物理实验方法的教育
慈溪市“普通高中物理科学方法教育的研究与实验”是国家教委基础教育司的“普通高中课程改革的研究与实验”课题的子课题。在该课题的实验过程中，我们始终把有关实验的方法教育放在整个方法教育的首位。这不仅是因为物理学是以实验为基础的科学，实验方法在物理学乃至在自然科学研究中占有特殊重要的地位，更重要的是有关实验的方法教育在整个物理学科的方法教育中更容易使学生感到方法的客观存在和学习方法的重要意义。浙江省慈溪中学徐志长老师作了如下分析。
实验方法的含义及其特点
实验是研究物理的基本方法，也是研究自然科学的基本方法。概括地说，自然科学的实验是人们根据研究的目的，利用科学仪器设备，人为地控制自然现象，排除干扰，突出主要因素，在有利的条件下研究自然现象的本质和规律的科学实验活动。实验方法比单纯的观察方法有着显着的优点。我们知道，自然界发生的现象，如果没有人为地加以控制，一般都是在许多因素相互影响和干扰下发生的，单纯的自然观察往往很难发现它的本质和规律。如果能对现象进行控制，使某些因素的影响减少或消除，使某些因素的影响突出或强化，就容易发现自然现象的本质规律。所以控制是实验方法的基本特点，是实验方法的精髓。
实验方法的教育及其认识
中学物理实验(包括教师的演示实验、学生的分组实验及课后小实验等)，根据其物理研究中的作用不同可划分为不同的类型，如探索性实验、验证性实验、测量性实验等。虽然这些类型的实验的特性不同，但实验的基本程序都可分为三个阶段。首先是实验的设计阶段，其次是实验的操作阶段，最后是实验结果的整理阶段。我们认为，要使实验方法的教育具有一般性和通用性，实验方法的教育应从物理实验的基本程序入手，在实验方法的基本特点上做文章。这样，通过实验方法的教育，容易使学生加深对物理知识的理解，养成良好的科学态度和科学素质，逐步领会实验方法的真谛。
(1)实验原理设计中的方法教育
实验原理设计中的方法教育是实验方法教育中的重点，要做好这一工作，我们分三步走。
第一，重视理解课本中的每一个演示实验、分组实验和小实验的设计原理。
为达此目的和帮助学生对每一个实验的理解，课题组编写了一本《实验方法学习导引》［高中物理第一、二册(必修)］的小册子。内容主要有两个方面：一是对实验方法作了一些阐述；二是对必修本中主要的演示实验和每一个分组实验从原理、方法、误差作了一些阐述。做到每生一册，要求学生在实验前理解原理时对照学习，加深理解。
第二，教师典型分析带路。学生刚进入高中，立即要求理解第一个实验的设计原理确有一定的困难。为此，除了小册子作“导引”外，教师还必须走好典型带路这一步。例如在牛顿第二定律的教学中，对课本中的实验，在教师的引导下，要求学生理解的实验目的是：研究物体的加速度a跟外力F及物体质量m的定量关系；实验的控制条件是：先控制m相同，寻找a跟F的关系，再控制F相同，寻找a跟m的关系，最后综合上述实验结果，确定a跟F、m的定量关系，并使学生了解这种控制变量的方法是单因子实验方法，在实验方法中经常用到；实验的巧妙之处是：不测量小车的加速度而是比较相同时间内的位移来确定加速度的大小；实验中存在的问题是：把小盘和砝码所受的重力当做小车受到的合外力，而且小车还受到摩擦力的作用，可见度较差；实验减少误差的措施是：使盘和砝码的质量远小于小车的质量，使小车运动的轨道稍微倾斜，平衡摩擦力。为了增加可见度和半定量性，又可使学生了解实验方法的多样性，我们对实验装置又作了进一步的改进。
第三，根据一定的实验目的，要求学生独立地对实验原理进行设计。第一次要求学生独立设计实验原理，放在“验证机械能守恒定律”这个实验上。其原因有二：一是该实验可以采取的实验原理比较多，可以方便地根据实验目的进行设计；二是通过对每一个实验的设计原理的理解和教育以及教师的典型分析带路，学生已有一定的方法基础。在实验课前，我们把学生分成若干实验小组，要求每一小组根据这一实验目的，通过小组成员的共同努力，设计出一个可行的实验方案来。方案中需说明实验原理、所需器材、记录实验数据的表格、实验结果的处理方法等等，汇总后展出。让学生分析每一个设计的利与弊，评出一到三个最佳实验方案，并在设计的实验名称前冠以设计者的姓名。如果“张三验证机械能守恒定律实验”、“李四验证机械能守恒定律实验”等。在课外物理兴趣活动时间或其他可利用的时间内由最佳方案的设计者进行实验操作，完成后写成实验报告公布于众。
在实验原理设计的方法教育中，我们还在实验仪器的选择方法和实验步骤的编排方法作了专题教育。
实验器材的选择是一个难点，众所周知，准确选择实验器材是完成实验的前提。实验器材选择适当，不仅可以保证实验的顺利进行，而且可以使实验操作更方便，实验误差更小。因此，实验器材的选择方法是学生必须掌握的实验方法之一。为此，我们从强调学生了解中学物理实验中常用的各种仪器的性能入手，以安全、方便、准确为选用原则作为突破口进行教育。具体的选用方法的教育我们放在高二的电学和高三的实验专题复习中进行。在高二电学实验中，我们以典型带全面，重点分析“测定金属的电阻率”这一实验。通过分析，使学生知道怎样根据实验原理选择实验器材，选择怎样的器材能够使实验既方便又能按实验设计要求正常进行，选择怎样的实验器材能减小实验误差等等。对其他电学实验，我们要求学生按照典型分析方法，对每一个实验进行逐一分析，使之初步领会选用器材的方法。在高三实验复习阶段，我们组织典型进行专题教育，从选用原则、要求、方法的理论高度和实践上同时进行训练，从而进一步掌握这一选择方法。
实验步骤的合理编排是保证实验成功的重要环节，也是实验操作的依据。实验操作是有先后顺序的，某一项操作往往是后一项操作的必备条件。如果漏掉一步或操作颠倒，可能会使实验不能顺利进行，甚至无法完成实验。因此，编排合理的实验步骤的方法教育，我们要求学生从领会实验的原理、预测每进行一步实验操作将会出现怎样的实验现象作为编排的出发点。除了在实验设计中重点教育外，还分散安排在不同的实验中进行。如引导学生在分析“验证牛顿第二定律”实验中，漏掉了平衡摩擦力这一步，对实验结果将会出现什么后果。在“验证机械能守恒定律”的实验中，松开纸带和接通电源应哪步在前哪步在后？若相反会带来什么影响？有时故意编制一些混乱的实验步骤，要求学生进行合理编排，逐步领会实验步骤编排的方法。
(2)实验操作中的方法教育
实验操作是学生完成整个实验的关键环节，是学生直接参与的科学实践活动。实践操作中的方法教育，我们从以下两个角度展开：一是在教师的演示实验操作示范性上下功夫。通过示范性教育，可使学生初步领会实验操作的基本方法——“七字法”“拿、放、调、装、接、测、读”。即要求学生在实验操作过程中掌握怎样拿仪器，怎样安放、排布仪器，怎样调节仪器，怎样装配仪器，怎样连接仪器，怎样用仪器进行测量，怎样读出和记录被测数据等方法。特别是掌握怎样对稍纵即逝的变化现象和微弱缓慢的变化现象的观察方法。二是从“同步式”教育过渡到“自由式”教育。“同步式”教育，即整个教学过程按教师的指令，以相同的进度完成各种操作。每操作下一步前，教师先讲清该步操作的详细方法和注意的几个问题，待交待完毕，发出指令让学生完成这一实验步骤，如此一步一步以同步的形式完成整个实验操作。“同步式”教育只能在实验操作方法教育的起始阶段适用，其特点是每一步的操作方法比较清晰，便于操作。其目的是要使学生明白，每一步的实验操作都有一定的方法可循，以养成在独立操作时，每一步要按一定的方法进行操作的良好习惯。“自由式”是相对于“同步式”而言的。当学生从“同步式”教育中掌握了一定的实验操作方法。形成了一定的实验操作技能以后，在学生有充分准备的前提下，对每一个实验在总体上或个别细节中提一些实验操作方法要领后，放手让学生根据自己的方法自由地去完成实验操作的全过程。
对“自由式”教育，教师事先必须预测学生在实验操作过程中可能出现的问题及其出现这些问题而对付的方法。在“自由式”教育的过程中，教师必须加强巡视，及时发现学生在操作过程中出现的问题，提出相应方法，及时地进行纠正，并让学生在失误中吸取教训，懂得补救的方法。在巡视中出现一些好的、新奇的方法，教师应及时给予肯定并加以推广。
(3)实验数据处理中的方法教育
从实验中通过一定的方法来观察现象、获取数据只是实验的一个初级阶段，要达到实验所预期的目的，还必须通过分析和处理实验现象和数据这一高层次的阶段。在该阶段中需要对实验现象和数据进行分析、综合、抽象、概括等逻辑思维、数学、图象等一系列方法，才能挖掘出实验现象和数据中蕴含的深刻含义，从而验证或得出物理规律(提出假说)。实验数据处理的方法教育，我们的重点放在图线法。通过教育，使学生初步掌握用图线法处理实验数据的基本方法，懂得一些图线法的基本要领和应注意的问题。如坐标轴和原点的选择方法：坐标的横轴为自变量，纵轴为因变量，由于被测物理量的不同，坐标原点可以和变量的零点不一致，单位的选取要合适，使图线均衡分布。描点的方法：实验数据必须用一定的符号(如“×”、“·”)描点。图线的描绘方法：作图线时，要使尽可能多的点落在图线上，偏离点应以大体相同的数目分布在图线两侧。坐标轴的变换方法：如果根据测量值得到的图线不是一条直线，可将被测量值作某种变换来得到直线，同时使学生明确这种变换不仅是由于直线容易描绘，更重要的是直线的斜率和截距所包涵的内容正是我们所需要的。图线的外延的方法：有些数据在实验过程中是难以测出的，可依据实验曲线的发展趋势向外延伸得到所需结果等等。
实验教学中方法教育的内容
从物理学的发展历史来看，物理学方法论的全部内容，包括总结科学方法、探讨科学方法的原理与结构，总结物理学研究的程序等等，都是从物理学发展史的反思中，以及人们对物理研究过程的再认识中总结出来的。我们不可能先验地去规定如何进行物理认识，也不可能先验地提出任何方法论的原理及研究程序，可以说构成物理学方法论研究的全部经验材料就是物理学发展的史实。在中学物理教学中，我们也不可能脱离教材内容和教学活动的实际，主观地制定一套科学方法教育的内容、要求及模式。我们所能做的，一是发掘，二是总结。也就是说，一是通过深入分析具体的教学内容来发掘其中蕴含的方法教育的要素，来提出方法教育的内容、目标和要求；二是通过总结物理教学工作者在教学实践中创造的丰富经验，来寻找一条施行科学方法教育的途径和有效的做法。
人们在进行一项科学的实验活动时，总是综合运用多种方法，而各个具体的实验所运用的方法又各有特点和侧重面。因此，我们很难全面列举教材中各个实验所用到的所有研究方法，更难以对这些方法作一个简单的归纳。浙江省杭州高级中学夏蒙森老师从下列的几个方面，对中学物理课程的实验教学中所蕴含的科学方法论内容作了发掘和探讨：
通过实验教学，使学生理解实验中具有普遍意义的思想和方法在各个实验中，有一些是具有普遍意义的思想和方法。学生理解和掌握了这些思想和方法，不但对于解决物理问题，就是在将来解决其它领域的问题时，也能起借鉴的作用。
(1)使学生了解，当用实验方法来研究某一问题时，一般先要对研究对象和物理过程作出初步的分析，弄清影响实验过程的外部条件及内部的各个因素之间的关系，抓住主要矛盾，排除各种干扰，使实验尽可能在“纯粹”的条件下进行。
以用“平板——小车”验证牛顿第二定律的实验为例(图1)，通过分析，找到小车的加速度与小车受到的拉力F、小车的质量M、小车运动中受到的摩擦等因素有关，而小车受到的拉力F又不等于所悬挂的砝码盘及小砝码的总重量m。我们用给平板一个适当的倾斜角的方法，消除了摩擦力的影响。至于F不等于码盘及小码的总重量的问题，则除了尽量减小渭轮的摩擦外，就要结合理论的分析来找到解决的途径。小车M和码盘、小码m构成一对连接体。在已平衡摩擦的条件下，F=Ma，m-F=ma，解得：F=m·M/(M+m)，a=m/(M+m)。
解决的办法有两种：一种是实验中保证m＞M，这样，M/(M+m)≈1，而有F≈m，这就是目前教材中推荐的做法。另一种做法是，先将码盘等一起放在小车上，称得质量(M+m)，平衡摩擦后，从小车上取出码盘及一部分小码作为m。当要改变小车受到的拉力时，也不是从外部向码盘加、减码，而是从小车上取一些小码加在码盘上，或从码盘上取出一些码放回到小车上，这样，就保证了式a=m/(M+m)中分母(M+m)不变，从理论上说应有a∝m。这两种处理方法各有其特点。前一种方法，可以使学生体会近似处理在实验研究中的意义，而在实际的实验活动中，实验的条件一般说都只能是近似地满足的；后一种方法，则体现了改进实验的原理，从而消除了实验中的系统误差的思想，这种做法，在实际的实验中，也是常用的。
