中学物理 实验研究・ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．０３ ２０１１年２月 ・探究式物理实验 设计方法 徐祥宝 （苏州市教育科学研究院江苏苏州２１５００４） １ 问题的引出 物理学是一门以实验为基础的科学，物理课堂教学离不 开实验．实验教学是在物理教学中渗透创新教育的重要手 段，可以激发学生的创新意识，所以为了培养和选拔人才，实 验考查是目前高考必考的内容．而实验设计灵活多变，可考 查学生的分析综合能力、逻辑思维能力、发散迁移能力而成 为高考中的热点和焦点．由于实验设计对学生的能力要求较 高，虽然学生特别是大部分高三学生已掌握了必备的实验方 法和基本技能，但由于目前教师没有一套实验设计的操作程 序交给学生，当学生遇到实际问题时还是不知如何运用已掌 握的方法与技能来解决问题．为了应对高考，现今的实验设 计教学仍然是重设计结果，轻具体的设计过程，学生是知其 然而不知其所以然．对于老师所提供的正确结果，学生有诸 多疑问不得而知，这样的实验设计教学最根本的是没有解决 怎样选实验器材和为什么这样选的问题；这样的实验设计教 学，没有解决在实验设计中学生所遇到的如何寻找切人口的 困难；这样的实验设计教学不可能达到知识“类化”，更不能 使学生掌握解决一类问题的一般方法；这样的实验设计教 学，在有效性方面值得怀疑．所以，学生在进行实验设计时， 思维混乱，找不到切人点，无从下手，遇到陌生问题时仍然是 一筹莫展，依然是束手无策． 因此，实验设计已成为教师教学和学生学习的难点，已 成为高考中的最大失分点．如何构建实验设计的思维流程， 给予学生解决此类问题的一般方法，培养学生解决陌生问题 的探究能力，是当今教师应该关注和值得研究的一个课题． 鉴于这种状况，本人依据证伪主义思想，结合新课程理念和 近３０年的教学实践，总结出了探究式实验设计模式（程序） 并应用于实验设计教学，解决了教学中的棘手问题，培养了 学生的创新能力和提高了物理教学质量． ２ 探究式实验设计模式简介 证伪主义的代表人物卡尔・波普尔曾说过：“把科学设 想为从问题到问题的不断进步——从问题到愈来愈深刻的 问题”． 证伪主义强调科学研究从问题开始，围绕问题提出尝试 性的解释或假说，它可能包含错误；然后从证伪的角度对尝 试性的解释或假说进行批判性的检验，通过消除错误而得到 一个更合理的理论，从而不断逼近真理． 将上述思想引入到我们的实验设计教学，就可得到探究 式实验设计模式．即：从待探究的问题开始，由学生根据知识 背景提出可能的解决问题的尝试性设想，这是一种既含有一 定合理成分，也可能包含某些错误或待完善的设想——“半 成品”（毛胚）；引导学生对其进行评价（质疑）、改进或修正， 得到一个更合理的解决问题的设想；通过逐次深入的试错与 评判，不断逼近目标——“成品”． 因此，探究式实验设计模式的思维程序是：半成品（毛 坯）一评价（质疑）一修正（完善）一成品（目标）． ３ 探究式实验设计模式操作说明 以电学实验设计为例： 从下列器材中选出适当的实验器材，设计一电路来测量 “金属的电阻率”，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并 能得到多组数据． Ａ．金属丝Ｌ（长度为Ｌ。，直径为Ｄ） Ｂ．电流表Ａ１（量程１０ ｍＡ，电阻ｒｌ＝４０ ｎ） Ｃ．电流表 （量程５００ ，电阻ｒ２＝７５０ ｎ） Ｄ．电压表Ｖ（量程１０ Ｖ，内阻１０ ｋｌ１） Ｅ．电阻Ｒ，（阻值为１００ Ｑ，起保护作用） Ｆ．滑动变阻器Ｒ，（总阻值约２０ Ｑ） Ｇ．电池Ｅ（电动势１．５ Ｖ，内阻ｒ很小） Ｈ．开关Ｓ，导线若干 请设计出符合要求的测量电路，并在电路图上标明所用 器材的代号． ３．１“毛坯”的形成 “毛坯”的形成是设计符合题目要求实验的基础，是实验 设计的切入口，是整个实验设计过程的关键环节，是实验设 计的核心．没有“毛坯”也就不能进行评价，更不能进行修正 与完善，也就形成不了符合要求的实验设计． “毛坯”电路的设计思想的核心是由实验测量要求出发， 导出所需测量的物理量的转换式，利用教材所列的《课程标 准》所要求学生掌握的常规实验方法，形成“毛坯”电路． 本题待探究的问题是设计符合题目要求的测量“金属的 电阻率”电路；学生的背景知识是：电阻定律及《课程标准》 所要求学生掌握的测量电阻的常规实验方法． 解决问题的尝试性设想是：以形成基本（常规）测量电路 为切入口得到“毛坯”测量电路．操作过程： 根据电阻定律Ｒ＝Ｐ 可得ｌ０＝ ，因此，ｌＤ的测量转 化成测量Ｌ、Ｓ和Ｒ；由于长度Ｌ＝ 横截面积Ｓ＝ （ ） 可算得，所 以最终ｐ的测量转化成测量电阻 Ｒ．因此，最简捷的方法就是利用教 材中常规的“伏安法”进行测量．因 圈ｌ ・ ３３ ２０１１年２月 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．０３ 中学物理 此，可得到如图１所示带有保护电阻尺 的“伏安法”测量电 阻的基本电路，形成“毛坯”． ３．２评价与修正 笛卡尔说过：“最有价值的知识是方法的知识．”教师要 指导学生学会设计的方法，不断修正和完善设计方案，寻找 摆脱困境的办法，最终达到设计目标． 萋 ３ 法（如题中给出的电流表知道确切的内阻，则可以将电流表 因此，评价所采用的最佳方式就是质疑．质疑的过程是： 依据题目要求，结合“是否可行、是否方便、是否安全、是否精 确”等实验设计原则，针对“毛坯”电路及电路中的元件逐个 当作小量程的电压表使用，用电流表来测量电压．如题中给 出的电压表知道确切的内阻，则可以将电压表当作小量程的 电流表使用，用电压表来测量电流．这是因为常用的电流表、 依次进行试错及作出必要地修正，直至完全符合题目所述的 要求． 操作过程： 从是否可行角度进行评价质疑并修正：按题目要求能得 到多组数据，可知电路中电流必须是可改变的．对照上述“毛 坯”电路，它只能测一次，因此必须改变电源电压． 从是否方便角度进行评价质疑并修正：如果考虑改变电 源电压，则要不断变换电源，操作不方便，为了达到题目要 求，则必须要将滑动变阻器连人电路来改变电流． 那么滑动变阻器是限流还是分压连接？ 限流式电路电源的输出功率较小，能耗低；另一方面，在 电路连接时限流式的滑动变阻器是“一上一下”接入电路，接 法方便，不易出错．通常情况下，测量时电路电流或电压没有 要求从零开始连续调节，我们应优 先考虑限流式接法． 从是否安全角度进行评价质 疑并修正：如果滑动变阻器是限流 连接，且电流表用Ａ ，电路如图２ 图２ 所示．则通过Ａ：的最小电流约为 ｒ一———————————————— ——————————一 Ｒｌ＋Ｒ２最大＋ＲＬ＋ｒ＋Ｒ＾ ’ 由题意可知ｒ很小，且金属丝的电阻也很小一般不会超 过５ ｎ（做过用“伏安法”测金属丝电阻实验的学生都应该知 道，本题估作５ Ｑ），所以Ｊ≈１７００ 超过了电流表Ａ２的量 程，所以电流表Ａ２不能用，只能用电流表Ａ】．此时通过Ａ１的 最小电流约为 一—— 堡 Ｒｌ＋Ｒ２最大＋ＲＬ＋ｒ＋尺＾ ’ ‘ 所以ｊ≈９ ｍＡ；当滑动变阻器的阻值为零时，通过Ａ 的最大 电流约为ｌＯ， 左右．虽然没超过电表量程，但可测量的范 围很小（电表指针偏转变化范围很小），不符合题目在尽可能 高的测量精度下能得到多组数据的要求，所以滑动变阻器不 能限流连接，应该是分压式连接．由此可得到比“毛坯”更进 一步的电路，如图３所示． 从是否精确角度进行评价质疑并修正：按题目要求有尽 可能高的测量精度，现电源电动势只有１．５ Ｖ，所以电压表所 测电压会很小，而电压表量程是ｌ０ Ｖ，因此电压表读数会很 不明显，所以不能直接选用电压表来测电压，必须将电压表 进行变换．本题是没有合适量程的电压表，应采用替换的方 ・３４・ 电压表是由表头并联或串联一个电阻构成的．所以，电流表 和电压表的本质是一样的，都是电阻，不过这个电阻与一般 电阻的不同之处是可以显示自身通过的电流或自身两端的 电压）．本题可用剩下的已知确切内阻的电流表 作电压表 使用来测电压．因此，电流表Ａ２相当于量程为０．３７５ Ｖ的小 量程电压表． 那么，电流表Ａ。是内接还是外接呢？由题目有尽可能高 的测量精度要求，则两电表测量时的偏角应大于满量程的 １／３． 如果是外接，如图４所示．则当Ａ２表偏转ｌ／３时，即加在 金属丝两端的电压约为０．１３ Ｖ，则通过金属丝的电流为 ≈ Ａ＝２６ ｒｎＡ， 厂占蛰１．亡——————一 ［ （Ｔ二二］Ｉ 图４ 已超过电流表Ａ 的量程，所以电流表Ａ１不能外接，只能内 接．如图５所示内接时，当电流表Ａ１偏转满量程的ｌ／３时，即 通过金属丝的电流Ｊ 约为３．３ ｍＡ，则Ａ２表测出的电压 Ｕ＝ （ＲＬ＋ｒ１）≈０．１５ Ｖ， 厂占 亡 ｌｆ——一 图５ 偏角略大于满量程的ｌ／３．因此，在多次测量的过程中均 能保证两表偏角大于满量程的１／３且保证有较大的测量范围 （偏角在满量程的１／３～满量程），满足题目有尽可能高的测 量精度并能得到多组数据的要求． ３．３“成品”的形成 经过上述一系列的对“毛坯”电路及电路元件进行评价 质疑与逐个顺次地试错和修正，逼近了目标，完成了符合题 目要求的实验设计，得到了如图４所示的“成品”电路． 需要说明的是：评价中的“是否可行？是否方便？是否安 全？是否精确？”等质疑内容，它们互相联系、互相制约，构成 了评价修正设计的总体框架．因此，不规定“是否可行？是否 方便？是否安全？是否精确？”等的评价质疑顺序，而是要因 中学物理 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．０３ ２０１１年２月 从游标卡尺的测量原理 看几种特殊情况的读数 吴明杰 （徐州市郑集高级中学江苏徐州２２１１４３） 目前，各地高考模拟试卷中出现了三类有关游标卡尺读 ……第，ｚ条刻度线与第， 毫米刻度线间距为 ×０．０５ ｍｉｌ１． 数的新题型，同时这三类问题在实际的实验教学操作中也会 所以要想第 条刻度线与第 毫米刻度线对齐，游标尺必须 经常碰到．题型一：“已知道游标卡尺的精度为ｏ．０５ ｒｉｌｒｎ，测 向右移动 ×０．０５ ＩＴＩＩＴＩ． 量某一小球直径时读数为１５．５５ ｍｍ，试判断游标尺上的哪 由此可把游标卡尺读数分为两种情况：一是读数不满一 条刻度线与主尺的第几毫米刻度线对齐”．题型二：若游标尺 毫米时，读数为＂×０．０５ ＩＴＩＩＴＩ，该读数相当于移动游标尺使第 上没有一条刻度线与主尺上的毫米刻度线对齐，应如何读 条刻度线与主尺上的第 毫米刻度线对齐，故读数为：”× 数？题型三：若游标尺归零时，游标尺的零刻度线与主尺零刻 ０．０５ ｍｍ；－＂是读数大于一毫米时，读数应为主尺上的整毫 度线不能对齐，此时游标卡尺出现了“系统误差”，这种情况 米数Ｍ加上小数部分 ×０．０５ ｍｍ，该读数相当于游标尺先 下又应如何读数．对于这几类题目许多教师感到比较棘手， 向右移动Ｍ毫米距离，使游标尺第０刻度线与主尺的Ｍ毫 不好讲解，多数学生更是感到没有规律可循，不好掌握．究其 米刻度线对齐。然后再向右移动 ×０．０５ ＦｎｌＴｌ，使游标尺上的 原因主要是对游标卡尺的原理理解不够深刻，运用不够灵 第 刻度线与主尺上的第Ｍ毫米刻度线后面的第 条刻度 活，仅仅“知其然，不知其所以然”．为此下面先以精度为０．０５ 线（即第Ｍ＋ 毫米刻度线）对齐，故读数为：（Ｍ＋ × ｔｎｒｎ的游标卡尺为例浅析其原理，然后再归纳出各题型的解 ０．０５）ｎｍ１． 法，并指导实际的实验操作． ２题型一的解法 １ 游标卡尺的工作原理 由上面的原理可知，只要把读数转化为（Ｍ＋”×０．０５） 如图１所示，当游标卡尺的第０刻度线与主尺的零毫米 ｍｍ形式，即可判断游标尺的第 条刻度线与主尺的第Ｍ＋ 刻度线对齐时，游标尺的第２０刻度线与主尺的ｌ９毫米刻度 ”毫米刻度线对齐．如本文开头的题目，读数１５．５ ｍｍ先转 线对齐，说明游标尺的２Ｏ个格的宽度为１９ ｒｎｎｑ．由于游标尺 化为（１５＋１１×０．０５）ｍｍ，运用本人归纳的方法，可迅速得 的２Ｏ个格是均匀刻划的，所以每一个格子宽度为０．９５ ｒｎｍ， 出游标尺的第１１条刻度线与主尺的第２６毫米刻度线对齐． 比主尺的每一格子宽度短０．０５ ｎｌＩｎ，即该游标卡尺的精度为 再看一例：某游标卡尺精度为０．０５ ｉＴｌｒｎ，读数为１３４．６５ ０．０５ ＩＴＵＴＩ．所以当游标尺归零时，游标尺上的第１刻度线与主 ｒｎｌＴｌ，先把读数转化为（１３４＋１３×０．０５）Ｉ１＂１／Ｉ，１，”＝１３，则可判 尺上的第ｌ毫米刻度线间距为０．０５ ｒｒｌｌＴｌ，第２刻度线与第２毫 断是游标尺的第１３条刻度线与主尺的第１４７毫米刻度线对 米刻度线间距为 齐，如图２所示． ０ ｌ ２ １３ ｌ４ ｌ５ １ ． １ ． Ｉ 。 Ｉ． １ ．Ｉ 。 ｌ ’ ｌ １ ｌ Ｉ １ ０ ｌ ２ ０ ｌＯ ２０ 图１ 幽２ ２×０．０５ ｍｍ＝０．１０ ｒｆｌｌＴ１． 总之，要想判断游标尺的哪条刻度线与主尺的第几毫米 第３条刻度线与第３毫米刻度线间距为 刻度线对齐，应首先把读数转化成“主尺上的整毫米数Ｍ＋ ３×０．０５ ｒｎｌＴｌ＝０．１５ ｎｌｌ＇ｎ． ，ｚ×精度”的形式（其中Ｍ、， 均可为零），然后，即可得出游 ｅ宕 晶 石 龄 ｅ宕吧石 石 石 石 石 ＼Ｉ ０ ０ 峪 石 ＝石 ．．题而定． 维空间，促进了学生的思维深度，激发了学生探究的积极性． 综上所述，探究式实验设计模式把握住了实验设计的核 此模式通过适当的质疑，不断产生新的问题情境，促使学生 心，解决了实验设计的切入口问题，使实验设计的思维流程 积极参与方案的设计，极大地调动了学生参与教学活动的积 清晰，操作起来有章可循，有法可找，条理清楚，推理严密．特 极性．此模式通过让学生与同伴交流合作，评价不同方案的 别是在有条件的实验设计方面可让学生知其然更知其所以 优劣，不断修正探究的方法，极大地激发了学生参与教学活 然，不仅可让学生知道选什么器材，而且还可让他们知道为 动的主动性．此模式让学生亲身经历知识形成的过程，学生 什么这样选． 在创新意识、创新能力方面得到了锻炼和培养，教学效果非 探究式实验设计模式，以实验设计为载体，在师生合作、 常显著．此模式如运用于其他课型，则效果也非常明显，同行 探究、质疑模式下，激活了学生的思维活动，拓宽了学生的思 们不妨一试． ・３５・
