充分认识中学物理实验的教育功能（上），本文主要内容关键词为：充分认识论文,物理实验论文,功能论文,中学论文，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。
中学物理教学是科学基础教育，物理实验是科学实验的初步训练。物理实验在物理教学乃至整个科学教育中占有重要的地位，其教育功能是丰富的，作用不容轻视。学生在科学实验中面对的是科学研究中的实际问题。解决实际问题所要考虑和研究的各种因素是复杂多样的，绝非课本能全面概述。因此完成一个物理实验，需要学生在一定程度上超越书本，凭借个人能力去发现问题、解决问题，这是对学生能力、心理、意志品质等全面的锻炼，能很好地培养学生做事的能力。学生在完整的科学实验中获得的也绝非是实验原理和仪器使用所涉及的简单知识，还有在解决问题过程中所获得的实践经验和亲身体验，包括克服困难、交流合作、判断和检验各种信息、预见和猜测实验结果、总结和分析实验结论、反思和评价实验过程、处理各种突发事件等。因此，中学物理实验教学不应当简单地理解为知识的教学。
科学实验的研究对象是科学中的实际问题，它所涉及的不仅仅是科学理论问题，还包括技术问题，甚至社会问题，如人文、历史、伦理、法律、经济、环境、国家、民族、人际关系和利益关系等（目前我们的科学教育在这方面还涉及甚少）。与一些发达国家的教育相比，我国的基础教育中对科学实验能力的培养还显薄弱，这导致了我国中学生处理实际问题的能力或者说做事的能力，与某些国家的学生相比有普遍的、明显的差距。这与我们的基础教育中缺少实践环节不无关系。这里有客观条件的原因，但主观认识上的差距更不能忽视，因为即使是在我国经济比较发达、具有较好的实验条件的地区和学校，对于实验教学仍未给予足够的重视。所以，除了客观条件如实验设备和考试制度的制约之外，落后观念的影响和束缚也不能忽视：重“劳心”而轻“劳力”，重思辨而轻实践，重传承而轻创新。从某种意义上讲，这是在中国历史上难以产生以精确实验为基础的自然科学的原因之一。现在，我们所见到的一些学生缺乏独立思考和实践能力，较明显地表现出唯上、唯书、唯权威（常表现为唯教师、唯标准答案），对于所见所闻缺乏冷静的判断和理性的思考，盲目相信，这不能不说是当前基础教育中的缺陷。进行系统的科学实验训练，正是培养学生创新精神、实践能力和科学精神的重要途径。中学物理实验教学不是单纯的知识传输与技能训练。中学物理实验教学的目的，不仅仅是培养学生的实验技能，更重要的是培养学生发现问题和提出问题的意识，使学生学会解决实际问题，学会做事，加深对科学、技术、社会的理解。
一位教师曾在物理课上出过这样的题目：估算地球同步卫星（通信卫星）距离地面的高度。对于这个题目一些学生感到十分茫然，无从下手。有些学生抱怨题目所给的已知条件不够明确，尽管他们早已知道地球的自转周期和半径，但他们没有或不敢在计算中使用这些数据，因为题目中没有将这些数据当作已知条件明确给出。脱离实际的教学所产生的不良后果，就是使学生只注重书本知识，过多地关注解题的游戏规则，而忽视研究实际问题的思想和方法，缺乏从实际中获取信息的能力。从表面上看学生学到了知识，但他们没有真正获得解决实际问题所应具备的智慧。
中学物理实验是以实际现象为起始的完整的研究和解决问题的过程。独立地完成一个实验相当于完成一项“微型工程”，从设计、实施，到最终的分析、评价、检验，涉及运用多种方法研究和解决各种各样的实际问题，其中包括处理不可预料的事件在内。因此，科学实验能力是综合能力，中学实验教学在培养学生的能力上是全方位的。物理实验在培养学生的思维方法上具有独特的、重要的作用和功能，尤其是定量实验，它对现象的观察、分析、归纳，对实验结果和误差的分析，并由此使学生得到的能力训练，是中学其他学科的实验难以代替的。
根据多年来的教学经验和体会，我谈一下在实验教学中培养学生能力应当重视的几个主要问题。
一、培养学生运用综合的、系统的方法分析和解决问题的能力
建立物理模型是一种重要的科学方法。建立物理模型，就是要忽略次要的因素，而将最主要的因素、问题、性质突出出来，这是运用科学抽象研究问题的重要方法之一。在中学物理教学和学习中，运用抽象方法来研究问题还有另外一个目的，就是当我们研究一个比较复杂的问题时，将中学生现有的知识与能力难以理解或描述的因素忽略，降低问题的难度，使问题得到简化。然而在处理实际问题时，能否将一些因素忽略，并不取决于人的主观愿望。在处理实际问题时，不仅要运用抽象的研究方法，还要运用系统的、综合的研究方法。在物理实验中，我们往往不是将某些因素事先忽略，而是要将所有的可能对实验结果产生影响的因素全部挖掘出来，逐一加以分析，以确定每一个因素对实验结果影响的程度，通过对实验条件、变量和参数的控制，以确保实验结论达到期望的可信程度。因此，处理实际问题的思维方式与解决理论问题的思维方式既具有明显的差异，又具有一定的互补性。在学习物理的过程中，学生只有既重视理论，又重视实验，得到的思维能力的训练才是完整的、全面的。
缺乏处理实际问题经验的学生，习惯将一切条件都看成是理想化的。尽管学生通过分析习题，已经知道了电表的接入会对测量结果产生影响，但并不是在处理实际问题时都能自觉地意识到这一点。图1 是学生在“用放电法测电容”的实验中设计电路时所犯的典型错误。他们没有想到电压表的内阻不是无限大的，因而忽略了电压表也是放电电阻的一部分。它与放电电阻并联，造成了放电电阻等效值的减少，放电时间过短，致使无法测量放电时间。实验中被测电容为330μF，电压表的量程为3V，内阻为3kΩ。
误差是一个重要的科学概念。对误差来源的分析是典型的系统思维方法。初学实验的学生常将造成误差的原因简单地归结为两个方面：仪器不够精密和操作不够熟练。实际上，哪怕是一项最简单的测量，造成误差的原因也是极其复杂的，有主观方面的，也有客观方面的，包括因测量而使测量对象的状态发生改变所引起的不确定性。此外，误差的大小还与实验参数的选择有关。让学生学会运用系统的分析问题的方法是一项艰巨的任务，它是对人的高层次的思维能力的训练。
即使是一项简单的测量，造成误差的原因也可能是极其复杂的。例如，用酒精温度计测量一桶水的温度。误差的产生有主观方面（来自于人或测量工具、手段等）的原因，如人在读数时的偏差（可能没有固定的倾向，也可能有固定的倾向），温度计的刻度不准确，温度计的内径不均匀，测温物质膨胀的不均匀性等；也有客观方面的原因，如容器中水的温度具有一定的分布，在测量过程中水与环境之间发生热交换而温度在不断改变（而测温物质与测量对象之间达到热平衡需要一段时间）等；学生最难理解的是测量过程本身就会改变测量对象的性质，如测量温度时温度计要从水中吸热而改变水的温度，不论是使用多么精密的温度计，所得到的测量结果也不是我们产生测量愿望时的客观数值。当水的质量较大时，这一因素的影响可能是不明显的，但是在水的质量较小时，这一因素造成的误差可能是相当明显的，将决定测量的成败。学生在亲自动手实践的基础上经过认真深入的思索才能真正感悟到，主观世界与客观世界是相互联系、相互依存的；主要矛盾和次要矛盾是相对的，在一定条件下是可以相互转化的。
二、设计实验方案，培养学生统筹兼顾、全面规划的设计能力
物理实验的特点是以任务驱动方式来解决问题，这个任务就是实验目的。但是完成一个实验所涉及的问题是多方面的：理论上的、技术上的（实际问题还常常涉及社会方面的）。在中学物理实验中，实验设计主要是正确选择理论依据和实验条件，对影响实验结果的有关因素或变量实施有效的控制。这需要实验者在积累大量的实践经验的基础上，充分设想和预料在实验的各个环节上可能出现的问题，并选择最佳的方法处理从实验中获得的各种信息。
学生常常认为只有提高了实验仪器的精度等级才能提高实验结果的精度，因此实验仪器越精密就越好。事实上，一个成功的实验，不一定取决于是否使用了最好的实验设备，而在于它的每一个环节都设计得尽善尽美、科学合理，在于利用现有的条件设备使实验结果达到了空前的精度；或是实现了预期的目的，而进一步降低了对设备的要求。这就是说，在处理实际问题时，我们常常需要在质量（实验所能够达到的精度）和成本（对实验条件的需求）二者之间进行权衡。因此，完成一个物理实验，同处理一个现实中的问题一样，“成本”和“效益”常常是设计解决方案的核心概念。这似乎已经超出了纯粹科学问题的范畴，但却又是我们在解决实际问题（科学研究中的问题或是社会现实中的问题）时不能不考虑的一个重要因素。一个好的解决方案，应当是以最小的投入和最低的成本来实现预期目的的方案。
未来科学技术的发展与社会发展的关系越来越密切，纯科学的和纯技术的问题可能是不存在的。我们曾让学生自己设计实验方案去测量一个长方体的体积。初做实验的学生在选择仪器时，总是尽可能地选择他所知道的最精密的测量工具，如精密的卡尺、千分尺等。事实上，实验设计所要考虑的问题之一，就是将所有的测量结果的误差都合理地控制在一定的范围内。这就需要根据测量量值的大小来合理地选择测量工具。如果可能的话，我们应尽可能地降低实验对仪器的技术要求。因为测量仪器的精度要提高一个数量级（即增加一位有效数字位数），其价格往往要提高一至两个数量级。价格不是一个科学概念，但它又是我们在解决问题时不能不考虑的一个重要因素。能够实现实验目的的设计就是成功的设计。精确不是实验设计所追求的唯一目标。因此，在制定解决实际问题的方案时，我们就不能没有成本、效益概念甚至风险意识。建立这些概念和意识，是学生是否学会做事的重要标志之一。
三、培养学生严谨的科学态度
每一位物理教师都可能遇到过这种情况：学生为了使实验“看上去成功”或“结果精确，更符合已知规律”而随意修改实验数据，从而掩饰了实验中的过失、错误或不合理环节。有些学生在处理实际问题时，习惯于从现有理论或主观思维定势出发，将与原来预想不符的事实现象统统归结为误差所致，而不加以深入的分析。具有这种思维习惯的人常会失去取得重大科学发现的机会，如不加以纠正，则将来难以从事探索性、开创性的工作。因此，培养严谨的、严肃的科学态度是物理实验教学的重要任务之一。
具有科学态度，首先表现为他能够尊重事实，敢于突破思维定势。根据事实勇敢地提出个人见解。
在一次北京市初中物理竞赛中曾经有这样的实验试题：比较两个规格不同的小灯泡在相同功率（二者差异限定在0.1W以内）下的亮度，并记录所观察到的实验现象。实际上，不同规格的小灯泡在相同功率下的灯丝温度不同，因此发光亮度有明显的差异。但是一些学生由于已经有了“灯泡的实际功率相同，亮度就相同”的思维定势，竟无视实验事实，得出了两个灯泡亮度相同的错误结论（实验中所用的小灯泡是2.5V和3.8V两种）。
具有科学态度，表现在一切从实际或实际需要出发，而不是一律循规蹈矩；不是从书本的教条、理论的原则或权威的结论出发，而是对具体情况进行具体分析，根据实际需要制定解决问题的原则和办法。这常是学生最缺乏的能力。处理实际问题，难就难在灵活。从实际出发去解决问题，所考虑的不仅是正确性原则，还要考虑方便、简捷的原则。也就是说，学会处理实际问题，不仅要注意是非对错的判断，还应注意得失利弊的权衡。
在设计制流调控电路时，学生总机械地认为用于制流的滑动变阻器的标称阻值与负载的阻值相差越大越好，因为制流电阻的标称阻值越大，调控的范围就越大（但不利于进行方便的精细调节）。而实际上，制流电阻的选择要根据调控的实际需要（调控的范围和精细程度以及电阻体的几何性质）而定，方案的设计应服务于目的的实现。也许这个实验中需要对电路的调控范围越大越好，而另一个实验并不需要如此大的调节范围，而需要的是方便地进行精细调节。
一个测量数据的精度也常常根据实际情况而定。用带有毫米刻度的米尺测量大约1m长的单摆的摆长时，由于摆线稍稍用力就可抻长几毫米，因此在测量时数据只要读到毫米位就可以了。这既方便了测量，又满足了实验精度的要求，但学生常常机械地认为测量结果有效数字的位数越多就越准确。
具有科学态度，还表现在能够全面、客观地评价实验方案的优劣和实验结果的可信程度，这需要具有科学反思的精神、习惯和能力。对成功的实验要进行反思，对失败的实验更要进行认真的反思，因为有些“失败的”实验可能蕴藏着科学发现的巨大价值。科学的反思不同于解题后的验算，它不是对结果的简单验证，而是对实验过程的各个环节的合理性进行判断或评价：所有的因素是否得到了全面的挖掘和有效的控制，数据的来源是否可靠，有无对实验结果产生了影响而未被发现的因素，数据的分布有无异常或显示有固定倾向的偏差，数据的离散性是否超出了预计的范围，实验结果是否合理、实验结果是否达到了预期的可信程度，若需要重复进行该实验应当在哪些环节上加以改进，等等。
在测定弹簧的劲度系数的实验中，我们曾有意选择了一种带有内应力的弹簧。正常的测量结果是前几组数据出现明显的离散。面对这种情况，有些学生不知所措；有些学生干脆视而不见，认为是正常误差，因而作图时图线兼顾了所有的数据点，使测量误差大大增加；有些学生修改了数据；还有的学生认真研究了弹簧，分析了原因后，果断地将“不良数据点”剔除掉。这个实验是对学生科学态度与分析问题灵活性的一次考验和极好的训练。