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【摘 要】从学习目标出发，对多种实验设计进行分析和分类。权衡其在教学中的优劣后，对实验的选取提出思考。
【关键词】高中物理;实验设计;学习目标;选取策略
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1005-6009（2015）22-0035-02
【作者简介】傅明峰，江苏省六合高级中学（南京，211500）教师。
人教版教材《物理》必修2第五章第三节“实验：研究平抛运动”的学习目标是在通过实验描绘平抛物体的运动轨迹的基础上，研究平抛运动的特点。而如何准确描绘出平抛物体运动的轨迹则是关键。因此，为了有效达成本课的学习目标，教师需要对教材中的各种实验设计进行分析和分类，在权衡优劣的基础上，选取有效的实验策略。
一、实验案例呈现
1.小球碰铅笔尖法。
如图1所示，教材所提供的参考案例1是利用了实践中比较成熟的“小球碰铅笔尖法”描绘小球平抛运动轨迹的实验装置，用铅笔试探描绘出小球经过的位置。选用这个实验案例作为学生分组实验，让学生尝试用简单的方法来研究物理问题。用这种方法描绘小球位置误差较大，需要多次尝试。
2.过纸板小孔法。
针对“小球碰笔尖法”中确定小球位置的误差较大的缺点，可选用过纸板小孔法进行改进，如图2所示。这种方法简单、方便，让小球迅速垂直通过小孔可以有效地减小误差。
3.细水柱法。
如图3所示，倒置的饮料瓶内装着水，瓶塞内插着两根两端开口的细管，其中一根弯成水平，且水平端加接一段更细的硬管作为喷嘴。通过喷嘴中射出的水在空中的轨迹来反映平抛运动。这种方法，简单易行，轨迹准确、清晰，适合进行课堂演示实验。
4.频闪照相法。
利用数码照相机或摄像机的摄像功能来记录平抛运动的轨迹。拍摄小球从水平桌面飞出后做平抛运动的几张连续照片。这种方法简单，轨迹准确，但长度有限，处理不方便。
5.碰撞法。
（1）如图4所示，在水平桌面上放置一个斜面，每次都让钢球从斜面上的同一位置滚下，滚过桌边后钢球便做平抛运动。在钢球抛出后经过的地方水平放置一块可调节高度的木板，木板上放一张白纸，白纸上放有复写纸，这样便能记录钢球在白纸上的落点。
（2）把桌子搬到墙的附近，使从水平桌面上滚下的钢球能打到墙上，把白纸和复写纸附在墙上，记录钢球的落点。改变桌子和墙的距离，就可以得到多组数据。
（3）将（2）改进为如图5所示的实验，将一块钉上复写纸和白纸的平木板，竖直立于槽口前某处，使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，小球撞在木板上留下痕迹A;将木板向后移距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，小球撞在木板上留下痕迹B;又将木板再向后移距离x，小球再从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，再得到痕迹C，将得到小球在白纸上打下的若干痕迹点。这种方法设计巧妙，误差较小，考虑比较全面。
（4）将（3）法改为如图6所示的实验，用图钉把白纸钉在竖直木板上，把斜槽固定在紧靠木板的左上角，且使其末端切线水平，记下小球飞出时的初始位置O，并目测过O画水平线作为x轴，把水平木条靠在竖直木板上，让小球从斜槽适当的位置由静止滚下，观察小球在木条上的落点，并在白纸上标出相应的点，得到小球运动过程中的一个位置。把水平木条向下移动，重复上面的操作，让小球从斜槽上相同位置由静止滚下，得到小球运动过程中的多个位置，从木板上取下白纸并处理数据。
6.利用传感器和计算机研究平抛运动。
将研究平抛运动规律的实验装置放置在水平桌面上，利用光电门传感器和碰撞传感器可测得小球的水平初速度和飞行时间，底板上的标尺可以测得水平位移。
二、对实验的分析和分类
1.真实实验。
在真实实验中，学生分组实验相对于演示实验，参与度更高些。学生通过分组实验，亲自动手操作、亲自动手计算，实验过程得到的知识、规律、方法和经历，都有利于学生实验能力和素养的提高。
由于学生个体实验能力的差异，在实验过程中，不可避免地会出现完成进度不一的现象。学生分组实验的效率相对较低。
当然，学生分组实验和演示实验也可以进行有效的改进和融合。部分学生演示实验，不仅能提高参与度，也为课堂演示或课后开展兴趣小组进行进一步实验探究打下了基础。
2.仿真实验。
与真实实验相对应，“仿真实验”指的是没有实际操作，在一定程度上，它突出实验原理、重点和细节，是能被学生接受认可的一种“实验”。随着信息技术以及设备的升级换代，仿真实验逐渐成为课堂上一种较为普遍采用的教学手段。当输入数据或参数后，可即时演示出相应的实验现象。如输入不同的初速度数值，就可以描绘出相应的平抛物体的轨迹。
但仿真实验毕竟不真实，真实的世界远非网络或PPT课件里那么纯粹和简化。失败的操作、烦琐的数据、突发的故障以及不可避免的误差，都是实验过程中不可或缺的重要东西。物理实验的“根”是真实。如果学生思想中的世界完全建立在网络、课件、屏幕、投影传输的“现象”之上，那是违背科学性、真实性的。
3.实验练习。
由于课时、条件、教学进度等因素，有些实验可以改编为习题，如上文碰撞法中的四个实验案例。在习题反馈与教学中可提醒学生与教材提供的三个参考案例进行对比，找出思想方法上的异同。这不仅有利于提高习题利用率，拓展学生的发散性思维，而且对提高学生的实验能力也大有好处，达到一石二鸟的效果。近年来，高考试题越来越注重通过实验题来考查学生的实验经历、实验设计、实验探究、实验分析与处理能力，以及故障的排查和误差的分析，有的试题灵活度很高，要求学生提出改进的方法等。
三、实验选取的策略
1.真实优先，灵活选取。
实验教学的基本原则就是追求真实性。所以，只要实验条件允许，应优先选取真实实验。有些条件好的学校，如装备了DIS数字化实验室，就可以运用传感器和计算描绘平抛运动轨迹。客观条件不允许、条件苛刻、无法进行的实验，或者现象很难直接观察到的实验，可采用仿真实验进行演示。
2.有效设计，注重实效。
实验设计时，要考虑到实验安全（人身和仪器）、成功率高、仪器简单、操作容易、可重复性强等方面。另外，实验设计时既要有实验方案的选取，又要有实际动手操作，还要有对实验结果的分析与处理，应充分体现以学生为主体，培养学生的实验能力。可作如下思考：对于学生实验，要精心准备，力争实验目标有效达成;对于只需要了解的知识和规律，可更多地选用演示实验，如运用实验比较法探究平抛运动的水平和竖直方向的运动特点，以缩短实验时间，提高学习效率。而在复习平抛运动的教学设计中可以选用PPT课件来展示，达到回顾和再现的目的。注重实效，用创新手法将实验案例融合，如考虑到实验室的平抛演示仪器比较陈旧，误差很大，采用数码相机照下细水柱的平抛运动轨迹，再对照片进行处理，这样处理能很好地实现感性认识和理性思维相结合，使学生在获得成功的体验的同时，又能体会物理实验方法的简洁美。
3.修正错误，减少误差。
实验过程中无论成功与否，都是学生重要的实验经历。对于实验错误一定要让学生知道原因以及如何修正。对于实验过程中的故障，要让学生学会如何排查和怎么处理。实验产生的误差，不仅要分析成因，还要思考和尝试去减小误差，包括改进实验方法、器材的选取。对于实验来说，错误、故障和误差是好事而不是坏事。抓住这些教学契机，效果事半功倍是不言而喻的，对于培养学生正确的情感、态度和价值观也是极好的教育手段。
【参考文献】
陶洪.物理实验论[M].南宁：广西教育出版社，1997（10）.
【关键词】高中物理;实验设计;学习目标;选取策略
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1005-6009（2015）22-0035-02
【作者简介】傅明峰，江苏省六合高级中学（南京，211500）教师。
人教版教材《物理》必修2第五章第三节“实验：研究平抛运动”的学习目标是在通过实验描绘平抛物体的运动轨迹的基础上，研究平抛运动的特点。而如何准确描绘出平抛物体运动的轨迹则是关键。因此，为了有效达成本课的学习目标，教师需要对教材中的各种实验设计进行分析和分类，在权衡优劣的基础上，选取有效的实验策略。
一、实验案例呈现
1.小球碰铅笔尖法。
如图1所示，教材所提供的参考案例1是利用了实践中比较成熟的“小球碰铅笔尖法”描绘小球平抛运动轨迹的实验装置，用铅笔试探描绘出小球经过的位置。选用这个实验案例作为学生分组实验，让学生尝试用简单的方法来研究物理问题。用这种方法描绘小球位置误差较大，需要多次尝试。
2.过纸板小孔法。
针对“小球碰笔尖法”中确定小球位置的误差较大的缺点，可选用过纸板小孔法进行改进，如图2所示。这种方法简单、方便，让小球迅速垂直通过小孔可以有效地减小误差。
3.细水柱法。
如图3所示，倒置的饮料瓶内装着水，瓶塞内插着两根两端开口的细管，其中一根弯成水平，且水平端加接一段更细的硬管作为喷嘴。通过喷嘴中射出的水在空中的轨迹来反映平抛运动。这种方法，简单易行，轨迹准确、清晰，适合进行课堂演示实验。
4.频闪照相法。
利用数码照相机或摄像机的摄像功能来记录平抛运动的轨迹。拍摄小球从水平桌面飞出后做平抛运动的几张连续照片。这种方法简单，轨迹准确，但长度有限，处理不方便。
5.碰撞法。
（1）如图4所示，在水平桌面上放置一个斜面，每次都让钢球从斜面上的同一位置滚下，滚过桌边后钢球便做平抛运动。在钢球抛出后经过的地方水平放置一块可调节高度的木板，木板上放一张白纸，白纸上放有复写纸，这样便能记录钢球在白纸上的落点。
（2）把桌子搬到墙的附近，使从水平桌面上滚下的钢球能打到墙上，把白纸和复写纸附在墙上，记录钢球的落点。改变桌子和墙的距离，就可以得到多组数据。
（3）将（2）改进为如图5所示的实验，将一块钉上复写纸和白纸的平木板，竖直立于槽口前某处，使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，小球撞在木板上留下痕迹A;将木板向后移距离x，再使小球从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，小球撞在木板上留下痕迹B;又将木板再向后移距离x，小球再从斜槽上紧靠挡板处由静止滑下，再得到痕迹C，将得到小球在白纸上打下的若干痕迹点。这种方法设计巧妙，误差较小，考虑比较全面。
（4）将（3）法改为如图6所示的实验，用图钉把白纸钉在竖直木板上，把斜槽固定在紧靠木板的左上角，且使其末端切线水平，记下小球飞出时的初始位置O，并目测过O画水平线作为x轴，把水平木条靠在竖直木板上，让小球从斜槽适当的位置由静止滚下，观察小球在木条上的落点，并在白纸上标出相应的点，得到小球运动过程中的一个位置。把水平木条向下移动，重复上面的操作，让小球从斜槽上相同位置由静止滚下，得到小球运动过程中的多个位置，从木板上取下白纸并处理数据。
6.利用传感器和计算机研究平抛运动。
将研究平抛运动规律的实验装置放置在水平桌面上，利用光电门传感器和碰撞传感器可测得小球的水平初速度和飞行时间，底板上的标尺可以测得水平位移。
二、对实验的分析和分类
1.真实实验。
在真实实验中，学生分组实验相对于演示实验，参与度更高些。学生通过分组实验，亲自动手操作、亲自动手计算，实验过程得到的知识、规律、方法和经历，都有利于学生实验能力和素养的提高。
由于学生个体实验能力的差异，在实验过程中，不可避免地会出现完成进度不一的现象。学生分组实验的效率相对较低。
当然，学生分组实验和演示实验也可以进行有效的改进和融合。部分学生演示实验，不仅能提高参与度，也为课堂演示或课后开展兴趣小组进行进一步实验探究打下了基础。
2.仿真实验。
与真实实验相对应，“仿真实验”指的是没有实际操作，在一定程度上，它突出实验原理、重点和细节，是能被学生接受认可的一种“实验”。随着信息技术以及设备的升级换代，仿真实验逐渐成为课堂上一种较为普遍采用的教学手段。当输入数据或参数后，可即时演示出相应的实验现象。如输入不同的初速度数值，就可以描绘出相应的平抛物体的轨迹。
但仿真实验毕竟不真实，真实的世界远非网络或PPT课件里那么纯粹和简化。失败的操作、烦琐的数据、突发的故障以及不可避免的误差，都是实验过程中不可或缺的重要东西。物理实验的“根”是真实。如果学生思想中的世界完全建立在网络、课件、屏幕、投影传输的“现象”之上，那是违背科学性、真实性的。
3.实验练习。
由于课时、条件、教学进度等因素，有些实验可以改编为习题，如上文碰撞法中的四个实验案例。在习题反馈与教学中可提醒学生与教材提供的三个参考案例进行对比，找出思想方法上的异同。这不仅有利于提高习题利用率，拓展学生的发散性思维，而且对提高学生的实验能力也大有好处，达到一石二鸟的效果。近年来，高考试题越来越注重通过实验题来考查学生的实验经历、实验设计、实验探究、实验分析与处理能力，以及故障的排查和误差的分析，有的试题灵活度很高，要求学生提出改进的方法等。
三、实验选取的策略
1.真实优先，灵活选取。
实验教学的基本原则就是追求真实性。所以，只要实验条件允许，应优先选取真实实验。有些条件好的学校，如装备了DIS数字化实验室，就可以运用传感器和计算描绘平抛运动轨迹。客观条件不允许、条件苛刻、无法进行的实验，或者现象很难直接观察到的实验，可采用仿真实验进行演示。
2.有效设计，注重实效。
实验设计时，要考虑到实验安全（人身和仪器）、成功率高、仪器简单、操作容易、可重复性强等方面。另外，实验设计时既要有实验方案的选取，又要有实际动手操作，还要有对实验结果的分析与处理，应充分体现以学生为主体，培养学生的实验能力。可作如下思考：对于学生实验，要精心准备，力争实验目标有效达成;对于只需要了解的知识和规律，可更多地选用演示实验，如运用实验比较法探究平抛运动的水平和竖直方向的运动特点，以缩短实验时间，提高学习效率。而在复习平抛运动的教学设计中可以选用PPT课件来展示，达到回顾和再现的目的。注重实效，用创新手法将实验案例融合，如考虑到实验室的平抛演示仪器比较陈旧，误差很大，采用数码相机照下细水柱的平抛运动轨迹，再对照片进行处理，这样处理能很好地实现感性认识和理性思维相结合，使学生在获得成功的体验的同时，又能体会物理实验方法的简洁美。
3.修正错误，减少误差。
实验过程中无论成功与否，都是学生重要的实验经历。对于实验错误一定要让学生知道原因以及如何修正。对于实验过程中的故障，要让学生学会如何排查和怎么处理。实验产生的误差，不仅要分析成因，还要思考和尝试去减小误差，包括改进实验方法、器材的选取。对于实验来说，错误、故障和误差是好事而不是坏事。抓住这些教学契机，效果事半功倍是不言而喻的，对于培养学生正确的情感、态度和价值观也是极好的教育手段。
【参考文献】
陶洪.物理实验论[M].南宁：广西教育出版社，1997（10）.