物理新课程实施中实验演示技能的指导与专业训练策略

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江苏省南京市白下区教师进修学校　丁玉祥



　　物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形态及其变化规律的科学。观察和实验是物理学研究的基本方法，是获得感性材料、探索物理规律，认识物理世界的基本手段。研究物理问题总是从观察、实验人手，运用逻辑思维方法和数学方法进行一系列的科学抽象，从感性上升到理性，从现象深入到本质，最后获得规律性的认识，形成物理理论。物理学观察和实验的方法，不仅是物理学的研究基础，还具有一般科学方法论的意义。物理学本身的特点，决定了观察和实验在物理教学中的重要地位。在物理教学中，学生对大量的概念和规律的获得，都需要建立在观察和实验的基础之上，以获得具体的、感性的认识，这是他们掌握知识的开端。观察是思维的触觉，是发现之母。这说明，达尔文发现生物进化论主要靠的是观察。观察，是人类认识自然和社会的入门。观察与实验是物理学研究的基础，也是物理教学的基础。青少年认识他们陌生的领域或接受一种新知识，总是遵循“从生动的直观到抽象的思维，并从抽象的思维到实践”这一认识规律。因此，演示技能是物理教师必须掌握的重要的教学技能。

人间

可见度高

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[案例] 视力及近视眼矫正 　　在演示眼睛如何能看到物体和近视眼的矫正时，可以分五步来做： 　　步骤一：是演示正常眼睛看东西。用一个凸透镜和毛玻璃屏做眼睛，凸透镜是眼睛的晶状体，屏是视网膜。用点燃的蜡烛做物。整个装置如图所示。屏上就得一清晰的像，说明眼睛看清了物体。 　　步骤二：是演示近视眼看东西。近视眼的晶状体比正常眼睛的晶状体凸一些，演示时换一个焦距短些的凸透镜，而保持物和屏的位置不变。屏上的像没有了（变模糊了），也就是说这个眼睛不能看清楚物体。 　　问题：近视眼的晶状体能不能成像，像成在什么地方呢？ 　　步骤三：是寻找像的位置。前后移动屏的位置，可以发现像前移了，也就是说像没有成在视网膜上而是成在了视网膜的前面。 　　问题：近视眼的人是不是什么东西都看不清楚呢？（当然不是，近处的东西是可以看清楚的。） 　　步骤四：是演示近视眼看近处的东西。把屏仍放在原来的位置，移动蜡烛，使它慢慢靠近凸透镜，屏上逐渐出现了清晰的像。 　　点评：这第三、四步是关键，说明了近视眼成像的特点，一是像一般成在视网膜前，二是近处的物体可以在视网膜上成像。 　　步骤五：是演示近视眼的矫正──配眼镜。用一合适的凹透镜放在眼睛前面适当位置，原来位置上的蜡烛在屏上得到清晰的像。近视眼得到了矫正。 　　第五，演示要和多种教学媒体相互配合、综合利用，演示要与讲解、提问等其他教学方法相结合，加强教学效果。 　　第六，实验演示后，要及时总结，明确观察结果，诱导学生积极思考，从观察现象中明确物理概念与规律。在引导学生应用知识解决实际问题时，也应尽可能选用恰当的演示实验配合，以帮助学生纠正错误的观点，丰富、完善物理图景和深化对概念、规律的理解。 　　第七，在条件许可的情况下，尽可能让学生参加演示或把演示实验改为学生实验。有些典型的实验，可结合教学的进程作适当的重复。

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　三、实验演示技能应注意的问题



　　实验演示法是很受学生欢迎的教学方法。演示的东西是多种多样的。在教学过程中，教师科学地运用这种方法，往往能收到事半功倍的效果。



　　（1）明确实验演示的程序



　　一般说来，演示的程序应该是：



　　首先使学生有心理准备，明确演示的目的和重点解决的问题；



　　然后出示演示物，教师指导学生进行观察，并对演示物加以说明，对演示过程和现象加以讲解；



　　最后，对演示结果予以总结，并核查学生对演示及教材理解情况。



　　（2）把握实验演示操作要点



　　第一，教师要对演示物精心选择，做好准备工作，以使所演示的实物或教具真实地反映客观事物或现象。教师在进行演示实验前，要明白实验的目的和要求，弄清实验在教学过程中所起的具体作用，选择好实验装置和实验方法，作好实施实验和运用实验的设计（如拟好应提的思考问题，选择好演示时机和技巧等）。



　　第二，演示前教师要向学生提出问题和观察重点。观察的重点部分能突出地体现事物或现象某些方面的本质特征，鲜明地呈现事物的变化发展过程。



　　第三，演示时教师要操作要准确、规范。精心指导学生细心观察，使学生充分运用各种感官或分析器充分感知，获得全面的感性认识。



　　第四，在演示过程中，要有机地结合实验进程，向学生指明观察的目的、重点和要领，引导学生对实验现象进行有目的的观察，充分利用实验结果进行科学的归纳和推理，抽象出概念，概括出规律。在归纳概念、建立规律的实验中，实验程序是非常重要的，要让学生看清楚现象的主要特征以及现象与条件之间的关系。实验步骤要分明，每一步骤的每一现象都要清楚．这样学生就能在观察过程中进行思考，而得出正确的结论来。



　　第五，演示过程中要确保安全，杜绝伤害事故。实验演示能否确保安全，取决于教师的实验技能以及能否严格按照操作程序进行实验。演示实验要确保准确无误，切不可粗心大意影响实验演示效果，甚至产生伤害事故。

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　[案例]用手电筒照亮内燃机模型的某一部分等。若需要让学生观察的部分是发光显示，例如荧光屏、气体放电管、发生反射或折射的光柱等，则可以用增强本身的光强或增大与周围环境的光差来突出实验现象。在演示气体放电时，可将气体放电管组置于广角遮光罩中（如图）。遮光罩的材料为不透明的，深度和角度则根据学生的位置具体确定，在让全班两侧学生能看到的前提下应尽量加深。

　　投影显示策略：需要让学生观察的仪器比较小时，若具体观察部位和背景部分分别制成非透明结构和透明结构，可将该仪器置于投影仪上，让学生观察屏幕上的像。例如，静电计指针是非透明结构，故可将静电计的毛玻璃换上一般玻璃，将静电计置于光路中，学生可以从像上清晰看到指针张角的变化。


　　烟雾显示策略：需要观察光路时，可将观察部分置于如图所示的立式扁形封闭容器中，观察时，充入适量烟雾，则光路清晰可见。在使用激光笔做光源时，用嘴喷入少量香烟的烟雾即可。

　　平面境成像显示策略：需让学生观察的部分只能处于水平位置时，可用一较大平面镜与水平成45o角放置，则学生可以从镜中看到要观察的对象。


　　铅垂面显示策略：水平放置的仪器，若能变成在铅垂面内放置，则学生既可以看清仪器，也可以看见整个操作过程。投影是一种特殊的铅垂面显示。除此以外，最常见的是示教板。示教板可以设计成插件式多用的，也可以设计成尼龙搭扣式或磁性的。


　　微小量放大显示策略：若需要学生观察的对象只是微小的机械动作或弱小的电磁信号，则可以将其放大。常用的放大手段，包括机械放大，电磁放大和图象放大。电磁放大通常采用弱信号放大器，示波器等；图象放大通常采用放大镜、投影、幻灯等；机械方法通常使用杠杆。


　　此外，还要注意需观察仪器的摆放高度和主次仪器的相互位置，以及教师操作的身体位置等。


　　（4）实验演示操作中如何展示实验动态过程


　　特级教师吴澧扬曾说：“只有好的实验装置（哪怕是可以得到非常精确的结果），没有好的演示过程是不会收到良好的教学效果的。”


　　[案例]在“变压器初、次级电压比和匝数比的关系”的教学中，如果只是将两个匝数不等的线圈套在示教变压器的两边，教师直接告诉学生每个线圈的匝数，然后用电压表测一测输入、输出的电压，那么这个实验就十分平淡了。如果在示教变压器铁蕊上只装有初级线圈并接到交流电源上，再用一根长绝缘导线绕次级线圈，边绕边用串联在这根导线上的小灯泡的亮度变化来显示输出电压的大小，那么学生一定会对次级线圈匝数越多，电压越高留下极为深刻的印象。当学生对电压与匝数的关系明确以后，还可以悄悄地把变压器上方的软铁拿掉，当学生发现电压与匝数关系不再成立时，再让学生找原因，这样“理想变压器”条件的学习就很富有艺术化。


　　[案例]上海市控江中学特级教师袁哲诚在用激光演示双缝干涉实验时，举着一块贴有半透明纸的玻璃板，沿着两束光的叠加区，从实验室的后面走到前面，学生可以清楚地看到干涉条纹的间距由大逐渐变小。接着再用喷雾器在光束的叠加区域喷洒水雾，利用小水滴对光的散射，可以在较大的空间观察到立体的干涉图样。这一演示深深地吸引了学生，因为实验从静到动，从平面到立体，全过程与全方位地展示了光的干涉现象，给学生以完整的表象知觉和新奇的审美感受。

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　[案例]用托里拆利实验演示了大气压强后，学生往往不相信管内的水银柱是大气压“压上去”的。这时可做反证实验：将托里拆利实验装置放入真空罩里，当用抽气机将真空罩里的空气逐渐向外抽时，看到水银柱逐渐降低；当真空罩的空气几乎抽空时，看到水银柱的高度几乎是零；再把空气慢慢放进真空罩里，可看到水银柱逐渐回到原位。

　　[案例]将充满水的杯子用纸片压在杯口，将杯子倒立后，纸片不下落。此时将整个装置小心地将杯子底用线系在一个玻璃罩内，然后，用抽气机抽出瓶内空气，当瓶内空气减少到一定程度时，纸片和杯中的水下落。说明纸片和水在开始倒置时不下落是因为受到大气压强的作用。


　　⑥通过实验讲解与过程分析结合，顺应学生认知规律。


　　分析演示法是边演示边分析的演示方法。无论是简单还是复杂的演示实验，只要精心安排实验过程，边分析边引导学生观察，都可以变成分析法演示实验。


　　[案例]

阿基米德定律

　　在演示时，先倒入一半的水，让学生观察弹簧指针回到何处？问学生为什么没有回到原处？再倒人一些水，看到指针离原处又近一点，并强调水还没有倒完，最后把剩下的水全部倒入桶中，看到弹簧测力计指针回到了原处。经过分析使整个实验趣味性强，重点突出，学生在倒水过程中理解了阿基米德原理。

　　（3）实验演示操作中如何促进师生互动


　　演示过程要引导学生有目的地观察、思考，全面了解现象的特征及其发生、发展的条件以及条件与结果之间的依赖关系等。可让几个学生进行操作、读数、记录，其余学生进行监督、指正，这样“表演虽几人，共鸣在全班”，活跃了课堂气氛，激发了学生的积极主动性。


　　演示时要积极创造条件，克服学生思维定势，扩大观察的范围或空间，使学生形成全面整体的物理图景。


　　[案例]在演示光的单缝衍射时，先保持单色光源、缝、屏三者相对位置不变，设想让缝由宽逐渐变窄，让学生估计屏上被照亮的范围如何变化。学生根据光的直线传播规律认为应逐渐变窄，然后实际操作验证学生的结论，结果是先变窄后变宽（变宽时出现的是衍射条纹），这种方法通过激发学生认知冲突从而使学生掌握衍射现象产生的条件。同理，再改变光的频率（或波长），让学生猜想（推测）及观察图样如何变化，最后改变光源、缝、屏三者之间的相对位置，让学生猜想（推测）及观察图样如何变化等。


　　点评：通过这样全面而又整体的思考和观察，使学生不但理解了产生衍射现象的条件，而且掌握了制约衍射图样变化的因素。上述演示就很好地处理了教师与学生，认知与情意的互动，很有艺术性。


　　演示时要让实验操作与学生的思维有机结合，让学生学会如何根据实验目的来汲取、记录信息。例如，电学实验中有关电路器材的选择与电路设计是一个难点，教师可把剪好的各种元件、仪表模型吸在磁性黑板上，让学生在选择器材的同时说出选择的理由，最后把这些图连接成实物图。这样的演示过程，虽然是教师或部分学生在操作，但全体学生积极思维、共同关注，他们互相补充、互相验证、互相指正，使看上去简单的操作过程也有了思维与情感的参与。


　　⑦增强实验显示效果，扩展可见度和清晰度


　　在演示实验时，实验的可见度和清晰度是实验成功的关键要素之一。如果实验现象不明显，学生观察不到，或看不清演示实验的现象，无疑这样的演示是失败的。那么，如何增强实验显示效果，扩展实验的可见度和清晰度呢？通常可以采用以下六种策略。


　　光线显示策略：若需要让学生观察的部分是反射光显示，则可采用强光照射该部分或用明亮光线烘托背景，并辅助以色调调节的方法，增加可见度和清晰度。

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[案例]

怒发冲冠

　　做静电实验时，用带电体吸引轻小物体时，把一块已经带电的包装用的泡沫塑料块，往学生头上放，当塑料块还未接近学生的头部时，该学生的头发就会突然向上飞蓬，此时必定全班哗然，学生学习静电知识的积极性将大大提高。


　　②通过惊险实验，创设意想不到的物理情景。


　　教师精心设计演示实验，可以制造出紧张、惊险的气氛，给学生留下深刻的印象。教师演示实验的成功，可以把惊险转化为强烈的兴趣。当学生想象中的实验结果会引起不良后果（损坏东西或人体）时，学生的注意力会集中于实验的进行。


　　 [案例]

惯性实验

　　课本演示惯性的典型实验中，把玻璃杯上的钢球换成鸡蛋，就会产生惊险的心理效果，让学生在实验事实面前震惊，动摇头脑中根深蒂固的错误观念，产生良好的教学效果。

　　③通过有悖常理实验，让学生产生认知冲突。


　　奇妙在于有悖“常理”，这常常会成为督促学生探究的动力，因此，教师进行演示教学时，要注意创设有悖“常理”的奇妙情景来激发学生的求知欲。


　　[案例]

水是热的不良导体

　　在试管底部放上几条小活鱼，用酒精灯加热斜放着的试管的水的上部，试管中水的上部已经沸腾了，试管底部的小鱼仍在游动着。“沸水养活鱼”，这奇妙的事情怎么能不引人深思呢！

　　④通过对比实验和多向操作，引导学生深化实验现象的理解。


　　人们认识事物常常是通过对比来实现的。分别演示条件具备和条件不具备的各种现象，称之为对比实验。对比演示可以突出实验现象的物理因果条件，同时消除学生可能潜在的对实验结果产生怀疑的心理。对比演示法可以使学生留下清晰、深刻的印象，有利于他们把握事物的特征。多向操作是指改变物理现象发生后的时间、空间，观察现象是否消失，称之为多向操作。多向操作可以促进物理知识的理解。


　　[案例]

力的合成

　　演示两个分力的夹角越大，其合力越小。可以让两个学生拉绳子的两端，当两个分力的夹角很小时，第三个学生握住绳子的中央部分向反方向拉，很难拉动，见图a。如果绳子的两端各让四个学生向相反的方向拉，让一个学生握住绳子的中央部分向垂直方向拉，八个学生的合力却被一个学生的力量轻易地战胜了，这样，便使学生对力的平行四边形法则感受很深。见图b。

　　 [案例2]大气压强


　　
用硬纸板和水杯岩石大气压强。可以按下图顺序操作：整体采用有水和无水对比实验演示，在两种情况下，再采用多向操作方式，观察纸片是否下落。从而深化大气对各个方向都有压强。

　　⑤通过反证实验，强化知识理解。


　　中学物理演示实验，大都直接从正面去肯定结论，但如果教学中从正面得出结论后，再通过实验从反面证明结论的正确性，更增加了学生的印象，强化了对知识的理解和记忆。这样的演示实验，给学生留下的印象是很深刻的。