实验故障在物理实验教学中的积极作用

摘要：实验故障在实验教学中除具有负面影响外，还常常具有积极的作用。本文在对实验故障进行分类的基础上，对各种实验故障的正面及负面作用进行了较详细地分析，并给出了如何有效利用实验故障提高学生的实验技能和分析解决问题能力的教学方法。

关键词：实验教学；实验故障；物理实验

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）52-0278-02

一、引言

物理实验教学是物理教学的重要组成部分，通过物理实验不但可以加深学生对物理知识的理解，同时可以锻炼学生的动手能力和分析解决问题的能力。因而，物理实验教学对本科生的基础物理教学及后续的专业实验教学都起到重要的作用。在物理实验教学中，各种实验故障经常发生。实验故障的发生直接影响了实验的教学进度，从而影响了对实验现象的观察和对实验数据的测量。在实验教学中教师总是采取各种必要的措施来尽量减少实验故障的发生几率，而在对学生的评价中也更倾向于正面评价实验中没有出现任何故障的学生。虽然从实际测量的角度来讲，实验故障应该尽量避免，但是从教学的角度来讲，实验故障起到的作用并非全是负面的。从一定程度上来讲，实验故障反而能使学生更好地深入理解该实验，更能培养学生分析解决问题的能力。因而，从教育、教学的角度来讲，积极地有效利用实验故障是提高实验教学质量的一个重要途径。本文结合作者在实验教学中的经验和积极利用实验故障促进实验教学的尝试就物理实验中的实验故障在教学中的积极作用进行阐述，重点阐述对实验故障的分类方法和如何有效利用实验故障的教学方法。

二、实验故障的分类和特点

为更好地说明实验故障对实验教学的作用有必要对实验教学中的常见故障进行分类。根据不同的特点，可以采用不同的分类方法。首先根据实验故障产生的原因进行分类，实验故障的产生原因可以分为仪器故障、操作失误、环境影响和虚假故障等。顾名思义仪器故障是由于仪器本身出现故障造成实验中断或实验现象出现异常。在基础物理实验中，出现仪器故障最多的是电磁学部分的实验，在电磁学实验中最常见的仪器故障则是所用导线的断裂或接触不良，如高阻直流电势差计实验或霍尔效应测量螺线管磁场等。当然还有些是由于实验仪器本身出现了这样那样的问题造成的，在任课教师准备充分的情况下，仪器状态通常较好，出现这种问题的可能性较小。因操作失误造成的实验故障出现的概率也是很大的，这主要是由于学生接触实验仪器较少，对实验操作不够熟练。而最主要的原因在于部分学生课前预习不充分，对实验原理、实验内容及实验步骤都不熟悉，加之“野蛮操作”就容易做出错误操作。操作失误是应该通过课前预习和实验中教师的讲解尽量避免的，而且由操作失误引起的实验故障通过仔细检查操作或重新开始全部操作能够比较快地得到排除。周围环境也会对某些光学或声学实验产生显著的影响。例如在全息照相实验中实验台的稳定性起到关键性作用，如果在实验中有同学碰到了实验台使得实验台发生轻微的震动，此时对全息图像的观察和拍摄就会受到影响。或者在声学实验中周围的噪声可能对实验造成不可预知的影响。以上分类中的虚假故障并不是真正的实验故障，而是因为学生对实验原理、实验现象和实验结果不熟悉，得到了实验结果而不能辨识，或者对实验操作的精细程度没有客观的认识，对仪器的调节缺乏足够的耐心。这种现象多出现在光学实验中，光学实验对光路的调节有较高的要求，需要学生有较好的实验操作技能基础和足够的耐心。例如在迈克耳逊干涉仪实验中，如果学生没有对固定反射镜的方位进行精确调节，无论怎么调节螺旋手轮均观测不到合适的干涉图像。而在分光计测量三棱镜折射率实验中，由于分光计的调节步骤比较多，如果学生在前边的步骤中调节不到位，则后边就观察不到正确的现象，整个实验调节只能中断并重新开始。根据实验故障的现象特点同样可以对实验故障进行分类。我们可以将实验故障分为定量故障和定性故障。定量故障主要是指在出现实验故障时所表现出来的现象不明显，如果不仔细观察或不熟悉正确的实验现象可能会被忽略。学生完成了全部的实验内容而得到的结果却出现问题，大部分都是此类故障所引起的。这类实验故障的产生原因有学生操作不规范引起的，也有实验仪器本身的问题引起的。对于实验仪器的问题，在实验前的准备阶段实验教师应重点排查，将实验仪器维护到最佳状态。另外一种则是现象非常明显的故障，我们称之为定性故障。这主要表现为该有的实验现象没有出现或者出现的现象明显不同于预期。这类故障主要表现为在实验中仪器现象异常或者在光学实验中观察不到任何现象等。这类故障比较容易发现，也是发现后需要立即解决的实验故障。

三、不同类型实验故障在实验教学中的作用

在实验教学中，以上各分类的实验故障所起到的作用也是不同的，可以说是千差万别的。实验故障对实验教学除具有影响教学进度等负面的影响外还具有积极的正面作用。这主要表现在，出现因仪器故障造成的实验故障后，学生在积极解决实验故障过程中必须能够深入理解实验原理，并进一步熟悉实验仪器。从微观上来讲通过对实验故障的排除能够加深对实验原理的理解和对实验仪器的熟悉；而从宏观上来讲，则为学生提供了一个难得的锻炼机会，对培养学生分析问题和解决问题的能力极其重要。不管是微观上的作用还是宏观上的作用都是一帆风顺的正常实验步骤所无法提供的。对于操作失误做成的实验故障则应该在教学中尽量避免，虽然这类实验故障也能起到一定的积极的作用，但是操作失误往往容易损害实验仪器或对学生的安全造成伤害，所以必须设法避免。对于环境因素产生的实验故障有些不容易排除，但是通过对现象和产生原因的分析却能很好的锻炼学生的分析能力，因而也具有一定的积极意义。在实验中出现的虚假故障则是由于学生对实验仪器的调节认识不足或马虎造成的，这类故障的出现具有更多的负面影响，从实验教学的角度很难找到其积极的意义，因而应尽量避免。在学生报告这类故障后，任课老师应对学生进行必要的指导，建议他们多思考并更加仔细地对待实验，对于这类问题的解决应主要依赖于学生的实验能力，要避免老师越俎代庖。从实验故障的现象分类上来说，定性实验故障相比定量实验故障对实验教学和学生培养更具有积极的意义。这主要是因为定性实验故障从现象上非常明显，在出现故障后学生能及时发现并设法排除这些故障，在排除故障过程中能够从中学到更多的知识。而对于定量故障则难于发挥出积极的作用，定量故障对实验教学的影响几乎是负面的。这是因为，第一，定量故障的现象不明显，仅和正常实验现象有细微的差异或和正确的结果有较小的偏差。出现定量故障时学生通常难于及时发现，不能引起学生的注意。第二，这种实验故障对学生观察实验现象和测量实验数据都具有一定的负面影响。因而在实验教学中定量故障是应该努力避免的。

四、如何在实验教学中恰当处理实验故障

为在实验教学中取得良好的教学效果，任课教师应尽量避免在实验中出现定量实验故障，尤其是具有较小差异的实验故障。这类故障需要根据产生的原因分别进行排除。首先定量故障主要是由于仪器本身没有调零或者仪器元器件老化、损坏等因素造成的，在实验之前应对每一组仪器进行校准，对实验全程的操作进行重复或采用较简单的方法对关键的实验现象或实验数据进行核对，在实验前消除实验仪器出现定量故障的隐患。学生的操作失误也是产生定量故障的重要原因，这主要是由于个别学生实验操作不够仔细或存在误操作所引起的。在实验教学中应强调按照正确的操作步骤进行操作，并提醒学生仔细认真。而对于环境因素引起的故障也多属于定量故障，由于环境很多时候难于改变，应在实验前尽量消除。而我们所说的虚假故障则大多属于定性故障，定性故障相比定量故障具有更明显的正面作用。由于定性故障对实验教学具有明显的正面影响，在实验教学中应注意利用这些定性故障来培养学生的分析和解决问题的能力。要有效利用定性实验故障需要根据定性故障产生的原因注意以下几点。一是强调课前预习，正常实验教学要求学生做好课前预习，而要做到能够排除实验故障对课前预习的要求更高，要求学生通过课前预习理解实验原理并对实验仪器的操作有所了解。遇到问题能否顺利解决也就成为检验课前预习效果的重要指标。二是实验过程中要求学生认真操作并仔细观察每一步的实验现象，及时发现可能出现的实验故障。当学生将实验故障报告给任课老师时，应首先判断实验故障的类型和产生原因。如果仅仅是虚假故障，这时候应该明确告诉学生实验仪器的调节是需要耐心和一定实验技能的，要根据实验步骤仔细认真地进行每一步调节，不能有急躁的心理。此时学生可能会希望老师帮其排除实验故障，作为老师应该鼓励学生依靠自己的能力进行解决。可以对学生进行启发性指导，从以下几点对学生进行启发：你是如何确定出现了实验故障的；你能确定你的操作过程没有问题吗；环境因素有没有可能对实验结果产生影响；如果是仪器故障你觉得根据故障现象判断可能出问题的是哪些部分；你对以上实验故障产生原因的判断依据是什么；对故障每一种可能的产生原因，你觉得可以采取什么样的方法进行排除。学生通过对这些问题的思考和回答将极大的加深对实验原理的理解和对实验仪器的熟悉。在学生拿出可行的解决方案后，鼓励学生按照既定方案尝试排除实验故障。对学习确有困难的学生，教师可以帮助他们调节仪器或排查故障，但在做每一步操作的同时应该给该学生讲解操作的原理。将教师排查实验故障的思路告诉该学生，能有利于培养学生自主完成后续实验的能力。在实验故障排除并顺利完成实验后，要求学生在实验报告中对实验中出现的故障和排除过程进行较详细的总结。为保证学生在实验报告中能如实地总结实验中遇到的问题和解决过程，老师首先应该强调实验故障的发现和排除对提高实验技能的重要作用，另外还可以通过一定的分数杠杆来调动学生的积极性。通过在实验报告中的总结可以使学生将自己解决实验故障的思考过程和处理方法系统化，有利于后续实验的学习。

五、讨论和结论

在实验教学中，实验故障并非总是起到负面的作用。本文通过实验故障的分类说明了有些实验故障是可以起到积极作用的。实验故障在很大程度上可以说是实验中不可避免的问题，传统观念上教师在准备实验中总是尽量避免实验故障的发生，而学生也将实验故障看作是实验失败，在出现了实验故障后比较紧张，或强烈依赖于任课教师来解决。我们对实验故障进行较详细的分类后发现，实验故障并不都是坏事，有些实验故障的出现和排除对实验教学可以说起到了非常正面的作用，或者说其对实验教学的独特作用是正常实验过程所没有的。要想在实验教学中尽可能地利用实验故障培养学生良好的实验习惯和分析解决问题的能力，首要的任务就是对实验故障进行详细的分类，根据不同类型的实验故障的特点分析其对实验教学的作用。在此基础上，对实验故障采取差别化处理，对定量故障而言，在实验准备前尽量消除；而对定性故障，在实验中出现后可不急于帮助学生排除，而是鼓励学生自主分析问题，提出故障解决方案。要做到这一点，首先要严格要求学生课前预习，另外在实验过程中要求学生手脑并用，及时发现实验中出现的不正常现象。

总之在实验教学中对于实验故障要做到合理分类、区别处理、适当引导。在这些措施的保障下，实验故障的正面影响才能够更好地发挥出来。

参考文献：

[1]于建勇，物理实验教程[M].徐州：中国矿业大学出版社，2013.

[2]朱鹤年，基础物理实验教程：物理测量的数据处理与实验设计[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]熊俊，近代物理实验[M].北京：北京师范大学出版社，2007.

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