演示实验有效教学的策略研究及实践案例＊

2012-07-19周亮

物理教师 2012年4期

关键词：自感断电玻璃杯

周亮

（慈溪市慈吉中学，浙江慈溪 315300）

将理科倾向的学生所学习的《物理1》、《物理2》以及《选修3系列》的实验要求进行统计，结果见表1.

表1

从表1中可以看出，有55项是必须做好的演示实验.教师还应该在此基础上精心选择具有本地本校特色的演示实验，尽最大努力提高学生的科学探究及物理实验能力.

演示实验能化抽象为具体，化枯燥为生动，把要研究的物理现象清楚地展示在学生面前.能引导学生观察，并进行思考，配合讲授使学生认识物理概念和规律，达到“事半功倍”的效果.物理教学中，演示实验是新课导入的重要方法之一.实验具有生动、直观、新奇的特点，容易激发学生的直接兴趣.如能充分发挥实验的趣味性、奇异性、多变性，就能创造出生动的情景，使学生思维活跃.

演示实验是物理教学的重要手段，是课堂教学的有机组成部分.其主要任务是使学生在获得生动的感性认识的基础上，更好地理解和掌握物理概念和规律，同时培养学生的观察能力、分析综合能力及逻辑思维能力，还为学生实验的正确操作起着示范的作用.

演示实验应该具有稳定性、可见性、趣味性等特点，充分利用课程资源和非课程资源，让演示实验达到最优化、最有效.采取的有效教学策略如下.

1 利用展示台或者电脑摄像头扩大观察范围，提高演示实验的可见度

教学实践及案例1：弹簧振子演示实验.

弹簧振子的大小无法改变，于是笔者想到了用现在大部分学校都具备的实物投影仪，把弹簧振子的振动通过实物投影仪投影到大屏幕上，结果发现，投影立体物件和平面资料一样，弹簧振子可以清楚地显示在大屏幕上，学生观察的效果和范围自然扩大，而这和类似flash等软件模拟的弹簧振子模型产生的纯模拟实验不同，这是真实的、实际的振动过程，容易让学生信服，而纯软件模拟的总会使学生产生伪造的心理感觉.

2 充分利用非学科资源，进行器材整合与实验设备改进，增加演示实验的操作稳定性.

明显的实验现象和可观性较强的实验都有利于教学内容的传授和学习.可观性差、实验现象不明显的实验容易引起学生对所讲内容的不信任，不利于学生的知识掌握.

图1

教学实践及案例2：探究影响电荷间相互作用力的因素.

如图1所示，一般静电实验很难演示成功，由于孤立物体和悬挂小球一般带电荷量很少，若加上空气潮湿的影响，放电较快，物体和小球之间的库仑力很小，丝线的偏角很小，很难观察到3个偏角的大小的不同，所以此演示实验成功率很低.而若将实验改进，如图2所示，O为带绝缘柄的金属球，丝线上的小球用聚苯乙烯发泡材料（或其他轻质材料）做小球P1、P2、P3，在小球外面涂上石墨导电层（或外面包上导电的铝箔），利用感应起电机使A和3个小球同时带上正（负）电，起电机的起电效果远远强于摩擦起电，因此铝箔小球产生了明显的偏离，很容易比较出它们之间的距离越大偏角越小；若加快起电机的摇动速度，O和3个小球的带电荷量增加，丝线的偏角增大，说明它们之间的库仑力变大了；减慢摇动速度，则带电荷量减少，角度变小，则库仑力变小.由此得出结论：电荷量越多，库仑力越大.这样改进以后实验现象明显了，提高了可观性，有利于学生对库仑定律的感性认识.

3 利用教材资源和生活资源，教师自我制作教学教具，来增加演示实验的真实性、趣味性和有效性

教学实践及案例3：洛伦兹力的演示.

图2

如在选修3－4洛伦兹力的演示教学中，利用书本“做一做”内容和生活中常见的器材制作了“旋转的液体”既激发学生学习兴趣，在分析“不可思议”的液体旋转现象中学习了安培力和洛伦兹力的联系.相比较贵重的标准演示器材现象更具诱惑力，也更能体现学生的学习、运用知识和解决问题的能力，更提高了教师的自身业务能力水平.

洛伦兹力是磁场对运动电荷（带电粒子）的作用力，在现实生活中常常难以观察，一般学校采用阴极射线管结合磁场来演示洛伦兹力对电子射线的影响.但既贵重不易普及又观察范围和效果差.利用人教版选修3－1第93页做一做“旋转的液体”制作装置来演示则更具震撼力.在圆形器皿的中心放置一中心电极（铜），在桶内壁放置一环形电极（紫铜板），加入适量的电解液（硫酸铜），当中心电极和环形电极接上电源时，形成径向电场.电解液电解反应中产生的正负离子，在径向电场的作用下沿径向运动.在电解槽的上方或下方放置一块磁铁，则原本径向运动的正负离子受到磁场的作用力都沿同一方向，开始做同一旋转方向的曲线运动从而带动电解液做环状运动.溶液中的杂质和下端浸在溶液中的绝缘门型框也随之转动.由宏观物体的运动表征微观粒子的运动.改变磁铁的N、S极或者改变电极的正负，液体的旋转方向也将发生改变.

图3

洛伦兹力是微观的运动电荷受到的磁场作用力，而液体的旋转则把看不见的变成看见的，把微观的变成宏观的.而通过改变电极或磁极又可以运用楞次定律判断洛伦兹力的方向.在实验演示和分析中，同时需要结合化学学科的知识，既达到了实验的有效性又整合了其他学科，能使学生全面综合运用知识.自制实验教具如图3所示.

4 充分利用数字多媒体硬件和软件，利用DIS系统来实时展现难以观察和记录的物理量来展示实验数据，提高实验的可信性和准确度

教学实践及案例4：通电断电自感的演示.

（1）传统演示实验——通断电自感现象.

①实验器材：通断电自感演示器.

② 实验电路图：如图4.

③实验步骤：首先接通电源闭合开关S，调节滑动变阻器，使两灯在电路稳定时亮度相当.然后断开开关S，待两灯泡均熄灭后再闭合开关S，观察两灯发光的情况；当两灯发光正常时，断开开关S，观察两灯A1、A2熄灭情况.

④ 实验现象：通电时，学生可以观察到，灯A2先亮，而灯A1后亮；断电时，观察到两灯A1、A2都熄灭了，看不出有延时效果.

⑤ 原因分析：由理论解释实验现象，阐述通电自感现象，并与学生一起探讨在断电时线圈会不会产生自感现象，理论推理的结果与现象矛盾，设下悬念，引出用数字化实验系统更精确地研究通断电自感现象.

（2）DIS演示实验——通断电自感现象.

图4

① 实验器材：两个电流传感器，数据采集器，计算机配套软件和通断电自感演示器，电脑及屏幕投影.

② 实验电路图：如图5.

③ 实验步骤：将两个电流传感器按实验电路接入电路中，断开开关S，开启数据采集器，打开DIS单击运行平台，待设备显示连接成功后，即可点击开始键，再闭合开关S和断开开关S，通过软件界面可观察到通断电时线圈中两电流变化的图线.

④ 实验图像：如图6.

⑤ 实验现象解释：用理论来分析DIS实验所得到的图像.当通电后，电流传感器2处的电流迅速增大到一个峰值，然后再稳定下来，而电流传感器1处的电流由于感应电动势的影响，推迟了电流达到稳定值的时间；当断电后，电流传感器1处的电流从原大小逐渐减小为零，电流方向不变，而电流传感器2处的电流方向立即反向，电流大小逐渐减小为零.经分析，断电后流过电流传感器2的电流不是原来电流，而是线圈中的感应电流.

图5

图6

5 让每节新课教学都有演示实验或学生体验活动

自我设计实验、自我制作实验器材，寻找替代视频或活动，让学生在观察分析和体验中获得知识，尽可能让实验现象的教学目的达到最优化.

利用身边的物品加强实验教学是一个可以大有作为的领域，它的发展将有利于加强实验的可见性、趣味性、探究性、开放性，拉近物理学和学生生活实际的距离，启发学生关心身边的事物，观察和体验身边常见的现象.

教学实践及案例5：探究曲线运动的速度方向.

我们根据教学内容，从学生的经验和体验出发，巧用学生所熟悉的简单的常见物品，设计出一些使学生富有亲切感、新奇感和趣味性实验，将会获得良好的教学效果.例如，在探究曲线运动的速度方向时我们可以取一个无色透明大的玻璃杯，找一个直径0.5cm左右的金属小球，用玻璃杯将金属小球扣在桌面上，用力晃动玻璃杯，使玻璃杯在桌面上做圆周运动如图7（a）.然后突然使玻璃杯静止在桌面上不动，但金属小球紧贴玻璃杯内壁快速做圆周运动.突然将玻璃杯拿起时，金属小球沿圆周切线飞出，在桌面上做直线运动如图7（b）.

此实验可重复多次.通过实验可以看到，金属小球在玻璃杯内做圆周运动时，小球运动到不同位置，将玻璃杯迅速拿起，小球将沿该位置的圆周切线飞出.这充分说明了“在曲线运动中，运动质点在某一点的瞬时速度的方向，就是通过该点曲线的切线方向”.此实验效果不错，深受学生的欢迎.教学实践及案例6：探究摩擦力的方向.

图7

在“摩擦力方向”判断的学习时，我们可以采用家用的毛刷子（毛尽可能长一些），让学生把刷子毛朝下使刷子在桌面上运动（或有相对运动趋势），滑动摩擦力（或静摩擦）的方向一目了然（图8（a））；而对于摩擦力中“相对运动的方向”的理解很多学生理解起来有点困难，但只要让同一组的学生把两把刷子如图8（b）所示摆放，并让它们运动就行了.这样学生只要观察刷子毛的方向即可.