物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中貫徹直觀性原則例析

唐素珍

摘 ? 要：以具體的實(shí)例分析物理課堂教學(xué)中如何貫徹直觀性原則。這些方法在教學(xué)實(shí)踐中起到了積極的作用，變枯燥的理論為形象直觀的課堂實(shí)驗(yàn)，使得課堂生動(dòng)活潑，提高了教學(xué)效率。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理;直觀性;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

直觀性原則，是指在教學(xué)中通過學(xué)生觀察所學(xué)事物，引導(dǎo)學(xué)生充分感知所學(xué)對(duì)象，使學(xué)生形成對(duì)所學(xué)事物、過程的清晰表象，豐富其感性認(rèn)知，并在此基礎(chǔ)上通過分析、概括形成概念、造成判斷、進(jìn)行推理，從而掌握物理規(guī)律。其主要是使抽象的知識(shí)、概念更為形象化、具體化，這樣更容易讓學(xué)生理解。

自從17世紀(jì)捷克教育家夸美紐斯提出“直觀性原則”后，直觀性原則就成為教學(xué)原則中不可缺少的一環(huán)。那么，如何在平時(shí)的物理教學(xué)中貫徹直觀性原則呢？筆者認(rèn)為：在教學(xué)中，最關(guān)鍵的是要突出實(shí)驗(yàn)的地位，落實(shí)以實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)手段的應(yīng)用，具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

1 ?設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的隨堂小實(shí)驗(yàn)

物理是一門建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的科學(xué)。一些隨堂小實(shí)驗(yàn)可以很好活躍物理課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣， 使學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，形成物理概念， 探索和驗(yàn)證物理規(guī)律。

比如，在“自感”中，設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)——千人震。用干電池，導(dǎo)線、開關(guān)、鎮(zhèn)流器和幾位做實(shí)驗(yàn)的同學(xué)連接成如圖1所示的電路。在斷開開關(guān)的瞬間，學(xué)生會(huì)有觸電的感覺。此實(shí)驗(yàn)有驚無險(xiǎn)，在學(xué)生為一節(jié)干電池的“威力”而疑惑不解時(shí)順利進(jìn)入新課教學(xué)。學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性一下子調(diào)動(dòng)起來，課堂氣氛活躍。

比如，在“閉合電路歐姆定律”中，先用兩節(jié)新的干電池對(duì)小燈泡供電，如圖2，燈泡亮。然后換用六節(jié)舊的干電池做實(shí)驗(yàn)，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知上的沖突，激發(fā)學(xué)生對(duì)電路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行思考，燈泡不但沒有更亮反而更暗。通過新舊電池對(duì)比的小實(shí)驗(yàn)，感悟到電源有內(nèi)阻，一個(gè)完整的電路是由外電路和內(nèi)電路組成，從而引出閉合電路歐姆定律。這樣處理就使得學(xué)生對(duì)電路的理解從感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生的思維發(fā)展從具體形象思維向抽象邏輯思維過渡，讓學(xué)生對(duì)閉合電路歐姆定律的認(rèn)識(shí)更形象、鮮明、生動(dòng)有趣，容易鞏固該知識(shí)點(diǎn)。

再比如在“機(jī)械能守恒定律”一節(jié)中，為了說明動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化過程中的機(jī)械能守恒及守恒的條件，補(bǔ)充并改進(jìn)了如下實(shí)驗(yàn)：用細(xì)線將小球懸掛起來并拉到A點(diǎn)，由靜止釋放小球。我們可以看到，小球釋放后可以擺到跟A點(diǎn)等高的C點(diǎn)（在C處可固定一水平標(biāo)尺，并把小球裹上一層棉布，將小球蘸上紅墨水，當(dāng)小球擺到C點(diǎn)時(shí)就會(huì)在標(biāo)尺上留下印記，學(xué)生可以很直觀地觀察到小球擺到跟A點(diǎn)等高的C點(diǎn)），如圖3甲。在某一點(diǎn)處用鐵釘擋住細(xì)線，小球雖然不能擺到C點(diǎn)，但仍能到達(dá)跟A點(diǎn)等高的位置（操作方法與前面相同，小球在標(biāo)尺上也會(huì)留下標(biāo)記），如圖3乙。通過這個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)，很容易理解到動(dòng)能和重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化過程中機(jī)械能守恒。在此基礎(chǔ)上分析機(jī)械能守恒的條件也就水到渠成。

2 ?重視演示實(shí)驗(yàn)，并使其直觀化

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，演示實(shí)驗(yàn)在教學(xué)過程中有很重要的作用。通過演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以建立豐富的感性認(rèn)識(shí)， 才有可能真正理解物理概念， 認(rèn)識(shí)物理規(guī)律。但做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要注意直觀性，一方面是要確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身的明顯性、明確性;另一方面，要讓每一位學(xué)生都能觀察到。

比如在“探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用力”一節(jié)中，課本設(shè)計(jì)的“鋁箔天橋”小實(shí)驗(yàn)（如圖4），將這個(gè)小實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)并改進(jìn)，通過問題串的形式，充分挖掘該實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用，很好地解決了安培力的概念、安培力的方向以及安培力的大小跟哪些因素有關(guān)的教學(xué)目標(biāo)。具體實(shí)施如下：

實(shí)驗(yàn)1 ?引入安培力的概念

實(shí)驗(yàn)前先演示向下用力壓天橋，天橋向下凹陷;向上用力頂天橋，天橋向上凸起。學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)：天橋受力會(huì)發(fā)生形變。接著接通電路，不放置磁鐵，天橋不動(dòng)。最后放上磁鐵，接通電路，天橋發(fā)生形變，說明磁場(chǎng)對(duì)電流有力的作用，從而引入安培力的概念。

實(shí)驗(yàn)2 ?探究安培力的方向

實(shí)驗(yàn)中先通過改變電流方向（保持磁場(chǎng)方向不變），可以觀察到鋁箔天橋由原來的向上凸起變?yōu)橄蛳掳枷荩f明安培力的方向與電流方向有關(guān)，記錄磁場(chǎng)方向、電流方向、安培力方向（天橋的形變方向）三者間的關(guān)系。接著通過改變磁場(chǎng)方向（保持電流方向不變），一樣可以得到結(jié)論：安培力的方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)。同樣記錄磁場(chǎng)方向、電流方向、安培力方向（天橋的形變方向）三者間的關(guān)系，最后歸納總結(jié)出安培力的方向與磁場(chǎng)方向、電流方向、滿足左手定則。

實(shí)驗(yàn)3 ?探究影響安培力大小的因素

實(shí)驗(yàn)中先控制其他條件不變，通過改變滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻來改變電路中的電流，觀察天橋的不同形變，說明安培力的大小與電流大小有關(guān);接著控制電流不變，通過改變蹄形磁鐵的個(gè)數(shù)來觀察天橋的不同形變，說明安培力的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)弱、通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度有關(guān)。

上述的三個(gè)分步實(shí)驗(yàn)，直觀地展示了教學(xué)中的重難點(diǎn)，幫助學(xué)生形成科學(xué)的概念，從而更好地深化認(rèn)識(shí)和運(yùn)用知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)。

為了使實(shí)驗(yàn)的可視性更強(qiáng)，用講臺(tái)上數(shù)字展臺(tái)的攝像頭對(duì)準(zhǔn)示教板。特別是在安培力大小的定量探究實(shí)驗(yàn)中，攝像頭對(duì)準(zhǔn)自制教具的指針和標(biāo)尺投影到大屏幕，全班同學(xué)都可以清楚地看到實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

還比如在“機(jī)械能守恒定律”的條件的推導(dǎo)及證明之后，學(xué)生對(duì)機(jī)械能守恒有了一定的認(rèn)識(shí)，在學(xué)生經(jīng)歷了課本上蕩秋千的例題的解答之后，筆者安排一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)：在講臺(tái)上方的天花板上裝一掛鉤，掛鉤上懸掛一條長(zhǎng)約2.5 m的鋼絲繩，下端掛一鉛球，這就構(gòu)成了一個(gè)單擺模型。將鉛球偏離豎直方向拉開一個(gè)角度，并以一定的初速度送出重球，重球擺回并將墻上固定支架上的玻璃砸碎，然后再將擺球拉開一個(gè)角度于鼻尖處釋放（一定要保證球從靜止釋放），人保持不動(dòng)，重球擺回原位置，不會(huì)砸到人。這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生心驚肉跳，但又回味無窮，很好地驗(yàn)證了機(jī)械能守恒。具體形象的實(shí)驗(yàn)與抽象規(guī)律相結(jié)合，減少了學(xué)生理解機(jī)械能守恒這一抽象規(guī)律時(shí)的困難，同時(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、模型建構(gòu)能力，以及抽象思維能力，促進(jìn)學(xué)生更好地理解和鞏固所學(xué)知識(shí)。

再比如在講“波的形成和描述”時(shí)，學(xué)生對(duì)“機(jī)械波只是機(jī)械振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形式的傳播，介質(zhì)本身不會(huì)沿著波的傳播方向移動(dòng)”的理解存在一定的困難。為此，課堂上可以拿一根粗繩（大約5 m長(zhǎng)），將一端固定，另一端用手握住，上下用力搖動(dòng)繩子，學(xué)生可以非常清楚地看到沿繩傳播的波，如果在繩上系一條紅絲帶，絲帶只上下振動(dòng)，并不隨波前進(jìn)。從而證明了“機(jī)械波只是機(jī)械振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形式的傳播，介質(zhì)本身不會(huì)沿著波的傳播方向移動(dòng)”。這樣在學(xué)生獲得直觀感受后再來講這一知識(shí)點(diǎn)就顯得簡(jiǎn)單得多，學(xué)生對(duì)這一知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)就從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，使學(xué)生對(duì)規(guī)律的理解更深刻。

3 ?演示實(shí)驗(yàn)分組做

學(xué)生看到演示儀器時(shí)，總是好奇地想要自己動(dòng)手操作，為了把他們的這種好奇變成學(xué)習(xí)的動(dòng)力，將一些演示實(shí)驗(yàn)安排成分組實(shí)驗(yàn)，收到不錯(cuò)的效果。

比如在“超重失重”一節(jié)中，學(xué)生對(duì)超重失重的本質(zhì)認(rèn)識(shí)上存在一定的困難。為此利用一條紙帶設(shè)計(jì)一個(gè)分組小實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生用紙帶提著重錘，先是處于靜止，而后迅速上提，紙帶斷了，然后拋出問題：紙帶為什么會(huì)斷？這樣學(xué)生很容易就知道重錘的重力并沒有變化，紙帶之所以會(huì)斷是因?yàn)榧垘?duì)重錘的拉力超過了重錘的重力，這樣學(xué)生很輕松地就掌握了超重的本質(zhì)。

教學(xué)中類似這樣的實(shí)驗(yàn)還很多，游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、萬(wàn)用表的使用，這些都可以做為分組實(shí)驗(yàn)的資源。實(shí)踐證明，分組小實(shí)驗(yàn)不但讓學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)又動(dòng)腦思考實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，這種學(xué)習(xí)方式更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，活躍了課堂氣氛，同時(shí)也鍛煉了他們的實(shí)驗(yàn)操作能力。

4 ?定性實(shí)驗(yàn)定量做

教材中的一些實(shí)驗(yàn)，有時(shí)只能解決物理量間的簡(jiǎn)單的定性關(guān)系，而對(duì)物理量間的函數(shù)關(guān)系卻沒辦法做更深入的分析，這使得學(xué)生在認(rèn)識(shí)物理量間的關(guān)系時(shí)有所欠缺，所以定量的實(shí)驗(yàn)分析就顯得尤為重要。比如在“探究磁場(chǎng)對(duì)電流的作用”一節(jié)中，教材中安排的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能定性研究影響安培力的大小的因素。為此，在學(xué)生定性分組探究安培力大小的決定因素實(shí)驗(yàn)后，安排教師的DIS傳感器定量實(shí)驗(yàn)（如圖5）。

實(shí)驗(yàn)中利用控制變量法研究安培力F與電流I、通電導(dǎo)線的長(zhǎng)度L的關(guān)系。數(shù)據(jù)采集上利用電流傳感器和力傳感器采集流經(jīng)線圈的電流和線圈所受的安培力的大小，并利用DIS強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，快捷靈敏地得出安培力的大小F隨電流I的變化圖像，圖像是一條過原點(diǎn)的傾斜直線（如圖6的直線），學(xué)生根據(jù)圖像很直觀地得到安培力的大小與電流成正比的結(jié)論。

接著通過改變放入磁場(chǎng)中的線圈的匝數(shù)來改變線圈在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度L（由原來的100 匝變?yōu)?00 匝），實(shí)驗(yàn)時(shí)仍然可以得到200 匝時(shí)安培力大小F與電流大小I成正比（圖7中的直線1），分析對(duì)比兩種情況下的F—I圖像，發(fā)現(xiàn)200 匝的圖像斜率是100 匝圖像斜率的兩倍，這是由于200 匝的線圈在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度是100 匝的兩倍。通過實(shí)驗(yàn)圖像的分析學(xué)生就可以獲得直觀認(rèn)識(shí)：安培力的大小與通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度成正比。

這樣將教材中的定性實(shí)驗(yàn)改成定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)更為直觀到位。

我們的教學(xué)不但要教會(huì)學(xué)生掌握基本知識(shí)，更重要的是要培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移能力，提高學(xué)生的思維和實(shí)踐能力，從而提高物理學(xué)科核心素養(yǎng)。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的直觀教學(xué)就是我們做到這些的有效途徑之一。