物理實驗教學中貫徹直觀性原則例析

唐素珍

摘 ? 要：以具體的實例分析物理課堂教學中如何貫徹直觀性原則。這些方法在教學實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驗，使得課堂生動活潑，提高了教學效率。

關鍵詞：中學物理;直觀性;實驗教學

直觀性原則，是指在教學中通過學生觀察所學事物，引導學生充分感知所學對象，使學生形成對所學事物、過程的清晰表象，豐富其感性認知，并在此基礎上通過分析、概括形成概念、造成判斷、進行推理，從而掌握物理規律。其主要是使抽象的知識、概念更為形象化、具體化，這樣更容易讓學生理解。

自從17世紀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原則中不可缺少的一環。那么，如何在平時的物理教學中貫徹直觀性原則呢？筆者認為：在教學中，最關鍵的是要突出實驗的地位，落實以實驗為主的教學手段的應用，具體可以從以下幾個方面進行。

1 ?設計簡單的隨堂小實驗

物理是一門建立在實驗基礎上的科學。一些隨堂小實驗可以很好活躍物理課堂氛圍，激發學生的學習興趣， 使學生獲得感性認識，形成物理概念， 探索和驗證物理規律。

比如，在“自感”中，設計了這樣一個實驗——千人震。用干電池，導線、開關、鎮流器和幾位做實驗的同學連接成如圖1所示的電路。在斷開開關的瞬間，學生會有觸電的感覺。此實驗有驚無險，在學生為一節干電池的“威力”而疑惑不解時順利進入新課教學。學生學習的積極性一下子調動起來，課堂氣氛活躍。

比如，在“閉合電路歐姆定律”中，先用兩節新的干電池對小燈泡供電，如圖2，燈泡亮。然后換用六節舊的干電池做實驗，引發學生認知上的沖突，激發學生對電路的結構進行思考，燈泡不但沒有更亮反而更暗。通過新舊電池對比的小實驗，感悟到電源有內阻，一個完整的電路是由外電路和內電路組成，從而引出閉合電路歐姆定律。這樣處理就使得學生對電路的理解從感性認識上升為理性認識，使學生的思維發展從具體形象思維向抽象邏輯思維過渡，讓學生對閉合電路歐姆定律的認識更形象、鮮明、生動有趣，容易鞏固該知識點。

再比如在“機械能守恒定律”一節中，為了說明動能和重力勢能相互轉化過程中的機械能守恒及守恒的條件，補充并改進了如下實驗：用細線將小球懸掛起來并拉到A點，由靜止釋放小球。我們可以看到，小球釋放后可以擺到跟A點等高的C點（在C處可固定一水平標尺，并把小球裹上一層棉布，將小球蘸上紅墨水，當小球擺到C點時就會在標尺上留下印記，學生可以很直觀地觀察到小球擺到跟A點等高的C點），如圖3甲。在某一點處用鐵釘擋住細線，小球雖然不能擺到C點，但仍能到達跟A點等高的位置（操作方法與前面相同，小球在標尺上也會留下標記），如圖3乙。通過這個改進實驗學生獲得感性認識，很容易理解到動能和重力勢能相互轉化過程中機械能守恒。在此基礎上分析機械能守恒的條件也就水到渠成。

2 ?重視演示實驗，并使其直觀化

物理學是一門以實驗為基礎的學科，演示實驗在教學過程中有很重要的作用。通過演示實驗，學生可以建立豐富的感性認識， 才有可能真正理解物理概念， 認識物理規律。但做演示實驗時，一定要注意直觀性，一方面是要確保實驗結果本身的明顯性、明確性;另一方面，要讓每一位學生都能觀察到。

比如在“探究磁場對電流的作用力”一節中，課本設計的“鋁箔天橋”小實驗（如圖4），將這個小實驗進行設計并改進，通過問題串的形式，充分挖掘該實驗在教學中的作用，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的教學目標。具體實施如下：

實驗1 ?引入安培力的概念

實驗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。學生獲得感性認識：天橋受力會發生形變。接著接通電路，不放置磁鐵，天橋不動。最后放上磁鐵，接通電路，天橋發生形變，說明磁場對電流有力的作用，從而引入安培力的概念。

實驗2 ?探究安培力的方向

實驗中先通過改變電流方向（保持磁場方向不變），可以觀察到鋁箔天橋由原來的向上凸起變為向下凹陷，說明安培力的方向與電流方向有關，記錄磁場方向、電流方向、安培力方向（天橋的形變方向）三者間的關系。接著通過改變磁場方向（保持電流方向不變），一樣可以得到結論：安培力的方向與磁場方向有關。同樣記錄磁場方向、電流方向、安培力方向（天橋的形變方向）三者間的關系，最后歸納總結出安培力的方向與磁場方向、電流方向、滿足左手定則。

實驗3 ?探究影響安培力大小的因素

實驗中先控制其他條件不變，通過改變滑動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;接著控制電流不變，通過改變蹄形磁鐵的個數來觀察天橋的不同形變，說明安培力的大小與磁場強弱、通電導體在磁場中的長度有關。

上述的三個分步實驗，直觀地展示了教學中的重難點，幫助學生形成科學的概念，從而更好地深化認識和運用知識，實現了教學目標。

為了使實驗的可視性更強，用講臺上數字展臺的攝像頭對準示教板。特別是在安培力大小的定量探究實驗中，攝像頭對準自制教具的指針和標尺投影到大屏幕，全班同學都可以清楚地看到實驗并進行數據處理。

還比如在“機械能守恒定律”的條件的推導及證明之后，學生對機械能守恒有了一定的認識，在學生經歷了課本上蕩秋千的例題的解答之后，筆者安排一個演示實驗：在講臺上方的天花板上裝一掛鉤，掛鉤上懸掛一條長約2.5 m的鋼絲繩，下端掛一鉛球，這就構成了一個單擺模型。將鉛球偏離豎直方向拉開一個角度，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角度于鼻尖處釋放（一定要保證球從靜止釋放），人保持不動，重球擺回原位置，不會砸到人。這個演示實驗讓學生心驚肉跳，但又回味無窮，很好地驗證了機械能守恒。具體形象的實驗與抽象規律相結合，減少了學生理解機械能守恒這一抽象規律時的困難，同時有利于培養學生的觀察能力、模型建構能力，以及抽象思維能力，促進學生更好地理解和鞏固所學知識。

再比如在講“波的形成和描述”時，學生對“機械波只是機械振動這種運動形式的傳播，介質本身不會沿著波的傳播方向移動”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），將一端固定，另一端用手握住，上下用力搖動繩子，學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，并不隨波前進。從而證明了“機械波只是機械振動這種運動形式的傳播，介質本身不會沿著波的傳播方向移動”。這樣在學生獲得直觀感受后再來講這一知識點就顯得簡單得多，學生對這一知識點的認識就從感性認識上升到理性認識，使學生對規律的理解更深刻。

3 ?演示實驗分組做

學生看到演示儀器時，總是好奇地想要自己動手操作，為了把他們的這種好奇變成學習的動力，將一些演示實驗安排成分組實驗，收到不錯的效果。

比如在“超重失重”一節中，學生對超重失重的本質認識上存在一定的困難。為此利用一條紙帶設計一個分組小實驗。讓學生用紙帶提著重錘，先是處于靜止，而后迅速上提，紙帶斷了，然后拋出問題：紙帶為什么會斷？這樣學生很容易就知道重錘的重力并沒有變化，紙帶之所以會斷是因為紙帶對重錘的拉力超過了重錘的重力，這樣學生很輕松地就掌握了超重的本質。

教學中類似這樣的實驗還很多，游標卡尺、螺旋測微器、萬用表的使用，這些都可以做為分組實驗的資源。實踐證明，分組小實驗不但讓學生動手操作實驗，觀察實驗現象的同時又動腦思考實驗的本質，這種學習方式更符合學生的認知規律，活躍了課堂氣氛，同時也鍛煉了他們的實驗操作能力。

4 ?定性實驗定量做

教材中的一些實驗，有時只能解決物理量間的簡單的定性關系，而對物理量間的函數關系卻沒辦法做更深入的分析，這使得學生在認識物理量間的關系時有所欠缺，所以定量的實驗分析就顯得尤為重要。比如在“探究磁場對電流的作用”一節中，教材中安排的傳統實驗只能定性研究影響安培力的大小的因素。為此，在學生定性分組探究安培力大小的決定因素實驗后，安排教師的DIS傳感器定量實驗（如圖5）。

實驗中利用控制變量法研究安培力F與電流I、通電導線的長度L的關系。數據采集上利用電流傳感器和力傳感器采集流經線圈的電流和線圈所受的安培力的大小，并利用DIS強大的數據處理功能，快捷靈敏地得出安培力的大小F隨電流I的變化圖像，圖像是一條過原點的傾斜直線（如圖6的直線），學生根據圖像很直觀地得到安培力的大小與電流成正比的結論。

接著通過改變放入磁場中的線圈的匝數來改變線圈在磁場中的長度L（由原來的100 匝變為200 匝），實驗時仍然可以得到200 匝時安培力大小F與電流大小I成正比（圖7中的直線1），分析對比兩種情況下的F—I圖像，發現200 匝的圖像斜率是100 匝圖像斜率的兩倍，這是由于200 匝的線圈在磁場中的長度是100 匝的兩倍。通過實驗圖像的分析學生就可以獲得直觀認識：安培力的大小與通電導體在磁場中的長度成正比。

這樣將教材中的定性實驗改成定量實驗，讓學生的感性認識上升到理性認識，對物理規律的認識更為直觀到位。

我們的教學不但要教會學生掌握基本知識，更重要的是要培養學生靈活運用知識的能力、培養學生對知識的遷移能力，提高學生的思維和實踐能力，從而提高物理學科核心素養。以實驗為基礎的直觀教學就是我們做到這些的有效途徑之一。