演示實(shí)驗(yàn)有效教學(xué)的策略研究及實(shí)踐案例＊

周 亮

（慈溪市慈吉中學(xué)，浙江 慈溪 315300）

將理科傾向的學(xué)生所學(xué)習(xí)的《物理1》、《物理2》以及《選修3系列》的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1.

表1

從表1中可以看出，有55項(xiàng)是必須做好的演示實(shí)驗(yàn).教師還應(yīng)該在此基礎(chǔ)上精心選擇具有本地本校特色的演示實(shí)驗(yàn)，盡最大努力提高學(xué)生的科學(xué)探究及物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芑橄鬄榫唧w，化枯燥為生動，把要研究的物理現(xiàn)象清楚地展示在學(xué)生面前.能引導(dǎo)學(xué)生觀察，并進(jìn)行思考，配合講授使學(xué)生認(rèn)識物理概念和規(guī)律，達(dá)到“事半功倍”的效果.物理教學(xué)中，演示實(shí)驗(yàn)是新課導(dǎo)入的重要方法之一.實(shí)驗(yàn)具有生動、直觀、新奇的特點(diǎn)，容易激發(fā)學(xué)生的直接興趣.如能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的趣味性、奇異性、多變性，就能創(chuàng)造出生動的情景，使學(xué)生思維活躍.

演示實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要手段，是課堂教學(xué)的有機(jī)組成部分.其主要任務(wù)是使學(xué)生在獲得生動的感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，更好地理解和掌握物理概念和規(guī)律，同時培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析綜合能力及邏輯思維能力，還為學(xué)生實(shí)驗(yàn)的正確操作起著示范的作用.

演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具有穩(wěn)定性、可見性、趣味性等特點(diǎn)，充分利用課程資源和非課程資源，讓演示實(shí)驗(yàn)達(dá)到最優(yōu)化、最有效.采取的有效教學(xué)策略如下.

1 利用展示臺或者電腦攝像頭擴(kuò)大觀察范圍，提高演示實(shí)驗(yàn)的可見度

教學(xué)實(shí)踐及案例1：彈簧振子演示實(shí)驗(yàn).

彈簧振子的大小無法改變，于是筆者想到了用現(xiàn)在大部分學(xué)校都具備的實(shí)物投影儀，把彈簧振子的振動通過實(shí)物投影儀投影到大屏幕上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，投影立體物件和平面資料一樣，彈簧振子可以清楚地顯示在大屏幕上，學(xué)生觀察的效果和范圍自然擴(kuò)大，而這和類似flash等軟件模擬的彈簧振子模型產(chǎn)生的純模擬實(shí)驗(yàn)不同，這是真實(shí)的、實(shí)際的振動過程，容易讓學(xué)生信服，而純軟件模擬的總會使學(xué)生產(chǎn)生偽造的心理感覺.

2 充分利用非學(xué)科資源，進(jìn)行器材整合與實(shí)驗(yàn)設(shè)備改進(jìn)，增加演示實(shí)驗(yàn)的操作穩(wěn)定性.

明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和可觀性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)都有利于教學(xué)內(nèi)容的傳授和學(xué)習(xí).可觀性差、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的實(shí)驗(yàn)容易引起學(xué)生對所講內(nèi)容的不信任，不利于學(xué)生的知識掌握.

圖1

教學(xué)實(shí)踐及案例2：探究影響電荷間相互作用力的因素.

如圖1所示，一般靜電實(shí)驗(yàn)很難演示成功，由于孤立物體和懸掛小球一般帶電荷量很少，若加上空氣潮濕的影響，放電較快，物體和小球之間的庫侖力很小，絲線的偏角很小，很難觀察到3個偏角的大小的不同，所以此演示實(shí)驗(yàn)成功率很低.而若將實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，如圖2所示，O為帶絕緣柄的金屬球，絲線上的小球用聚苯乙烯發(fā)泡材料（或其他輕質(zhì)材料）做小球P1、P2、P3，在小球外面涂上石墨導(dǎo)電層（或外面包上導(dǎo)電的鋁箔），利用感應(yīng)起電機(jī)使A和3個小球同時帶上正（負(fù)）電，起電機(jī)的起電效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于摩擦起電，因此鋁箔小球產(chǎn)生了明顯的偏離，很容易比較出它們之間的距離越大偏角越小；若加快起電機(jī)的搖動速度，O和3個小球的帶電荷量增加，絲線的偏角增大，說明它們之間的庫侖力變大了；減慢搖動速度，則帶電荷量減少，角度變小，則庫侖力變小.由此得出結(jié)論：電荷量越多，庫侖力越大.這樣改進(jìn)以后實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯了，提高了可觀性，有利于學(xué)生對庫侖定律的感性認(rèn)識.

3 利用教材資源和生活資源，教師自我制作教學(xué)教具，來增加演示實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性、趣味性和有效性

教學(xué)實(shí)踐及案例3：洛倫茲力的演示.

圖2

如在選修3－4洛倫茲力的演示教學(xué)中，利用書本“做一做”內(nèi)容和生活中常見的器材制作了“旋轉(zhuǎn)的液體”既激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，在分析“不可思議”的液體旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象中學(xué)習(xí)了安培力和洛倫茲力的聯(lián)系.相比較貴重的標(biāo)準(zhǔn)演示器材現(xiàn)象更具誘惑力，也更能體現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)、運(yùn)用知識和解決問題的能力，更提高了教師的自身業(yè)務(wù)能力水平.

洛倫茲力是磁場對運(yùn)動電荷（帶電粒子）的作用力，在現(xiàn)實(shí)生活中常常難以觀察，一般學(xué)校采用陰極射線管結(jié)合磁場來演示洛倫茲力對電子射線的影響.但既貴重不易普及又觀察范圍和效果差.利用人教版選修3－1第93頁做一做“旋轉(zhuǎn)的液體”制作裝置來演示則更具震撼力.在圓形器皿的中心放置一中心電極（銅），在桶內(nèi)壁放置一環(huán)形電極（紫銅板），加入適量的電解液（硫酸銅），當(dāng)中心電極和環(huán)形電極接上電源時，形成徑向電場.電解液電解反應(yīng)中產(chǎn)生的正負(fù)離子，在徑向電場的作用下沿徑向運(yùn)動.在電解槽的上方或下方放置一塊磁鐵，則原本徑向運(yùn)動的正負(fù)離子受到磁場的作用力都沿同一方向，開始做同一旋轉(zhuǎn)方向的曲線運(yùn)動從而帶動電解液做環(huán)狀運(yùn)動.溶液中的雜質(zhì)和下端浸在溶液中的絕緣門型框也隨之轉(zhuǎn)動.由宏觀物體的運(yùn)動表征微觀粒子的運(yùn)動.改變磁鐵的N、S極或者改變電極的正負(fù)，液體的旋轉(zhuǎn)方向也將發(fā)生改變.

圖3

洛倫茲力是微觀的運(yùn)動電荷受到的磁場作用力，而液體的旋轉(zhuǎn)則把看不見的變成看見的，把微觀的變成宏觀的.而通過改變電極或磁極又可以運(yùn)用楞次定律判斷洛倫茲力的方向.在實(shí)驗(yàn)演示和分析中，同時需要結(jié)合化學(xué)學(xué)科的知識，既達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的有效性又整合了其他學(xué)科，能使學(xué)生全面綜合運(yùn)用知識.自制實(shí)驗(yàn)教具如圖3所示.

4 充分利用數(shù)字多媒體硬件和軟件，利用DIS系統(tǒng)來實(shí)時展現(xiàn)難以觀察和記錄的物理量來展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)的可信性和準(zhǔn)確度

教學(xué)實(shí)踐及案例4：通電斷電自感的演示.

（1）傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)——通斷電自感現(xiàn)象.

①實(shí)驗(yàn)器材：通斷電自感演示器.

② 實(shí)驗(yàn)電路圖：如圖4.

③實(shí)驗(yàn)步驟：首先接通電源閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使兩燈在電路穩(wěn)定時亮度相當(dāng).然后斷開開關(guān)S，待兩燈泡均熄滅后再閉合開關(guān)S，觀察兩燈發(fā)光的情況；當(dāng)兩燈發(fā)光正常時，斷開開關(guān)S，觀察兩燈A1、A2熄滅情況.

④ 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：通電時，學(xué)生可以觀察到，燈A2先亮，而燈A1后亮；斷電時，觀察到兩燈A1、A2都熄滅了，看不出有延時效果.

⑤ 原因分析：由理論解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，闡述通電自感現(xiàn)象，并與學(xué)生一起探討在斷電時線圈會不會產(chǎn)生自感現(xiàn)象，理論推理的結(jié)果與現(xiàn)象矛盾，設(shè)下懸念，引出用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更精確地研究通斷電自感現(xiàn)象.

（2）DIS演示實(shí)驗(yàn)——通斷電自感現(xiàn)象.

圖4

① 實(shí)驗(yàn)器材：兩個電流傳感器，數(shù)據(jù)采集器，計(jì)算機(jī)配套軟件和通斷電自感演示器，電腦及屏幕投影.

② 實(shí)驗(yàn)電路圖：如圖5.

③ 實(shí)驗(yàn)步驟：將兩個電流傳感器按實(shí)驗(yàn)電路接入電路中，斷開開關(guān)S，開啟數(shù)據(jù)采集器，打開DIS單擊運(yùn)行平臺，待設(shè)備顯示連接成功后，即可點(diǎn)擊開始鍵，再閉合開關(guān)S和斷開開關(guān)S，通過軟件界面可觀察到通斷電時線圈中兩電流變化的圖線.

④ 實(shí)驗(yàn)圖像：如圖6.

⑤ 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋：用理論來分析DIS實(shí)驗(yàn)所得到的圖像.當(dāng)通電后，電流傳感器2處的電流迅速增大到一個峰值，然后再穩(wěn)定下來，而電流傳感器1處的電流由于感應(yīng)電動勢的影響，推遲了電流達(dá)到穩(wěn)定值的時間；當(dāng)斷電后，電流傳感器1處的電流從原大小逐漸減小為零，電流方向不變，而電流傳感器2處的電流方向立即反向，電流大小逐漸減小為零.經(jīng)分析，斷電后流過電流傳感器2的電流不是原來電流，而是線圈中的感應(yīng)電流.

圖5

圖6

5 讓每節(jié)新課教學(xué)都有演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生體驗(yàn)活動

自我設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、自我制作實(shí)驗(yàn)器材，尋找替代視頻或活動，讓學(xué)生在觀察分析和體驗(yàn)中獲得知識，盡可能讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的教學(xué)目的達(dá)到最優(yōu)化.

利用身邊的物品加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個可以大有作為的領(lǐng)域，它的發(fā)展將有利于加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可見性、趣味性、探究性、開放性，拉近物理學(xué)和學(xué)生生活實(shí)際的距離，啟發(fā)學(xué)生關(guān)心身邊的事物，觀察和體驗(yàn)身邊常見的現(xiàn)象.

教學(xué)實(shí)踐及案例5：探究曲線運(yùn)動的速度方向.

我們根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，從學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)和體驗(yàn)出發(fā)，巧用學(xué)生所熟悉的簡單的常見物品，設(shè)計(jì)出一些使學(xué)生富有親切感、新奇感和趣味性實(shí)驗(yàn)，將會獲得良好的教學(xué)效果.例如，在探究曲線運(yùn)動的速度方向時我們可以取一個無色透明大的玻璃杯，找一個直徑0.5cm左右的金屬小球，用玻璃杯將金屬小球扣在桌面上，用力晃動玻璃杯，使玻璃杯在桌面上做圓周運(yùn)動如圖7（a）.然后突然使玻璃杯靜止在桌面上不動，但金屬小球緊貼玻璃杯內(nèi)壁快速做圓周運(yùn)動.突然將玻璃杯拿起時，金屬小球沿圓周切線飛出，在桌面上做直線運(yùn)動如圖7（b）.

此實(shí)驗(yàn)可重復(fù)多次.通過實(shí)驗(yàn)可以看到，金屬小球在玻璃杯內(nèi)做圓周運(yùn)動時，小球運(yùn)動到不同位置，將玻璃杯迅速拿起，小球?qū)⒀卦撐恢玫膱A周切線飛出.這充分說明了“在曲線運(yùn)動中，運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的瞬時速度的方向，就是通過該點(diǎn)曲線的切線方向”.此實(shí)驗(yàn)效果不錯，深受學(xué)生的歡迎.教學(xué)實(shí)踐及案例6：探究摩擦力的方向.

圖7

在“摩擦力方向”判斷的學(xué)習(xí)時，我們可以采用家用的毛刷子（毛盡可能長一些），讓學(xué)生把刷子毛朝下使刷子在桌面上運(yùn)動（或有相對運(yùn)動趨勢），滑動摩擦力（或靜摩擦）的方向一目了然（圖8（a））；而對于摩擦力中“相對運(yùn)動的方向”的理解很多學(xué)生理解起來有點(diǎn)困難，但只要讓同一組的學(xué)生把兩把刷子如圖8（b）所示擺放，并讓它們運(yùn)動就行了.這樣學(xué)生只要觀察刷子毛的方向即可.

圖8

1 周亮.器材整合、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新.中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2010（6）.

2 周亮.洛倫茲力宏觀演示儀的制作.中學(xué)物理，2011（3）.

3 楊軍，張旭峰，王志斌.在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神.華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（2）.