图1所示的装置将微小形变进行放大。图1中A为激光笔，B、C是两块平面镜，把重物M放到桌面P上，就可以看到激光束反射在屏上的光斑由D移动到D′，从而把桌面的形变显示出来。
图1
三、比较思维法
设计物理实验时，利用对比实验，找出物理现象之间的同一性和差异性，从而揭示物理现象的本质规律，这种实验设计思维方法称为比较思维法。比较思维法的主要方式有：
1.条件比较：比较研究对象在不同条件下的变化情况。如在研究金属的电阻率随温度升高而增大的实验中，将日光灯的灯丝（从日光灯管中获取）、低压电源、小灯泡连接成闭合电路，小灯泡发光。再用酒精灯将日光灯的灯丝加热，观察小灯泡亮度的变化即可。
2.过程比较：比较不同物理过程的现象变化。如比较平抛运动和自由落体运动的过程，可推知平抛运动竖直方向的运动规律；比较机械横波的偏振现象与光的偏振现象，可推知光波是一种横波。
3.状态比较：比较物理现象在实验时间内初、末状态的变化。如通过比较酒精和水混合前后的总体积，可推知物体内分子之间有空隙；在高二物理“自感”一节的教学中，设计对比电路（通电时，比较分别连接电阻与连接电感的小灯泡谁先亮，如图 2）来研究通电自感现象；设计对比实验（比较断电前、后小灯泡的亮度变化，如图3）来研究断电自感现象。
四、替代思维法
设计物理实验时，将直接无法测量（或不太容易测量）的物理量、直接无法观测（或不太容易观测）的物理现象，通过变通替代的方法间接进行测量或观测而达到完全相同的效果。这种实验设计思维方法称为替代思维法。替代思维法的主要方式有：
1.物理量之间的替代：如“验证动量守恒定律”的实验中用测量位移替代测量速度，大大降低物理量测量的难度；在研究“单摆的运动图象”时用纸板的位移替代时间，简化了实验测量。
2.物理现象之间的替代：如研究双金属片热胀冷缩的弯曲时，利用双金属片的弯曲来接通电路，让灯的明暗来反映双金属片的弯曲。
3.物理过程之间的替代：如“研究平抛物体的运动”实验中，用“水平方向的匀速运动”与“竖直方向的匀变速直线运动”两个分运动过程替代平抛运动的过程，将曲线运动转化为直线运动研究。
4.物理仪器之间的替代：在测量电流表内阻的时候，可以用一个电阻箱和一个已知内阻的电流表来代替电压表；也可以用一个已知内阻的小量程电压表来替代电流表。如2001年全国理综卷第29题，要求选择合适电表测电流表的内阻并进行实物图连接，试题中所提供的实验仪器与教材不同：没有提供电压表，而要求利用电阻箱和电流表替代。
五、近似思维法
设计物理实验时，为了简化实验测量，突出实验的物理意义，对一些中学阶段精度要求不太高的实验，在其实验方案的设计上采用近似处理，这种实验设计思维方法称为近似思维法。近似思维法的主要方式有：
1.对象近似。如在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，将油膜近似看作单分子油膜，将油酸分子近似看作球形；在“用单摆测定重力加速度”实验中，将“细线＋小球”近似看作单摆；在研究气体状态参量关系的“验证玻意耳定律”的实验中，将常温常压下的实际气体近似看作理想气体。
2.状态近似。如在“验证机械能守恒定律”的实验中，选择纸带上第1、2点之间的距离接近2mm的那一条作为研究纸带，将打第1个点时的状态近似看作重物下落的初状态。
3.过程近似。如“验证机械能守恒定律”的实验中，当重物所受的重力远大于其所受的阻力时，重物的下落运动可近似地看作自由落体运动；在“用单摆测定重力加速度”实验中，在摆球最大偏角小于 10°的条件下，摆球的运动近似地看作简谐运动。
4.结果近似。如“把电流表改装成电压表”实验中，利用“半偏法”测电流表的内阻时，将变阻箱的示数近似地作为电流表的内阻；在利用“伏安法”测电阻时，将电流表、电压表近似地视为理想仪表。
在运用近似思维法设计的实验中，为了提高实验的精确度，应将实验条件控制在一定范围内。如用“伏安法”测电阻时，应根据待测电阻、电流表和电压表内阻的大小关系，合理选择连接方式；用“半偏法”测电流表内阻时，应保证滑动变阻器电阻远大于变阻箱电阻等。
六、模拟思维法
物理实验设计方案能否实施受到客观条件的限制。在设计物理实验时，依据实验对象形式上或本质上的相似性创设一定的模拟条件，使因受客观条件限制而不能直接进行实验观测的某些物理现象在模拟的条件下进行，这种实验设计思维方法称为模拟思维法。主要有性质模拟法和形式模拟法两种方式。
1.性质模拟法：根据实验对象性质相似或相同而进行模拟。如在“电场中等势线的描绘”实验中，因为对静电场直接测量较困难，利用电流场和静电场所遵循规律的相似性，采用易测量的电流场来模拟静电场，从而描绘出静电场中的等势线。
2.形式模拟法：根据实验对象形式相似或相同而进行模拟。如在研究磁体周围的磁感线分布时，因为磁感线实际不存在，在磁体周围均匀地散布细铁屑，通过细铁屑的规则排列形象地模拟磁体周围的磁感线。在研究点电荷周围的电场线分布时，因为电场线实际不存在，在放置点电荷的蓖麻油中撒放头发渣，通过头发渣的规则排列来模拟点电荷周围的电场线。
七、累积思维法
设计物理实验时，由于偶然因素的影响，对某些物理量进行一次测量具有不确定性或不可靠性，则采用累积后求平均值的方法，称为累积思维法。该思维方法主要是为减少测量的相对误差而设计，主要有时间累积法和空间累积法两种方式。
1.时间累积法：对时间累积后求平均值的方法：如在“用单摆测定重力加速度”实验中，采用测量30～50次全振动的总时间t，从而求出单摆的周期T=t/n（n为全振动次数）。
2.空间累积法：对空间累积后求平均值的方法。如在“测定金属电阻率”的实验中，若没有螺旋测微器时，也可把金属丝在铅笔上密绕若干圈，由金属线圈总长度来测出金属丝的直径；在“验证动量守恒定律”的实验中，重复多次实验，在白纸上打了许多小球落地点，用尽可能小的圆把几乎所有落点圈在里面，取其圆心为平均落点；在测量一张薄纸的厚度时，可测多张薄纸的厚度后求平均而得到一张纸的厚度等。
八、留迹思维法
设计物理实验时，利用特定的方法和手段将瞬间即逝或不太容易观测的物理现象（如运动物体所处的位置、运动轨迹或运动图象）设法记录下来，以便从容地测量、比较和研究。这种实验设计思维方法称为留迹思维法。
如在“测定匀变速直线运动的加速度”“验证机械能守恒定律”等实验中，通过打点计时器在纸带上打出的点记录下小车（或重物）在不同时刻所对应的位置，从而计算小车在各个位置或时刻的速度并求出加速度。在“验证动量守恒定律”的实验中利用复写纸在白纸上留下小球落地后的落点印迹，从而确定小球平抛运动的落点；在研究“简谐运动的图象”时，利用频闪照相法记录弹簧振子运动过程中各个时刻振子的位置，或通过摆动的漏斗漏出的细沙落在匀速拉动的硬纸板上而记录下各个时刻摆的位置。在研究“自由落体运动”“平抛物体的运动”中物体的运动规律时，利用频闪照相法记录小球在运动过程中各个时刻的位置，从而研究小球的运动性质和运动规律。在“电场中等势线的描绘”实验中，利用留迹方法将不太容易观测的电场性质记录下来，便于研究电场的性质等。
九、变量控制思维法
设计物理实验时，当研究多个物理量之间的关系时，先控制住其他几个物理量不变，依次研究其中某一个物理量变化所产生的影响，这种实验设计思维方法称为变量控制思维法。
如在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，先保持物体的质量一定，研究加速度与力的关系；再保持力不变，研究加速度与质量的关系；最后综合得出物体的加速度与它受到的合外力及物体质量之间的关系。在“探究弹簧振子的周期与振幅、振子质量、弹簧的劲度系数的关系”研究性课题实验中，用同一弹簧振子，研究周期与振幅的关系；再改变弹簧振子的质量（其他因素不变），研究周期与质量的关系；最后改换不同劲度系数的弹簧（其他因素不变），研究周期与劲度系数的关系；最后综合得出周期与振幅、振子质量、弹簧的劲度系数的关系。
十、对称思维法
对称思想是物理学的一种重要思想，对称思维法是实验设计的一种常用思维方法，它在实验设计中有巧妙的运用。
如库仑在设计扭秤实验中，运用对称思想巧妙地把小球的带电量分为1/2、1/4、1/8……成功地发现了电荷间作用力与它们间的距离和电量之间的关系。托马斯·杨运用对称法把点光源发出的一束光一分为二，巧妙地获得了相干光源，从而观察到光的干涉现象，验证了光的波动性。
值得注意的是，中学物理中的许多实验，在设计思想上常常是多种思维方法的综合。如在“验证动量守恒定律”的实验中有替代思维法（用位移替代速度）、累积思维法（重复打了许多点）、留迹思维法（用复写纸留下小球落地后的点）等思维方法。教学过程中对学生实验思维方法的训练是实验教学的价值所在。
通过实验设计，学生参与并体验实验设计方案形成的思维过程，从中体会实验设计的乐趣和艰辛，感悟科学实验的本质和价值，从而形成科学的情感、态度与价值观。因此，在实验设计的过程中培养了学生的科学素养。
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