季 倬(永康市第一中学 浙江 永康 321300)

完美数据
——实验教学的美丽误区

季 倬
(永康市第一中学 浙江 永康 321300)

通过对自由落体运动和库仑定律的实验方案选择案例分析，阐述教学实验不能一味追求数据完美，而忽视实验思想方法教育的教学观点.

实验教学 数据 方法 思想

人教版《物理·必修1》第二章第五节“自由落体运动”一课中，教材介绍了一个演示实验，用打点计时器测量重物下落的加速度，如图1所示.同时可以利用打出的纸带，得出相邻两段相等时间内的位移差是一个定值，由此来验证重物下落的运动是一个匀加速直线运动．按照这个方案，我们用长约60 cm的纸带反复试验，每次选取中间打点清晰的一段，隔0.02 s选择一个计数点，发现不仅加速度的数值远比参考数据小，而且相邻两段相等时间内的位移差也相差较大．分析误差的产生原因，除了各种阻力之外，最重要的是，由于相邻两段相等时间内的位移差的数量级在10-3m，而用毫米刻度尺测量长度时偶然误差也将达到10-3～10-4m，相对误差明显太大．

图1 用打点计时器测重物下落加速度实验装置

为解决这个实验教学难题，我们购买了另外一套实验设备，即带有两个光电门的自由落体演示仪，如图2所示．该演示仪利用光电门和计数器，测得小球从起始位置到光电门的时间t，改变光电门离起始位置的距离H，测得多组数据，输入计算机画出2H-t2的图像，通过图像是一条过原点的直线，证明下落的加速度是一个定值，通过直线的斜率还可以得到加速度的数值．由于采用了光电门和数字计数技术，偶然误差大大减少，同时还消除了由纸带带来的阻力影响，相比教材中的实验，除了加速度数值略偏小外，该实验的数据堪称完美！后来我们都用这套器材替代教材中的实验．

图2 自由落体演示仪

随着对课堂中学生学习活动重要性认识的提高，我们感到上述演示方法存在以下不足：

(1)由于采集多组数据，实验过程需要10～15 min，如果作为演示实验，那么较长的一段时间内，学生的参与度很低，如果设计成分组实验，就需要多组器材，成本很高．

(2)由于该阶段的学生刚开始接触运动图像，还不具备熟练运用图像处理数据的能力，所以该实验的数据处理要求远远超过学生的认知水平，教学过程中教师往往只能唱独角戏，教学效果不好．

(3)原本教材的实验方案既有复习纸带分析方法的教学功能，又为今后探究加速度与力、质量的关系实验及验证机械能守恒的实验做好铺垫，但是被替换后，这种承上启下的作用没有了，实验方法的教育功能也没有了．

于是一个疑问逐渐产生：这样一味追求数据的完美值得吗？

如果是科研实验，利用高精尖的设备，获得尽可能精确的数据，当然是实验最基本也是最重要的目标．但中学物理教学过程中的实验，是一种教学实验，它应该有别于科研工作者的科研实验．作为教学实验，准确的数据固然重要，但更重要的是让学生重演科学家研究的过程，领悟物理实验的设计思想，掌握物理学科的研究方法.

于是我们对自由落体运动的实验方案重新进行设计．首先是保留教材原来的实验方案，且在实验的过程中，教学的重点是引导学生提出数据处理的方法，即如何利用纸带分析运动性质和加速度；其次是将演示实验改为学生分组实验，并优化该实验的操作细节，尤其是增加纸带的长度(约1.3 m，操作者需要用较长的夹子如环保垃圾夹夹住纸带，甚至有必要站到凳子上释放纸带)，延长重物下落的时间，将原本每隔0.02 s取点改为每隔0.1 s取点，减少相对误差；最后根据不同学生的学习能力，用较短时间有选择地介绍闪光照片和光电门演示仪，以及它们对应的数据处理方法．这样的实验设计方案，虽然实验数据仍然不够完美，但凸显了实验教学设计对物理本质的指向性，学生实验参与度很高，教学氛围更加和谐融洽，教育内涵也更加丰富了．

这让笔者不禁想起10年前参加全国青年教师教学大赛时执教“库仑定律”一课，备课时教师们对于如何验证库仑定律的实验也展开过激烈的讨论．如果采用教材中介绍的库仑扭秤(图3)装置来验证库仑定律，由于漏电等原因，实验很难得到有效的数据．为了得到相对准确的数据从而定量验证库仑定律，不少教师采用了如图4所示的投影式库仑扭秤．

图3 库仑扭秤装置

图4 投影式库仑扭秤

可是这样之后，质疑接踵而来．首先是该实验的科学性问题，据实验说明书介绍，根据高斯定理，均匀带电球面在面外各点的电场分布与点电荷的电场分布相同，因此，该实验中采用球形带电体作为点电荷的近似模型.可是，实验时对应两球的距离约5～6 cm，此时直径达3～4 cm的球还是均匀带电球吗？还能近似认为点电荷模型吗？答案是否定的.其次是该实验的教学实效性问题，据实验说明书介绍，投影式库仑扭秤保留了传统库仑扭秤的物理思想，可是在实际教学中，单为了介绍清楚该实验的结构和原理，就需要不少的时间，在相对复杂的实验装置介绍时，转化、放大和电荷量均分的思想相对弱化，实验方法的教学效果大打折扣．

如何处理这一矛盾？最后是从科学史中得到了启发．根据史料记载，库仑发现并提出库仑定律的过程，很大程度上是受到了万有引力定律的启发，而他所依据的有效实验数据却只有3组.其实科学发展史实一再表明，只靠有限的事实归纳或单纯的逻辑推理，是不足以导致科学的发现的，科学发现中最活跃的因素是猜想、假设与直觉．所以库仑发现电荷相互作用的规律，最重要的是青年时代就已经萌生的建立在万有引力定律基础上的猜想，而不是实验得到的完美精确的数据．

由此看来，利用实验得到完美数据从而定量验证库仑定律，并非是教学重点，真正的教学重点应该是实验思想方法的领悟，以及物理学家科学猜想的智慧和大胆假设的勇气！于是我们改进了实验教学设计，跳出追求完美数据的误区，先用带电金属球与带电小铝箔球(也可以是铝箔小圆筒)相互排斥的实验，如图5所示，定性验证对电荷间相互作用力的相关因素的猜想，并介绍控制变量法和电荷量均分的思想．然后介绍库仑扭秤，重点突出扭秤实验的转化放大的思想方法．最后结合物理学史的内容，进行万有引力定律和库仑定律的对比，突出科学家类比的思想和不断修正数据的探索精神教育．这样的设计，极大地丰富了教学的内涵，受到了专家们的认可．

图5 验证库仑定律实验示意图

其实，这样的例子还有很多．譬如游标卡尺的使用，有不少教师认为现在生产设计领域实际使用的，大量都是数显卡尺，测量数据是可以直接显示在液晶屏上的，比常规的游标卡尺测量数据更准确，这样还需要在中学阶段花时间学习游标卡尺的使用吗？殊不知，在学习游标卡尺的使用过程中，理解游标卡尺的原理，体会其设计思想，这才是能够让学生终身受益的东西．又譬如学生分组实验“探究合外力做功与速度的关系”，由于橡皮筋施加的是变力，平衡摩擦和纸带选取的技术要求较高，学生得到的实验数据往往不够完美，所以有教师建议改为用气垫导轨探究恒力做功与速度的关系，可是这样一来，变力做功的研究方法和本实验的核心思想即倍增思想又该如何体现？等等．

中学物理教学承担着物理文化传承的责任，这种传承绝对不应该仅仅是知识的传承，还应该有方法的传承、思想的传承和精神的传承．而作为物理学研究的基础，实验是我们物理教育教学最重要的部分，一味追求数据的完美是一个美丽而可怕的实验教学误区，这会让我们的实验设备越来越高端，实验装置越来越复杂，却导致教学方向的偏离，教育内涵的缺失，这是需要我们每一个物理教学工作者所警惕的．其实，实验教学设计是一个统一了实验精度和思想方法、知识传授和自主探究、设备成本和实际条件等等多重因素的系统设计，如何基于所在学校实际和学生原有认知，在多组相关因素中找到合理的平衡点，是一个没有定论却充满教学智慧的问题，也是一个随时代发展而需要我们不断实践与反思的问题．

ABeautifulMisconceptionaboutExperimentalTeaching:
thePursuitofPerfectData

Ji Zhuo
(Yongkang No.1 High School，Yongkang，Zhejiang 321300)

Based on the case analysis of the selection of experimental schemes for teaching free fall and Coulomb′s law, this paper clarifies a teaching perspective that during the experimental teaching, we can′t just focus on the pursuit of perfect data and ignore the teaching of thinking and methodology about experiments.

experimental teaching; data; methodology; thinking

2017-03-28)

季倬(1976- ),男，中教高级，主要研究方向是选修课程开发和实验教学设计.