八、中学物理实验教学研究物理实验的方法论思想初探

一、物理实验常用的设计方法

物理实验设计的关键，是如何通过设计达到良好的观察效果。为此， 目前初中物理实验常用以下几种方法。

1. 转换法

物理实验中常常遇到一些实验效果不易观察或者观察不明显的情况。为此常借助于力、热、电、光、机械等方法之间的相互转换，实现可观察、容易观察或观察效果明显的目的。转换的过程主要是依据等效的思想，也就是从效果相当的角度进行实验。

例如，①弹簧秤、握力计、牵引测力计等是把力的大小转换为弹簧的伸长量或者指针的偏转角度。②速度计是把需要测定多个量（路程、时间）方能确定的速度，转换成为直接读数即可得的量。③微小压强计是把压强的变化转换为连通器中两边液面差的变化。④水受热后的对流不易观察，但是借助于高锰酸钾溶液的流动可以清楚地表示热传递的情况。⑤电流表测电流、电压表测电压以及固体的受热膨胀等都是转换为指针的偏转来进行观察。

1. 对比法

人们认识事物，区别事物主要是掌握它们的特点，而它们的特点主要是通过对比来研究。通过对比达到辨异求同或者同中寻异，从而打开思路，获得解决问题的方法。比较的方法广泛地应用在物理实验中。

例如，①研究物体的浮沉条件时，用重量相同的铅盒与铅团作比较。

②斜面省力实验中，是把不同倾角的斜面对比，斜面与竖直面对比。③ 两种不同的金属片铆在一起做成双金属片进行受热对比。④用黑白颜色截然不同的两种物体表面来对比研究物体吸热本领的不同。⑤通电导体周围磁针偏转与磁铁周围磁针的偏转作对比。⑥导体、绝缘体导电特性的对比。⑦同性与异性磁极间磁力线的对比。⑧研究密度、比热、电阻等表征物质特性的量的实验，采取对比更是有效的方法。⑨还有时要进行两种实验方法的对比，例如，测温度时的估测法与用温度计的实际测量法的对比；用伏安法测电阻时的接法与外接误差大小的对比等等。

1. 平衡法

平衡实质就是矛盾双方的平衡。是对立倾向的平衡。分析平衡就是分析矛盾的双方在一个平衡系统中总存在偏离平衡的因素，平衡就是这种偏离平衡的因素的抵消效应。当矛盾双方平衡时，从物理学角度讲总对应一个平衡方程式，最简单的情况是方程的一侧为已知量，另一侧为未知量。据此，可用于指导实验的设计。

例如，①应用等臂天平测质量，实质就是欲测质量的物体与砝码这两个使天平失去平衡的因素相互抵消，重新使天平达到力矩平衡的过程，从而可知物体的质量等于砝码的质量。②用托里拆利实验测大气压强，是根据管中一定高度的液柱所产生的压强等于大气压强。③用弹簧秤测力时是根据二力平衡的原理，外力的大小与弹簧的弹力相等。④测

电流、电压以及研究液体的压强与深度的关系，连通器的演示，物体的浮沉实验、阿基米德定律实验、比重计、杠杆的平衡条件、定滑轮、伽利略温度计、测比热等实验也都渗透着平衡的思想。

1. 放大法

利用扩音机、幻灯机等设备把微小的声音或图象信息进行放大，这是大家都熟悉的方法。

初中物理实验中对微小量的测量也常常采用间接的、广义上讲的“放大法”来解决。例如，①游标卡尺就是在这种思想支配下的产物*。②借助于细管中液体的移动或者连通器细管中液面的高度差，实现“小中见大”，例如微小压强计测压强的实验、气体与液体受热膨胀的实验、伽利略气体温度计实验、物体吸热本领不同的实验、焦耳定律实验等都应用了这种“放大法”。

二、物理实验中的数学方法

初中物理实验中主要应用了以下几种数学方法。1．几何图形法（或图示法）

例如，①测锥体的高及圆的直径。②运用几何作图法说明光的反射定律、平面镜成像、潜望镜、光的折射现象、水中筷子的弯折、凸透镜或凹透镜对光线的会聚或发散作用。③在研究熔解（或凝固）过程时， 运用描点法画出熔解过程中，温度随时间改变的曲线，从中总结规律。

④运用假想的磁力线形象地描绘磁场，这更是法拉第富有革命性的创见。

2．叠加平均法

初中物理实验中主要运用了算术平均数的方法，即把测定的若干数相加求和，然后除以给定的个数。例如，①测纸厚，②测细金属丝直径，

③测短棉线质量，④伏安法测电阻。 3．比例法（或简单函数关系法）例如，①弹簧伸长与外力的关系，

②温度计的刻度，③欧姆定律。4．表格法

例如，①研究摩擦力与哪些因素有关，②滑轮组的机械效率，③电流强度与电压的关系等实验。

三、物理实验中的思维方法

初中实验中主要运用了以下几种思维方法。1．分析法

人们思维的过程就是分析的过程，实验的过程是离不开分析的。 例如，①运用悬挂测重心，为什么两次悬挂所得竖直线的变点就是

重心。②惯性球实验中，为什么小球留在原处就说明物体有惯性。③测定滑动摩擦力的实验中，为什么弹簧秤的读数是木块与桌面之间的摩擦力数值。④应该如何解释空气有重量的实验原理。⑤分子引力实验中， 为什么两铅柱紧密接触后不易拉开，就联想到是由于分子引力的结果。

⑥欧姆定律实验中，如何从实验结果归纳实验公式等等，都必须借助于分析。

1. 理想实验法

它是人们在真实的科学实验的基础上，以科学实验为依据，运用逻辑推理对实际的物理过程进行深入的分析，忽略次要矛盾，抓住主要矛

盾进而在思想中塑造的理想过程和分析方法。初中物理研究牛顿第一定律的斜面实验就运用了这种理想实验的思维方法。

1. 物理模型法

它是在实验基础上对物理事实的一种近似、形象的描写，物理模型的建立，往往会导致理论上的飞跃。初中实验中运用物理模型的典型有四处。①根据实验建立液体压强公式时，运用理想液柱的模型。②分析连通器原理时运用理想液片模型。③研究光学现象时运用了“光线”模型。④研究磁场时运用了磁力线模型。

1. 反向探求法

当沿着某一方向思考不得求解时，不妨变换下方向，倒过来思考， 可能会得到启发并导致新的发现。法拉第就是在这种思想指导下研究电磁感应现象的。

由于事物是复杂的，因此实际进行的实验，往往是综合运用各种方法。例如焦耳定律实验，研究 Q 与 R、I、t 的关系运用了单因子实验方法，总结规律运用了对比方法，观察实验效果则运用了放大法。另外， 不同分支的实验运用的方法也有所侧重，力学应用平衡法较多，光学应用色、光对比及“光线”模型与几何作图法较多。还有些特殊的方法， 例如，热学实验中常应用混合法（测比热、测温度），电学实验中运用短路法、断路法等等。

（张宪魁 文）

关于义务教育实验教学的浅见

1994 年秋，全国将使用《九年义务教育全日制初级中学物理数学大纲（试用）》和依此编写的“一纲多本”的新教材，拙文从实验教学的角度，浅谈一孔之见。

大纲，是编写教材、教师施教、学生学习和评价教与学等主要依据。新大纲在实验教学方面跟现行大纲相比较，主要有如下突出特点。

一、两个重要改进

1. 体现了实验教学的基础地位(1)强调了“加强演示和学生实验” 现行大纲在“教学中应注意的几点”里，是把“加强演示和学生实验培养学生的实验能力”，放在“加强物理基础知识的教学”之后；而新大纲在“教学中应该注意的问题”里，却把“加强演示和学生实验”提在“重视物理概念和规律的教学”之前。并强调“观察现象，进行演示和学生实验，能够使学生对物理事实获得具体的明确的认识，这种认识是理解概念和规律的必要的基础。”

1. 重视了“开展物理课外活动”

现行大纲关于“教学中应注意的几点”共有七条规定，其中第（六） 条是“组织和指导学生开展物理课外活动”；而新大纲的“教学中应该注意的问题”有八条，把“开展物理课外活动”列为第（五）条，同时还深刻地阐述了其重要作用是：“对于加深和扩大学生的知识面，发展他们的爱好和特长，使他们学得更好更活，提高他们的活动能力和思想品德，都是十分有益的。”

1. 突出了“观察、实验的初步训练”

现行大纲在“说明”中写到：“学生在物理课程中学到的关于物质最普遍的形式和物质基本结构的知识，受到的观察、实验、思维、科学态度和科学方法的训练，以及受到的思想教育，是他们继续学习科学技术和投身祖国建设事业的必要基础”；而新大纲在“说明”中却把这段话重点突出地改写为：“学生在物理课中学习初步的物理知识，受到的观察、实验的初步训练以及思想品德教育。这对完成义务教育的任务具有重要的意义。”

1. 明确了“观察和实验”的重要作用现行大纲在说明“演示和学生实验”的作用时指出：“能使学生理解物理概念和规律的建立与实验的关系，培养学生一定的实验能力”，“对于培养学生学习兴趣也是十分重要的”；新大纲在全面论述“初中物理教学要以观察、实验为基础。观察现象、进行演示和学生实验，能够使学生对物理事实获得具体的明确的认识，这种认识是理解物理概念和规律的必要的基础”之后，更加明确地指出：“观察和实验，对培养学生的观察和实验能力，实事求是的科学态度，引起学习兴趣都有不可替代的重要作用”（重点号为笔者所加）。

新大纲的上述重要改进，体现了实验在物理教学中的基础地位，说明了实验在初中物理教学中的关键作用，我们要认真学习、深刻领会并在实际教学中予以贯彻落实。

1. 增加了实验教学的基本要求

跟现行大纲相比较，新大纲对实验教学增加了三条要求：(1)培养“实

事求是的科学态度”新大纲把培养学生的“实事求是的科学态度”（比现行大纲多了“实事求是”的基本要求）纳入初中物理教学目的之一， 并作为“教学中应该注意的问题”之（七），全面地阐明了它的重要意义（即“相信科学、热爱科学、对客观事物的科学态度，无论学生将来从事什么工作，都是十分重要的”）、内涵（即“主要是尊重事实、严肃认真、按科学规律办事的态度”）和培养它的主要途径（即“要培养科学态度，教师必须以身作则，如以自己认真做好演示的行动来教育学生做好实验，按规则操作，如实记录，要教育学生严肃地对待各科学学习活动”）。

1. 应对“实验能力进行考核”

新大纲写道：“为了加强实验教学，应对学生的实验能力进行考核”。新大纲增加的这一条新规定，既是对实验教学提出的更高要求，又有益于实现“培养学生初步的观察、实验能力”的教学目的。对于实验考核分数是否计入学生物理总成绩（1988 年颁发的“初审稿”里明文规定“要计入”），新大纲没做统一规定，要因地因人而宜。

1. 培养“善于观察”、“动手实验的习惯”新大纲把“要培养学生善于观察、勤于思考的习惯”，列在要培养学生良好的学习物理的“四个习惯”之首。阎金铎教授在《九年义务教育初级中学物理教学大纲审查说明》中，关于“培养学生良好的学习物理习惯”时又明确地把“主要是善于观察、勤于思考、动手实验的习惯”，放在要培养学生良好的学习物理的“四个习惯”之首（另三个习惯顺次为“力求理解而不是死记硬背的习惯，在复习课文的基础上完成作业的习惯，以及运用所学知识或自己动手解决简单问题的习惯”）。

二、实验要求明确、具体

1. 能力培养要求具体(1)观察能力

现行大纲对培养观察能力没作具体说明；而新大纲则规定：“要培养的观察能力主要是：能有目的地观察，辨明观察对象的主要特征及其变化条件。”这种观察是学生获得物理知识感性材料的源泉。

(2)实验能力

新大纲对培养学生实验能力是用一个“了解”和四个“会”来要求的：“了解实验目的，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。”

1. 学生实验要求具体

现行大纲只列出学生实验题目，对每个实验有何具体要求均无说明，新大纲以表格的形式，列出了学生实验的题目和“教学要求”。比如：新大纲规定的第一个学生实验是“用毫米刻度尺测长度”，在其“教学要求”栏目里写到：“会用刻度尺测长度；知道测量结果由数值和单位组成；常识性了解测量有误差，误差和错误有区别；常识性了解长度测量的有效数字”。可谓详而不难、具体又便于教学。虽然两种版本教学大纲都规定必做的学生实验均为 19 个，但有必要说明两点：

①初略分析统计：这 19 个必做的学生实验，属于基本练习性（又称

“操作性”）的各有 5 个；测定性的均有 5 个；验证性的由 4 个降为 1 个（“装配直流电动机模型”可以视为验证“左手定则”）；而探索性

则由 5 个增到 8 个。可见新大纲比现行大纲更加重视探索性学生实验。

②对实验技能的要求，新大纲均用“会”来表示。值得注意的是， 在新大纲规定的 19 个学生实验中，有 8 个学生实验（它们顺次为：“观察水的沸腾”、“观察凸透镜所成的像”、“研究液体内部压强跟深度的关系”、“研究杠杆的平衡条件”、“测滑轮组的机械效率”、“制作电磁铁并研究它的作用”、“测小灯泡的电功率”和“装配直流电动机模型”），在“教学要求”栏目里没提“实验技能”要求，但是，它们同提了实验技能要求的学生实验一道，共同担负着培养观察能力和实验能力的任务，都要在培养实事求是的科学态度和提高学习兴趣等方面发挥作用。所以，在教学中不仅应跟提了实验技能要求的学生实验同样重视，而且，还应该根据它们的各自特点，去发挥它们的独特作用（此外，关于新大纲对“实验要求具体”，也包括对“观察能力”和“实验能力”要求具体等，前面已有说明，这里不再赘述）。

三、实验比例增大

初略统计，现将两种版本教学大纲里的有关内容列表如下：

从上表分析可知：新大纲比现行大纲规定实验的相对比例明显增大。(1)演示实验：由 117 个、占实验授课课时数的 92.1%，上升到 119 个、占实际授课课时数的 113.3%，增加了 21.2 个百分点；

(2)学生实验：由占实际授课课时数的 15%，上升到占实际授课课时数的 19.1%，增加了 4.1 个百分点。

综上所述，新大纲贯彻了义务教育的培养目标，体现了物理实验的基础地位，对实验教学的作用、要求等阐述得更全面、更深刻、更明确、更具体。

（苏福河 廖岩 文）