例谈多种变换培养学生的实验能力

高考实验题本着来源于教材而不拘泥于教材的原则，通过各种变换后呈现给学生。所以，教师可在课堂中对现有实验进行些变换创新，以此为契机，发散学生的思维，培养其实验能力，进而形成创新意识。

下面笔者就以测量玻璃的折射率为例做些变换。此实验原理在教材上采用的是插针法，器材有：玻璃砖、白纸、木板、图钉、大头针、刻度尺、量角器、铅笔等，光路原理如图1。只要用量角器量出i和r的角度，根据公式n=sini/sinr，便可计算出折射率n。

一 变换实验器材，培养实验迁移能力

变换1：上述实验中，如果给定一块两表面相互平行的玻璃砖，其中一个表面bb′是镀银表面，光线不能通过。现要测定此玻璃砖的折射率，请简述实验步骤并写出作图步骤（其他器材不变）。

解析：如图1，在aa′一侧观察P1、P2（经aa′折射、bb′反射，再经aa′折射后）的像，在适当位置插上大头针P3，让P3挡住P1、P2的像；再插上大头针P4让它挡住P1、P2的像和P3，画出光路图，根据公式便可算出n。

教材用的是透明平行玻璃砖，而上述变法则把透明玻璃砖变换成反射式玻璃砖，其实验方法和原理是一样的，但灵活性增强了。通过变换，培养了学生对实验方法和原理的理解能力和迁移能力，增强了思维的敏捷性。

二 变换实验方法，培养综合应用能力

变换2：用半圆形玻璃砖测定玻璃折射率的方法如下：（1）如图2所示，不改变入射光的方向和位置，让玻璃砖以O点为轴逆时针转到从玻璃砖平面一侧恰好看不到出射光为止。（2）用铅笔描出此时玻璃砖直径的位置，移去玻璃砖测出玻璃砖转过的角度β，则玻璃的折射率n为多少？

解析：这是利用光的全反射现象测定玻璃折射率的方法。当入射角i增大到等于某值时刚好没有光线射出，此时的入射角i即玻璃的临界角，也就是玻璃砖平面转过的角度β。由全反射规律可得n=1/sinβ。

上述变换打破了用插针方法来确定光路的思维，而是利用全反射原理来确定折射光路。学生必须灵活应用所学的知识去理解实验原理，才能顺利解题，此过程培养了学生综合应用知识的能力。

三 变换数据处理方法，培养数学应用物理的能力

变换3：学生在做“测量玻璃的折射率”实验时，如果器材中没有量角器只有圆规，则如何算出折射率n？

解析：如图1，只要以图中点O为圆心，OO′为半径画圆，交ON于B点，交ON′于D点，用刻度尺量出AB、DO′长度，则折射率n=AB/DO′。

这样，实验数据的处理方法用直角三角形的边与边对应关系替代了三角函数，避免了没有数学用表和量角器时无法计算的尴尬。学生通过积极思考，充分应用数学知识，也较容易得出此法。变换实验培养了学生灵活处理实验数据的能力，进而形成较强的实验能力。

四 变换实验要求，培养创新设计能力

变换4：请学生设计一种可以测量各种透明介质折射率的实验器材，简述设计原理。

经过课后交流与讨论，学生设计了一种测量液体折射率的仪器，其设计原理如下：如图3所示，在一圆盘上过其圆心O作两条互相垂直的直径BC、EF，在半径OA线上放一小激光源S；每次测量时让圆盘的BFC部分竖直浸入液体中，而后在图中右上方区域接收沿OA方向折射出的激光。学生通过计算，预先在圆周EC部分刻好了折射率的值，这样只要根据出射激光所在的位置，就可直接读出液体折射率的值。

上述实验的原理与操作方法与测量玻璃折射率一样，只不过这里是测量各种透明液体的折射率，更重要的一点在于，它是可直接读出折射率的一种简易测量装置。所以这种变换不仅是实验设计的开放性拓展，更是实验方式的变革，很好地培养了学生的实验设计能力。

五 变换评价体系，培养批判质疑能力

变换5：同学们做完实验后，讨论交流本实验有何优缺点，并试着提出改进的方案。

生1：我觉得这个实验器材较多。

生2：我觉得实验中有几个地方很难做完美：一是大头针必须竖直地木板；二是同时透过玻璃砖观察第四枚大头针要正好完全挡住前三枚大头针……

生3：老师，我刚刚有个发现，能很好解决上面几个缺点。我们知道理论上出射光线应与入射光线平行，所以可先在桌面上铺一张白纸，在白纸上用直尺、三角板画两条错位的平行线，标上箭头代表入射光线和出射光线，然后将玻璃砖放在两平行线错位的地方，透过玻璃砖观察，并同时沿顺时针或逆时针旋转玻璃砖，直到两平行线看起来成一条直线，再确定玻璃砖的位置，找出入射点O，出射点O′，连接OO′，过O点作法线NN′。用量角器量出入射角和折射角，代入公式便可……

高考的实验题得分率一直很低，究其原因是学生没有形成良好的思维能力与实验能力。在实验教学过程中，我们应充分发挥其教学功能，有针对性地做些变换，能更好地激发学生的思维，形成实验能力与创新意识。