演示實驗有效教學的策略研究及實踐案例＊

周 亮

（慈溪市慈吉中學，浙江 慈溪 315300）

將理科傾向的學生所學習的《物理1》、《物理2》以及《選修3系列》的實驗要求進行統計，結果見表1.

表1

從表1中可以看出，有55項是必須做好的演示實驗.教師還應該在此基礎上精心選擇具有本地本校特色的演示實驗，盡最大努力提高學生的科學探究及物理實驗能力.

演示實驗能化抽象為具體，化枯燥為生動，把要研究的物理現象清楚地展示在學生面前.能引導學生觀察，并進行思考，配合講授使學生認識物理概念和規律，達到“事半功倍”的效果.物理教學中，演示實驗是新課導入的重要方法之一.實驗具有生動、直觀、新奇的特點，容易激發學生的直接興趣.如能充分發揮實驗的趣味性、奇異性、多變性，就能創造出生動的情景，使學生思維活躍.

演示實驗是物理教學的重要手段，是課堂教學的有機組成部分.其主要任務是使學生在獲得生動的感性認識的基礎上，更好地理解和掌握物理概念和規律，同時培養學生的觀察能力、分析綜合能力及邏輯思維能力，還為學生實驗的正確操作起著示范的作用.

演示實驗應該具有穩定性、可見性、趣味性等特點，充分利用課程資源和非課程資源，讓演示實驗達到最優化、最有效.采取的有效教學策略如下.

1 利用展示臺或者電腦攝像頭擴大觀察范圍，提高演示實驗的可見度

教學實踐及案例1：彈簧振子演示實驗.

彈簧振子的大小無法改變，于是筆者想到了用現在大部分學校都具備的實物投影儀，把彈簧振子的振動通過實物投影儀投影到大屏幕上，結果發現，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，學生觀察的效果和范圍自然擴大，而這和類似flash等軟件模擬的彈簧振子模型產生的純模擬實驗不同，這是真實的、實際的振動過程，容易讓學生信服，而純軟件模擬的總會使學生產生偽造的心理感覺.

2 充分利用非學科資源，進行器材整合與實驗設備改進，增加演示實驗的操作穩定性.

明顯的實驗現象和可觀性較強的實驗都有利于教學內容的傳授和學習.可觀性差、實驗現象不明顯的實驗容易引起學生對所講內容的不信任，不利于學生的知識掌握.

圖1

教學實踐及案例2：探究影響電荷間相互作用力的因素.

如圖1所示，一般靜電實驗很難演示成功，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，所以此演示實驗成功率很低.而若將實驗改進，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泡材料（或其他輕質材料）做小球P1、P2、P3，在小球外面涂上石墨導電層（或外面包上導電的鋁箔），利用感應起電機使A和3個小球同時帶上正（負）電，起電機的起電效果遠遠強于摩擦起電，因此鋁箔小球產生了明顯的偏離，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.由此得出結論：電荷量越多，庫侖力越大.這樣改進以后實驗現象明顯了，提高了可觀性，有利于學生對庫侖定律的感性認識.

3 利用教材資源和生活資源，教師自我制作教學教具，來增加演示實驗的真實性、趣味性和有效性

教學實踐及案例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中，利用書本“做一做”內容和生活中常見的器材制作了“旋轉的液體”既激發學生學習興趣，在分析“不可思議”的液體旋轉現象中學習了安培力和洛倫茲力的聯系.相比較貴重的標準演示器材現象更具誘惑力，也更能體現學生的學習、運用知識和解決問題的能力，更提高了教師的自身業務能力水平.

洛倫茲力是磁場對運動電荷（帶電粒子）的作用力，在現實生活中常常難以觀察，一般學校采用陰極射線管結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），在桶內壁放置一環形電極（紫銅板），加入適量的電解液（硫酸銅），當中心電極和環形電極接上電源時，形成徑向電場.電解液電解反應中產生的正負離子，在徑向電場的作用下沿徑向運動.在電解槽的上方或下方放置一塊磁鐵，則原本徑向運動的正負離子受到磁場的作用力都沿同一方向，開始做同一旋轉方向的曲線運動從而帶動電解液做環狀運動.溶液中的雜質和下端浸在溶液中的絕緣門型框也隨之轉動.由宏觀物體的運動表征微觀粒子的運動.改變磁鐵的N、S極或者改變電極的正負，液體的旋轉方向也將發生改變.

圖3

洛倫茲力是微觀的運動電荷受到的磁場作用力，而液體的旋轉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用楞次定律判斷洛倫茲力的方向.在實驗演示和分析中，同時需要結合化學學科的知識，既達到了實驗的有效性又整合了其他學科，能使學生全面綜合運用知識.自制實驗教具如圖3所示.

4 充分利用數字多媒體硬件和軟件，利用DIS系統來實時展現難以觀察和記錄的物理量來展示實驗數據，提高實驗的可信性和準確度

教學實踐及案例4：通電斷電自感的演示.

（1）傳統演示實驗——通斷電自感現象.

①實驗器材：通斷電自感演示器.

② 實驗電路圖：如圖4.

③實驗步驟：首先接通電源閉合開關S，調節滑動變阻器，使兩燈在電路穩定時亮度相當.然后斷開開關S，待兩燈泡均熄滅后再閉合開關S，觀察兩燈發光的情況；當兩燈發光正常時，斷開開關S，觀察兩燈A1、A2熄滅情況.

④ 實驗現象：通電時，學生可以觀察到，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：由理論解釋實驗現象，闡述通電自感現象，并與學生一起探討在斷電時線圈會不會產生自感現象，理論推理的結果與現象矛盾，設下懸念，引出用數字化實驗系統更精確地研究通斷電自感現象.

（2）DIS演示實驗——通斷電自感現象.

圖4

① 實驗器材：兩個電流傳感器，數據采集器，計算機配套軟件和通斷電自感演示器，電腦及屏幕投影.

② 實驗電路圖：如圖5.

③ 實驗步驟：將兩個電流傳感器按實驗電路接入電路中，斷開開關S，開啟數據采集器，打開DIS單擊運行平臺，待設備顯示連接成功后，即可點擊開始鍵，再閉合開關S和斷開開關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 實驗圖像：如圖6.

⑤ 實驗現象解釋：用理論來分析DIS實驗所得到的圖像.當通電后，電流傳感器2處的電流迅速增大到一個峰值，然后再穩定下來，而電流傳感器1處的電流由于感應電動勢的影響，推遲了電流達到穩定值的時間；當斷電后，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，而是線圈中的感應電流.

圖5

圖6

5 讓每節新課教學都有演示實驗或學生體驗活動

自我設計實驗、自我制作實驗器材，尋找替代視頻或活動，讓學生在觀察分析和體驗中獲得知識，盡可能讓實驗現象的教學目的達到最優化.

利用身邊的物品加強實驗教學是一個可以大有作為的領域，它的發展將有利于加強實驗的可見性、趣味性、探究性、開放性，拉近物理學和學生生活實際的距離，啟發學生關心身邊的事物，觀察和體驗身邊常見的現象.

教學實踐及案例5：探究曲線運動的速度方向.

我們根據教學內容，從學生的經驗和體驗出發，巧用學生所熟悉的簡單的常見物品，設計出一些使學生富有親切感、新奇感和趣味性實驗，將會獲得良好的教學效果.例如，在探究曲線運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壁快速做圓周運動.突然將玻璃杯拿起時，金屬小球沿圓周切線飛出，在桌面上做直線運動如圖7（b）.

此實驗可重復多次.通過實驗可以看到，金屬小球在玻璃杯內做圓周運動時，小球運動到不同位置，將玻璃杯迅速拿起，小球將沿該位置的圓周切線飛出.這充分說明了“在曲線運動中，運動質點在某一點的瞬時速度的方向，就是通過該點曲線的切線方向”.此實驗效果不錯，深受學生的歡迎.教學實踐及案例6：探究摩擦力的方向.

圖7

在“摩擦力方向”判斷的學習時，我們可以采用家用的毛刷子（毛盡可能長一些），讓學生把刷子毛朝下使刷子在桌面上運動（或有相對運動趨勢），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“相對運動的方向”的理解很多學生理解起來有點困難，但只要讓同一組的學生把兩把刷子如圖8（b）所示擺放，并讓它們運動就行了.這樣學生只要觀察刷子毛的方向即可.

圖8

1 周亮.器材整合、實驗創新.中小學實驗與裝備，2010（6）.

2 周亮.洛倫茲力宏觀演示儀的制作.中學物理，2011（3）.

3 楊軍，張旭峰，王志斌.在物理實驗教學中培養學生的創新精神.華北工學院學報，2003（2）.