（三）学生基本实验能力的培养

在现行义务教育大纲中明确提出，在初中阶段“应该培养的实验能力主要是：了解实验的目的，会正确使用仪器，会作必要的记录，会根据实验结果得出结论，会写简单的实验报告”。在修订后的高中教育大纲中，指出：“学生应初步具备的实验能力，主要是学会正确使用仪器进行观察、测量和读数，会分析实验数据并得出正确结论，了解误差概念，会写简要实验报告”。由于当前大纲和教材对学生实验中实验技能与能力培养缺乏具体的教学内容要求，教材中学生实验的教学内容缺乏总体要求与安排，使教师在教学中不易掌握实验具体教学要求的尺度。根据当前教学的实际情况，可以在以下四个方面进行具体的实验能力培养，以利于教师在总体上把握学生实验能力的系统和具体培养目标。

测量仪器的使用和读数、误差初步知识

测量是定量研究物理现象的基础，测量的实质通常是被测量与选定的标准量（国际单位制法定单位的标准量）比较的过程。能提供标准量及提供标准量进行比较的装置称测量工具，如果能指示出比较结果（示数）则称为测量仪器。在中学阶段并不严格区分。根据大纲要求，初中阶段应掌握的测量工具及仪器有：刻度尺、量筒（或量杯）、天平、温度计、弹簧测力计、电流表、电压表等；在高中阶段应掌握的测量工具及仪器除上述外，还应掌握：游标卡尺、螺旋测微器（千分尺）、秒表、大气压强计、万用表欧姆档等。无论初中与高中，在教学中均应培养学生如下三方面的实验能力。

掌握测量仪器的使用常规

无论是初中还是高中，都应使学生知道，不同的测量工具和仪器，由于测量对象不同，仪器构造原理不同，相应使用方法和保护措施也不同，但是必须掌握对任何测量工具或仪器的使用常规，以提高独立使用

和掌握新仪器的能力，这些常规是：

①使用测量仪器之前，应首先弄清测量对象、测量范围、最小分度值与相应单位。

②了解使用方法及保护措施。

③使用前应检查零点，包括复零情况。

④使用前应先弄清读数方法。

从初中学生初次接触刻度尺、天平等测量工具开始，教师就应引导学生按常规去掌握测量工具的使用，逐步达到学生能在教师指导下或按说明，自己去学习操作测量工具的水平。防止孤立地、就事论事地对每一测量工具进行讲解，提出许多具体要求，使学生不得要领。

掌握测量仪器的读数方法

测量仪器的最小分度是由仪器制造能达到的准确程度决定的，我们通常所说的读数方法，即读到最小分度加一位估计值，实际上是读到最小分度时，其测量数值是准确的，进入最小分度内读一位估计值，通常就进入到仪器自身的误差范围了。因此在估读时，要根据仪器自身情况，决定估读方法。在中学阶段实验中，有关测量仪器读数可分为三种情况：

①根据规定不作估读，例如游标卡尺、秒表。

②较精密的可作 1/10 或 1/5 估读，即把最小分度分为 1/10 或 1/5 等分进行估读，例如毫米刻度尺、螺旋测微器。

③对于中学其它测量仪器，由于仪器自身误差较大，例如测力计、温度计、电压表、电流表等，一般可作 1/2 估读。在初中阶段，为使学生初步了解误差与估读常识，只要求对刻度尺进行估读，其它测量工具或仪器均不要求估读，即指针靠近哪条刻度线，就读该刻度值。在高中阶段，要求学生用有效数字记录数据，则可按上述三种情况进行读数。

了解误差的初步知识

从初中学习刻度尺开始，就应使学生逐步领会“测量误差是不可避免的”，“测量所能达到的准确程度与测量工具的准确程度相关”，“要根据实际需要选择测量工具和测量方法”。这些是科学测量与误差理论的核心思想，需要通过几年学习以及教师有意识地在相关实验中反复渗透才能领悟。事实上，只有懂得误差知识，才能深刻懂得什么是科学事实，什么是实事求是的科学态度。因此，物理教师必须具备一定的误差理论知识的修养，才可能深入理解和掌握有关学生实验的设计、仪器搭配和选择、数据区域的选择、数据处理的方法和结论的误差范围。在此基础上，才能指导好学生的实验活动。

在初中阶段，只要求学生懂得测量误差是不可避免的；测量准确程度与测量工具准确程度有关；根据需要选择测量工具；实验时可以用多次测量求平均值来减小误差。而在高中阶段则应使学生知道系统误差与随机误差，并能对实验中引起误差的主要原因进行初步的定性分析，个

别实验还应会初步定量计算误差（如伏安法测电阻），还要求学生理解用有效数字表示的测量数据，误差在最后一位，有效数字越多，表明误差越小，条件较好的学校应使学生掌握简单的有效数字运算，并表示测量结果，学会相对误差的简单计算。

根据实验原理和仪器使用要求设计实验步骤在中学阶段，除基本练习性实验是以学会某种器材使用方法的纯技能训练为主要目的外，测量性、验证性与探索性实验的教学，都应逐步培养学生根据实验原理和仪器使用要求设计实验步骤的能力。

(1)测量性实验

测量分为直接测量与间接测量两种类型，应使学生逐步理解并初步掌握间接测量的知识。间接测量需要根据物理公式导出测量式，将被测量转化为若干直接测量量，分别测量后通过数据处理（计算或作图）间

接求出结果。例如测密度，如选用密度公式ρ = m ，则转化为质量m

的测量与体积 V 的测量，对具体的物体 m 与 V 的测量方法就可能不同，若是规则形状的固体，可以用天平测质量，用测长度的方法间接求体积，也可用排水法测体积（不与水反应），若是液体，则需要使用量杯测体积，并使用容器（烧杯）协助用天平测质量，这样就可以深入地理解测不同物质时具体实验步骤的不同设计方法。

应使学生、特别是高中学生，逐步理解到：

①测同一物理量，如果选择测量式（选择的物理公式）不同，则实验装置与物理现象一般也不同，即原理不同，但选择的原则是应用最简捷的手段获取尽量好的测量结果。例如初中测密度除用密度公式外，还可用浮力有关公式，高中测凸透镜焦距可用公式法或其轭法等等，应作些比较，使学生实验能力得到提高。②选定测量式后，必须注意相关量的测量方法与配合，以达到省时省力且最佳结果的目的，例如单摆测重力加速度，因摆长可达 1 米左右，用毫米刻度尺就可得到 3 位准确数字，而时间测量，则需用累积法减少计时误差，使一个周期时间测量也达到 3 位有效数字。这样在长度测量时，只要读到毫米即可，实验中通常只要从悬点测到目测摆球球心位置，且测一次即可的道理就在这里。

只有学生理解并掌握了实验原理与相应仪器要求，就能主动地设计出合理的实验步骤，也就提高了学生的实验能力。(2)验证性实验与探索性实验

验证的基本思想是把理论推测的规律与实验得出的结果加以比较，如果在误差允许范围内一致，表明理论推测的规律是成立的。例如验证玻—马定律，我们推测一定质量的气体，温度保持不变时，其压强与体积成反比，或者说二者乘积是一定值，那么通过创设条件，实际测出不同体积值时的不同压强值，分析其乘积是否在误差允许范围内是一定值。如可认为定值，则规律成立。需要指出的是，不管验证千百次，一

个规律只能说在已有实验基础上得到验证，如果有一个可信实验得出否定结论，那么这个规律就有可能被推翻或被修正。

在中学阶段，探索性实验实质上也属于验证范围，只是得出结论方法不同。应使学生理解，探索性实验是有目的研究物理现象中某些相关量的关系，既可以定性，也可以定量。例如研究电磁感应现象是定性的分析原磁通量变化与感生电流方向的规律。在定量探索性实验教学时，应当注意：一是多个物理量相关时，要保证条件，只使两个量之间出现相关变化，如将上述玻马定律改为探索性实验，应使温度保持不变；二是结论得出与验证性实验不同，探索性实验是一种归纳法，即找共性的方法得出结论的。在中学阶段，验证性实验所说的误差允许范围，一般地是指误差不超过 5%。个别实验由于器材方面原因也不应超过 10%（如碰撞中的动量守恒）。

学会数据处理的一些方法和实验报告的写法对学生数据处理方法的要求，初中与高中有较大区别。在初中阶段，应要求学生会列表记录数据（不要求有效数字）、会多次测量求平均值。在高中阶段，除增加要求用有效数字记录数据外，还分别要求用计算法与图线法处理数据。计算法包括求平均值、解方程组，个别实验还出现逐差法。

图线法在高中实验教学中要求较高。应使学生一开始学习用

图线法处理数据时就明确，用图线法处理数据求测量值，可以起到简化复杂计算并起到取平均值减小随机误差的作用，利用图线同样可以验证规律，或者探索寻求物理量间未知关系。

作图线的规则可归纳为以下几点：

①必须用坐标纸，并保证测量时数据的准确数字在图中也对应准确分度。例如电流测量值是 0.24A，那么图中 0.2A 对立准确分度 0.2A（长度），而 0.04A 是估计的，在图中允许也是估计的（长度），当然也可以是准确的。这样作图时，必须充分考虑单位长度所表示的物理量值。

②图上要标明坐标轴所代表的物理量及其单位，各准确分度值要用有效数字标明。

③尽量使图线充满图纸，如是直线，尽可能选取合理分度使图线与横轴成 30°—60°角，以减少作图误差，如果数据只分布于某一区域，例如电压测量范围只在 2V 至 3V 间，那么坐标就可从 2V 开始到 3V，以充分利用图纸。

④各数据点均用细线标出标记，如在图中用“×”、“⊙”等标明。

⑤连线作图时，要使数据点均匀分布在图线两侧，以起到取平均值的作用。一般在实测数据点间用实线相连，实测数据点外延长线应用虚线延伸，以表示未测区域。在已知规律情况下，如果某数据点明显偏离图线，可以视为错测而舍去。

通过高中学生实验课的教学，应使学生逐步掌握用图线进行间接测

量和验证规律的方法。①如果物理量间关系为一次函数，形如 y=kx+b，其中 k 与 b 是待测的，那么实测 x、y 数据，作出直线，从图线上求得 k 与 b。例如电源电动势、内电阻的测定，依据全电路规律 U=ε-Ir，待测的是ε与 r，U 与 I 间一次函数关系，写成 U=-rI+ε，则实测若干组 U、I 值，作出直线，其斜率 k=-r，截距 b=ε，由此求出 r 与ε。

如果物理量关系不是一次函数，往往可以变为一

次函数解决, 例如用单摆周期公式测重力加速度, 周期公式为T = 2π ,

4π ²l

若用计算法，测出多组l、T值后代入g = T2 加以计算，然后再取

平均值。若将公式改写成：

l = g 4π²

视 l 为 T2 的一次函数，并作实测数据 l、T2 的一次函数图线，其斜

率k = g 4π²

用方法。

，间接求出g = 4π² k，这种方法称曲线改直法，是实验中常

②用图线验证规律

由于一次函数图线是直线，如果物理量间对立关系为一次函数，那么实测各数据点应在一条直线上，这在图上较好判断，因此常用这种方法来验证或探求物理量间的关系。

以上关于图线法的要求，需要教师在高中阶段有计划地逐步使学生掌握并能独立运用。

在中学阶段所写实验报告都是学习性的，在教学中，应使学生了解，写实验报告的目的是要使别人相信你做的实验是科学的、可以重复的，是可信的。通常要求将实验课题、实验目的、实验器材、实验原理、实验步骤、数据记录与处理、实验结论与误差列入实验报告内。需要在教学中注意的是，对不同的学生实验课，实验报告要求应有重点，不必千篇一律。有的实验强调仪器装置甚至可要求只画装置图；有的实验强调实验原理，要求画原理图与写清原理；有的实验强调列表记录数据，可只要求画记录表与记录数据；有的实验强调用图线法处理数据，只要求数据记录表以及图线，结论写在图上即可。每一学期，针对不同实验，有计划地将实验报告各项要求分解到不同实验课中去，既突出重点又加强了训练力度，也减轻学生不必要的负担，完整实验报告一个学期有一两个也就足够了。

操作技能的训练

学生实验课必须以学生操作为主，在学生自主操作过程中，实验能力才能得到培养与发展，操作技能主要是指仪器器材熟练使用能力，包括组装、调节、故障排除、读数技巧等方面。在学生实验课中，教师应

当有计划、有目的让学生自己动手组装仪器器材，调整器材，排除一些简单的故障。例如在初中阶段，在观察水的沸腾实验时，应让学生自己组装铁架台、装置石棉网、倒水、悬挂温度计、放置并点燃酒精灯，当然教师要给予适当指导，在每个实验中，尽量让学生独立组装、调整是培养动手操作能力的重要方面，要防止实验室中由教师或实验员全部组装调试好，学生只是简单模仿几个实验动作的现象出现。

为了培养操作技能，教师可以根据不同实验内容与器材特点，设计一些问题，让学生思考、动手解决。例如电路连接串并联的多种接法，变阻器的多种接法，北京已故著名老特级教师张子锷先生在电路实验中，设计电路，限定导线最少数目，要求学生设法连接，就是很好的技能培养方法，既激发了兴趣，又培养了能力。

由于实验是学生活动，教师往往难以照顾每一学生，可以采取成立课外实验兴趣小组方法，培养学生骨干，既有利于因才施教，又能培养一些实验课上教师的助手，兴趣小组的内容应当广一些、深一些，使这些学生实验与理论水平得到提高。

为了加强操作技能的训练，还可以建立学生操作技能的考核制度，计入学生学期成绩，这种做法已在很多学校实行，取得很好的效果。现在高中会考中，也已建立实验考核制度，这对学生实验课的教学与学生个体实验能力的培养都是有利的。限于篇幅，这里不再讨论实验考核的有关问题了。

本文最后要指出的一点是，教师在物理教学的全部过程中，自身对实验的重视程度、平时教学中的演示实验水平、演示实验和学生实验的示范操作水平，都将体现教师自身的实验素养，潜移默化地影响每一个学生。这也是能否上好学生实验课的重要因素之一。