物理新课程实施中实验演示技能的指导与专业训练策略

漫步云涧

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。

漫步云涧

一、什么是实验演示技能



　　演示技能是指教师在物理教学中运用实验操作、实物及模型展示、现代教学媒体表演等教学手段，充分调动学生的感官和注意力，并指导学生观察、思考和操作的教学行为。



　　课堂演示实验是在课堂上主要由教师操作，并通过教师的启发引导，帮助学生对实验进行观察思考，以达到一定教学目的的实验教学方式。



　　在课堂演示实验教学中，教师是实验主体，处于主动地位；学生是观察主体，处于被动地位。而课堂演示实验的教学效果主要是以学生能否达到预期的学习效果来衡量的。因此演示实验的教学效果并不仅仅取决于实验本身（实验能否出现预期的物理过程和现象），还取决于教师主导作用的充分发挥。而主导作用能否充分发挥，不仅取决于教师自身的实验技能和教学的基本素质，还取于教师对演示实验所采取的教学策略以及对教学过程（程序）的设计。



　　1．实验演示的特点



　　演示实验是中学物理课堂教学的重要环节，是在课堂教学这个特殊的时空内进行的，它不同于科学研究中的实验，它主要有以下特点。



　　（1）科学性与目的性并重



　　演示实验的主要作用不仅仅是为了获得某一次具体的实验结果，而是为了达到教学目的。演示实验的选择和设计，都必须服从于这些教学目的。有时候，从科学研究或实际生产的角度来看是先进的手段和方法，但从教学角度来看却未必是合理的、可取的。例如气垫导轨，电子计时器在较大程度上解决了力学实验中消除摩擦影响和计时准确性两个老大难问题，但在说明匀速或匀变速直线运动的特点时，还是用打点计时器为好。



　　在特定的条件下，演示实验甚至需要有意地对某些造成误差的因素的影响加以夸张或制造某些假想，以引起学生的思考和讨论。例如用伏安法中的内接法测电阻时选择小电阻，用外接法测电阻时选择大电阻等。



　　（2）直观性强，可见度高



　　演示实验要面向全体学生，因此，它必须有足够的可见度，它所表现的物理现象必须十分鲜明；它所显示的物理量间的关系必须是简单明了；它所依据的物理原理必须是正确易懂；它所选用的仪器、装置必须是明白而又易于操作。但是，在增加实验可见度问题上也要注意实验原理的正确，防止出现“假实验”。华南师大附中特级教师吴澧扬曾说：“我曾经遇到过有几位座位较后的学生，用望远镜观察我做的演示实验，这是对我做的演示实验‘可见度’的一个讽刺，也充分反映了学生要求看清楚演示实验的心理。”



　　只有清楚明显、可见度高的物理现象，才容易触动学生视觉，激发学习兴趣，启发思维活动。我们可以采取增大器材尺寸，改善室内光线，选择仪器摆放角度以及选择合适演示角度、位置甚至向不同方位动态展示演示结果等方法，力争提高实验的可见度。另外，我们对某些变化小、效果差的实验现象，应利用投影仪或实物投影仪将其投影放大，提高可见度。比如，非晶体导热性的演示、用验电器做检查物体带电、研究静电屏蔽、探索决定电容器电容大小的因素等演示时，我们可采用投影仪或实物投影仪将实验器材映射于屏幕上。我们也可将某些演示实验改为分组实验，如把通过磁铁与线圈相对运动得出楞次定律的演示改为分组实验，这样，线圈绕法、指针偏转一目了然，不仅便于学生观察，印象深刻，而且增加了他们的动手机会，提高了学习兴趣，增强了实验能力。



　　除了投影、实物投影等手段外，还可以用示教板来突出实验的主要装置，以便于学生把注意的焦点集中于所要研究的问题。



　　（3）瞬时性快，难以再现



　　生物进化论的创始人达尔文在总结自己的经验时说：“我没有突出的理解能力，也没有过人的机智，可是在观察那些稍纵即逝的事物，并对此细心观察的能力上，我可能在众人之上。”演示实验要在课堂教学所分配的有限时间内完成整个实验的操作、观察过程，而且往往是一次性的。不能像学生分组实验那样可以反复多次，仔细揣摸，这就决定了演示实验的仪器装置要高度的稳定可靠，教师事先要作充分的准备。某些演示所发生的物理现象保留时间很短，一闪即逝，很难保证全体学生都看得到。看不到现象，就不能借题发挥，进行相关的推理和判断。因此，我们除了做好组织教学，及时提示学生把握住关键时机，注意观察外，一方面，在可能情况下，争取时间重复演示几遍；另一方面，创造条件设法延长实验现象的可观看时间，为学生创造收看机会，提高观察注意力。为集中学生的注意力，教师也可以用倒计时等形式提醒学生注意观察。对确实不易观察的现象，教师可事先用录像方法进行摄制，在教学时可采用录像播放时的定格、慢放、重播等方法使学生看清楚。



　　（4）实验前准备要充分，成功率要求高



　　教师的演示实验是用来启发学生思维、调动学生积极性、建立物理概念、揭示物理规律、解决疑难问题以及培养学生操作技能的标准示范。如果演示实验中经常损坏仪器，或者经常失误，甚至失败，将会造成不良影响。不但会使学生认为教师的演示是在勉强，在将就，在做戏，降低了实验的可信性和说服力，而且自然地会影响教师的威信和形象。有报道，在一个学校教学调研时，学生对教师的意见中就写道“实验屡败屡做，屡做屡败”。所以，教师一方面在主观上应该加强基本功训练，提高个人素质，提高操作技术、技巧，提高动手能力以及应变能力；另一方面，在客观上应该加强演示前的准备，仔细地检查仪器，认真地估计可能发生的问题，并准备好应急措施，也可以对演示方法进行改进，提高其成功系数，力争演示实验百分之百成功。比如，静电实验容易受天气、仪器清洁程度以及室内环境的影响很大，教师在实验前，要认真细致的准备，将仪器擦干净，适当的烘烤，注意室内的通风，才能确保实验成功。

漫步云涧

[案例]有两位教师为了演示一根导线切割磁感线产生感应电流这一现象，在实验中使用了灵敏度很高的“微电流放大器”，这两位教师在学校试讲时都很正常，但正式上课时出现了电流表无法调零这个问题。



　　分析：这是因为正式上课时这两位教师都带着无线话筒，较强的无线电波干扰了“微电流放大器”的正常工作。



　　[案例]在做马德堡半球实验验证大气压存在实验时，教材上讲述八对马都拉不开两个半铜球，如果课堂演示时，教师对模拟实验装置的气密性检查不细致，让学生很轻易的就拉开半球，学生对大气压强的概念就易模糊，对教材上讲述的内容产生怀疑了。



　　即便是教师认为最简单的实验，事先也要加以准备。一般说来，教师在比较平静的气氛下，思维能力是可以正常发挥的；但在紧张的情况下，思维能力就要受到严重影响，在课堂上出现了突发问题，有时即使是简单的问题，也会出现分析失误。可见，只有事先充分准备，才能“胸有成竹”。



　　[案例]一个教师拿了“220V、25W”和“220V、60W”两个灯泡用于演示串联电路的功率分配与电阻的关系。教师问：“这两个灯泡串联后加在220V的电压上，哪个灯更亮？”演示时发现60W的灯没有发光，教师还以为灯泡坏了，或者电路接错了，检查灯泡、检查电路，浪费了不少时间。



　　分析：其实电路与灯泡都很正常，因为60W灯分到的电压太低了，以致在白天看不出灯泡在发光，用手摸一摸灯泡外面，可以发现是热的。教师如果事先做过这一实验，不仅可以选择合适的灯泡，还可以利用这一出乎常人意料的现象来设疑激思，借以起到很好的教学效果。



　　（5）启发性和趣味性强



　　实验演示能强烈刺激感觉器官，引起学生的浓厚兴趣，产生强烈的学习动机；实验的现象和结果有时让学生意想不到的演示结果，能引起学生积极的思维。进行课堂实验演示，目的要求必须明确。学生对实验演示很感兴趣，但这不是看魔术，追求趣味，而是通过实验演示让学生获得知识，发展能力。要把学生的兴趣和注意力引导到仔细观察实验所发生的现象和操作，认真分析变化的实质上来，从而达到教学目的。实验演示要力求明显、直观、简单、成功，要给学生讲解实验装置的原理，使全体学生都能看清物质及其变化的现象和仪器装置，要组织学生观察，并指导学生把观察到的现象进行分析、比较、综合、概括，从而导出正确的结论。



　　（6）认知过程与情意过程的协同



　　教学过程常常包括学生的认知过程和情意过程。有的课，教师随意讲笑话，学生很开心，但思维效率不高，效果不理想；也有的课，教师提出的问题思维难度与密度要求很高，学生听得很费力，很难长时间集中注意力。上述两类课就是因为没有做到认知过程与情意过程的协同。

漫步云涧

[案例]

电阻

特级教师苏福河

　　苏老师先让学生连接一个测小灯泡电流强度的简单电路，同时观察灯泡的亮度，记录电流表的读数。教师拆下一根导线，分别在外形（长度、截面积）完全相同的军用电话线里的细钢丝和同样光亮的电炉丝上滑动，学生十分惊奇：两根“完全相同”的导线，其导电本领为什么会不一样呢？这种做法达到了设疑引思的功效。接下来，让学生分别把三种导线顺次接入串有小灯泡的电路中，学生发现：把铜线接入电路中，灯泡的亮度与电流表的示数没有变化；把康铜线接入电路后，灯泡的亮度几乎不变，但电流表的示数略有减小；当把镍铬合金导线接入电路后，灯泡亮度明显变暗，电流表的读数显著减小。


　　点评：上述教学设计的艺术性表现在：自然地引入了“电阻”这个概念，知道了电阻是描述导体导电性能的一个物理量（不同的导体在相同的条件下，对电流的阻碍作用不同）。实验从定性（灯的亮暗）和定量（电流表读数大小）两个角度展示了电路中的电流变化，使学生既能重视对物理现象的观察，又能注重使用仪器进行测量。上述设计不仅体现在认知功能上，还表现在情意功能上，它充分激发了学生的探索欲望和学习兴趣，做到了认知过程与情意过程的协同。


　　2．演示技能的功能


　　（1）提供感性材料


　　美国教育家布鲁纳说：“教学应着重教学过程，而非教学结果。”学生认识有关事物，学习某些抽象的概念、规律时，必须从接触这个事物，获得感性知识开始。对于直接经验不多的学生，要建立一个概念，掌握一个规律，必须有个观察现象、重温经验以至产生印象从而形成观念的过程，才能达到理解、巩固，并实现迁移。中学物理的内容虽与日常生活中许多现象有密切的联系，但实际现象常常是复杂的，与许多因素有关。加之中学生尚缺乏有关的物理知识，往往不能深刻地感觉这些现象，更难以找出现象中反应的物理本质。而且有些物理现象似乎与日常生活中给学生的印象不一致。因此有必要通过演示实验把物理现象的特征突出地显示出来，使学生获得丰富、深刻、正确的感性知识。演示实验以适合学生认识规律的方式，通过实验演示，为学生提供丰富的直观感性材料，有利于突破难点和重点，促进学生理解和巩固知识，加快教学过程，提高课堂教学效率。如果没有丰富的感性材料为基础，学生的学习只能对抽象的概念和规律死记硬背，便会失去教育的真正意义。


　　[案例]光现象是大家都热悉的，对光的反射定律也有了一定的感性知识。但是，学生对其严格的数量关系，特别是对入射光，反射光和反射面的法线在同一平面却无充分的感性认识。在讲解时，可以用下图所示的装置进行演示。光线由E一侧入射到平面镜M上，转动F平面直到显示出反射光，使学生看到反射光与入射光在同一平面上，且光线与法线的夹角相同。这样学生不仅容易记住结论，而且在头脑中形成了一定的物理图象。

　　

光反射实验实物
光反射实验示意图

　　[案例]在物理中有些概念、规律比较抽象，或表述较难理解。如楞次定律，在课本中是这样叙述的：“感生电流具有这样的方向，就是感生电流的磁场总要阻碍引起感生电流的磁通量的变化。”这里出现了感生电流方向，感生电流磁场方向，原磁场方向，原磁通量的变化等，学生很难理解。利用演示实验（下图）把它们显示出来，并记录下来，使学生有了感性知识，楞次定律很涩的文字表述就会由于生动的物理图象而变得容易理解和记忆了。

楞次定律实验示意图

漫步云涧

（2）创设物理情境



　　学生的学习是从观察开始的，观察是一种有目的、有计划、有思维参与的高级知觉过程。演示实验可以不受空间和时间的限制，把某些现象再现，深刻地揭示物理量之间的相互关系，从而启发学生深入地思考，进一步寻求其变化规律。学生在教师指导下的观察，不仅用感官去感知，还要用大脑去思考，因此，观察的过程，既是知觉的过程，也是思维的过程。所以观察是学生认识事物的开始和源泉，观察中获得的丰富的感性材料为学生学习物理创设了生动、形象的物理情境。



　　（3）激发学习兴趣



　　演示实验中，展示了许多有趣、新颖、惊奇的物理现象，教师在演示中又创设教学情境，巧设疑问，把这种外部诱因作用于学生，使其产生内部需要，激发了学习兴趣，提高了他们的学习积极性，从而把学习积极性引向具体的学习目标。所以，演示教学中，要沿着“需要产生兴趣，理论强化兴趣，运用升华兴趣”的层次展开，把激发学生的学习兴趣贯穿于教学的全过程。



　　演示实验是归纳和总结物理概念和规律的基础。有些概念和规律，无论教师如何努力讲解，学生也很难深刻理解和体会，而通过简单的演示实验，就可以使教师用较少的语言，在较短的时间内，把要讲述的课题展现在学生的面前。当学生对这个“为什么”产生浓厚的兴趣时，他的思维活动必然是积极活跃的。一个好的演示实验所起的作用，是再生动的口头表述也代替不了的。



　　（4）教给学习方法，培养学生观察和实验能力



　　在演示教学中，教师正确使用仪器、记录和分析数据的规范操作，可使学生了解基本仪器的使用方法、观察和记录数据的方法、分析数据并作出实验曲线的方法等，是培养学生掌握正确的操作技术和观察方法的过程，也是培养学生的观察能力和实验能力的过程。演示实验中教师在直观观察的基础上提出问题，控制变量，直到完成抽象概括的过程，使学生了解了物理学研究方法，培养了学生从实际出发、尊重客观事实和实事求是的科学态度。学生一旦掌握了正确的操作技术和观察方法，便可以独立地进行观察实验了。这就是平时常说的：“教学不仅要让学生得到金子，而且要让学生学会‘淘金术”’。

漫步云涧

　[案例]在讲物质的汽化和液化问题时，常做一个演示实验（如图）。被加热沸腾的水汽化，水蒸气由玻璃管喷出，在装有冷水的烧瓶壁外凝结或水滴，靠近烧瓶处有团团白雾。要求学生仔细观察现象，并注意现象中的一些细节。即沸水瓶中水面上方的气体──水蒸气是无色透明的，玻璃管口附近的气体──水蒸气是无色透明的，靠近烧瓶处的是“白气”。白气不是水蒸气而是细小的水滴。通过细致的观察，学生不仅认识了现象，而且提高了观察能力。

　　二、实验演示技能的专业训练与指导


　　物理实验操作技能是物理知识与物理操作技能之间的中间环节。演示实验，对于帮助学生掌握实验技能技巧起着示范作用，对于培养学生的观察能力、形象思维能力、分析能力也有很大作用。教师演示技能强，实验效果好，有利于激发学生学习物理兴趣，促进对知识的理解，降低学生学习物理畏惧感。


　　（1）实验演示的常规要求


　　物理演示实验的一般要求是：


　　●演示的内容应正确、典型，符合教学要求。引入概念和探索规律的实验要力求因果关系简单，现象和本质的联系易于解释和理解。因果关系较复杂或现象和本质的联系不甚明显的实验，一般作为巩固性实验或应用性实验为宜。


　　●选用的实验装置应力求结构简单，操作简便，突出关键步骤，以利于学生集中注意演示实验本身，提高教学效果。


　　●演示的现象要直观，有足够的可见度。在可能条件下，要力求先引起学生的好奇心或悬念，然后再做演示，给学生留下清晰深刻的印象。


　　（2）提高实验演示效果的策略


　　①通过新异实验，激发学生的好奇心。


　　教师将学生日常生活中看到的现象在演示实验中简单的重复，学生会感觉乏味。演示实验要注意变化演示方式，突出演示效果，增加刺激量，激发学生的求知欲。

漫步云涧

[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。