高中物理电学实验设计能力培养的教学策略

电学实验是高中物理教学内容中十分重要的一个版块，对于培养学生科学探究、发现问题解决问题的能力具有重要意义。传统的电学实验教学往往是由教师主导的，教师先进行演示，学生只进行观看，然后学生需要按照教师的指令进行实验，这种实验教学方式限制了学生的创新思维和实践能力的发展。想要改变这一现状，教师必须转变实验教学理念和方法，充分发挥学生的主观能动性，引导学生基于观察和实验提出物理问题、形成猜想和假设、自主制定实验方案、获取和处理信息，鼓励学生从多角度思考实验的可能性，设计出更安全的、更精确的、更有创意的电学实验，从而促进物理学科核心素养的发展。一、实验设计的基本概述1.实验设计的概念。实验设计是指实验者依据实验目的，运用物理原理和实验技能，借助一定的实验仪器，严格尊重实验要求，探究实验操作的活动。具体包括实验方案设计、实验流程和步骤的设计、实验改进方法的设计等。实验设计是物理实验的基础，也是核心，为实验提供了理论支撑和行动依据。其中实验方案和实验原理二者是相辅相成、密不可分的关系，一切物理实验方案的设计都应该围绕着一定的物理实验原理展开。设计的实验计划要充分符合现有实验室和实验仪器的要求，选择最适合的操作方法，这样才能从实验中获得更加准确的、具体的实验结果。在设计实验过程中，可能会遇到一些要求精准测量的数据，这就需要实验设计者将各种实验理念相融合，对实验过程和实验结果进行全方位的、科学合理的预测，并且提出针对性的解决方案。2.实验设计思想。不论是演示实验、课外实验还是分组实验，在实验仪器配备、操作、数据采集和分析等各个环节都蕴藏着丰富的实验思想。比如，类比思想、替代思想、转化思想、放大思想等，只有灵活运用这些实验设计思想，才能设计出更加符合实验要求的、精巧具体、科学合理的实验。二、电学实验设计1.基本原则。（1）安全性。电学实验需要进行通电，当电路选择不正确、实验仪器选择不正确时都会对实验仪器和人身安全产生威胁，仪器可能会损坏严重，实验人员也有遭受电击的危险。所以进行电学实验，首先要保证实验的安全性和可靠性，保证实验仪器不受到损害，人身安全不受到威胁，这也是实验成功的基础。（2）科学性。电学实验设计一定能够反映真实的物理本质，实事求是，不能存在弄虚作假，保证实验原理的选择无误，实验操作准确无误，实验仪器选择无误。（3）精确性。物理实验结果追求精准、具体、有价值，所以在电学实验设计环节就应该追求精准性，选用优质的实验仪器和最规范的实验操作，控制误差，保证实验的精准度。因为电学实验很多情况会因为一些细微的因素产生误差，这时实验人员需要对误差进行科学分析，做出最科学的解释，也可以进行多次反复测量，去平均值，保证实验误差最小。（4）便捷性。在保证安全性和精准性的基础上，应该采用最为简便的、最容易操作的实验器材和实验操作方法。比如，在电路实验中，选用滑动变阻器可以省去了更换电阻的操作，也可以有效控制电流。（5）经济性。实验人员应该具有节约资源和保护环境的意识，尽量选用节能环保绿色的实验材料，在合理范围内降低实验成本。（6）趣味性。用于教学的电学物理实验应该符合趣味性原则，可以以学生在生活中常见的，或者亲身经历、亲眼看到的物理现象和物理原理为基础进行实验，尽量选用生活中的实验素材，这样更容易激发学生的探索欲望，主动投入到实验中，也更容易理解其中的实验原理。2.基本思路。首先，根据实验探究的目的与所给条件，构建实验模型，确定合适的实验原理，所需的器材及相应的规格。其次，确定控制电路（分压或限流）和测量电路（内接或外接）。再次，根据器材的规格（电表的量程、内阻等），确定是否要采用特殊的设计方法，如是否要改装、扩程、保护等，并思考如何减小或消除系统误差。最后，统筹考虑各方面因素和条件，设计实验步骤和操作流程。三、创新高中物理电学实验设计的策略分析1.运用信息技术手段。高中阶段的物理电学的教学内容更抽象、更复杂，难度也更大。在设计电学物理实验的时候，需要考虑的条件也更多。这就需要教师提前对物理实验的原理和过程进行详细的说明，引导学生讨论分析，建立电路模型，确定实验原理和控制电路。我们可以巧妙运用多媒体设备落实可视化教学，通过展示图片、动画、视频、计算机采集与处理数据的方式使教材中的物理原理活起来，将抽象难懂的物理知识形象化、具体化，使学生可以更好地、更准确地模拟电学实验情境，预测实验过程中的可能情况，设计出更加安全、精准的实验计划，也可以在潜移默化中培养学生的实验设计能力。例如，在“科学测量：金属丝的电阻率”实验中滑动变阻器要用限流式接法，而在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中滑动变阻器要用分压式接法，分压式接法与限流式接法在对电路的控制作用上有什么区别，基于实验目的与器材确定滑动变阻器的接法，以及分压式接法时滑动变阻器的规格等等问题都是教学的难点。我们可以运用信息技术手段努力突破教学难点：如通过数据采集器和计算机软件处理，探究“改变分压器的电阻大小时被测电阻上的电压变化情况”，作出相应的曲线，得出“滑动变阻器相对于被测电阻越小，被测电阻上得到的电压图线线性越好，越便于调节”的结论，这样既便捷又有说服力。2.明确实验设计目的。明确实验目的是进行物理实验设计的基础和关键，也是影响实验器材的选择、实验步骤和实验方法的关键因素，所以我们应该鼓励学生自主设计实验计划，根据给出的提问，思考为什么做、怎么做，理清实验思路，要求学生围绕着实验目的，结合实验原理，选择实验器材，设计实验计划，这样才能更好保证实验计划是与实验原理相符合，是符合实验室规定的，从而有效培养学生的电学实验设计能力。例如，在进行“科学测量：金属丝的电阻率”的教学时，需要用“伏安法”测电阻。在学生自主设计实验计划前，应明确本实验的目的是测量金属电阻率，且掌握螺旋测微器的测量原理和读数方法，基本原理是欧姆定律和电阻定律，运用的方法是伏安法测电阻。接下来，鼓励学生围绕实验目的设计实验思路，明确求什么、测什么、怎么测、用什么测、怎么减小误差等问题，选择实验器材，设计实验电路。围绕着同样测电阻的目的，教师也可以改变实验条件，如无合适量程的电流表，是否可以用两个电压表来测电阻，这一条件下，对电压表有何特殊要求，所需的滑动变阻器规格与接法又要做怎样的改变，组织学生进行相关的“伏伏法”或“安安法”测电阻的实验，通过实验原理的迁移培养学生创新能力。3.体会实验设计思想。每一个物理实验都有其独特的实验设计思想，成功的物理实验设计充分体现了实验设计者对已掌握的物理知识的灵活应用能力和创造性思维。教学中应分析领会实验设计思想，并在新的实验中迁移运用。比如，替代是一种重要的实验设计思想，用已知的变量去代替未知的变量，保证实验可以保持同样的状态和效果，从而得出待测量。替代实验需要通过一个中间载体将未知量与标准量建立起联系，再通过把控精准的实验仪器，保证替代的等效性。此外还有图表法、极限思维法、整体法等实验设计思想。应该引导学生在设计电学实验计划的时候，应该根据实验目的，选择合适的物理实验计划，从而有效培养学生的创新能力、逻辑分析能力和实验设计能力。如图，这是为了研究小灯泡伏安特性设计的一个电路（2020年高考全国Ⅱ卷），其中包含的设计思想是：实验未提供电压表，已知内阻的两个电流表均可发挥电压表的作用，但量程均小于小灯泡的额定电压，所以要用电流表A1与定值电阻R0串联改装成合适量程的电压表。同时因为改装的电压表支路电流可读，用I2-I1可得小灯泡的真实电流，从而消除“伏安法测电阻”中，电流表外接电压表分流造成的系统误差。这其中的“改装替代”及“利用串并联电路特点消除系统误差”的设计思想，是值得深入分析并在具体的设计问题中迁移运用的。同样的，以“电阻的测量”为核心的测量方法有“伏安法”“伏伏法”“安安法”“替代法”“半偏法”“电桥法”等，每一种方法都包含深刻的设计思想，在明确设计思想的基础上进行拓展变化、包括相应的误差分析以及提高测量精度的改进办法，达到提高学生实验设计能力的目的。4.改变实验设计条件。通过实验条件的改变，设计符合要求的实验方案，有助于深化实验原理的理解，提升分析问题解决问题的能力。例如，在“科学测量：电源的电动势和内电阻”教学中，实验的基本原理是闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir，式中U为路端电压、I为经过电源的电流，如果有电压表、电流表，再加滑动变阻器即可实现多次测量（此为伏安法）。从理论上说只需测出U、I两组数据，就能求得电动势和内电阻，但显然偶然误差较大。实际实验中是采用图线法进行数据处理，通过绘制电源的U-I图像，所画出图线的延长线与U轴的交点就等于电动势E，图线斜率绝对值等于电源内阻r。“伏安法”测电动势和内阻有1、3两种电路，通过“图线修正法”（分别对应图2、图4）分析可知，图1电路误差来源为电压表分流，所测的电动势E和内阻r均偏小。图3电路误差来源为电流表分压，所测的电动势与真实值相等，所测的内阻偏大，实际等于电源内阻和电流表内阻之和。图1图2图3图4根据实验条件的变化，需要做不同的方案设计：（1）若测量对象为实验室内阻较小的干电池，因其内阻与电流表内阻接近，为了减小测量相对误差，应采用图1电路。（2）若测量对象为内阻较大的电池（如试题常见的水果电池），应采用图3电路，此时所测的电动势是准确的，所测的内阻虽偏大，但相对误差很小。（3）若图1实验中发现电压表示值变化范围很窄，这个问题怎么解决？原因在于电源内阻太小，可设计图5电路解决。图5（4）若未提供电压表，为了解决测电压的问题，需将滑动变阻器换成电阻箱，采用“安阻法”测量，设计如图6电路，实验原理为E＝IR＋Ir。实验的误差来源仍为电流表分压，故误差情况与图3电路相同。图6图7综上所述，电学实验是高