凸显实验现象 化解教学难点

万立荣

（上海师资培训中心 上海 200234）

1 问题的提出

进入中学后，物理这门学科无论从学习者还是从授课者的角度来看，普遍都认为“难”.部分学生甚至在学习之前已经由于“道听途说”而产生了畏难情绪，尤其进入高中后，教师不避讳地告诫学生要加倍努力，否则可能很难对付物理这门学科.

任何学习都是一个认知的过程.认知心理学将认知过程看成一个由信息的获得、编码、贮存、提取和使用等一系列连续的认知操作阶段组成的信息加工过程［1］.如果认知的某个阶段出现不顺畅的情况，学习就会出现困难.物理学习为何对于中学生来说困难重重呢？从中学生的发展特点和物理学习的认知特点来看有以下几个原因.

2 物理学习困难的原因分析

2.1 缺乏感性认识储备

物理学习源自生活，学习和探究的对象为我们所处物质世界的一般规律.物理定律从物质世界中归纳得出，再应用到物质世界中去.因此，对物质世界具有一定的感性认识储备对物理学习来说至关重要.根据建构主义理论，这些感性认识既可帮助理解新的知识点，又可将其归于原有的知识结构中而加深印象，减小遗忘率.例如，学生在学习“作用力与反作用力”知识点之前先具备划船、溜冰、制作“水火箭”等感性经历，教师就很容易将新的知识点建立在原有的认知结构上.但目前由于家庭条件好，独生子女娇宠现象、学业负担重等种种原因，中学生大都缺乏生活经验的积累，没有储备足够的感性认识.

2.2 缺乏认识和分析科学现象的方法

根据物理学认知特点，物理学习不仅要求学生掌握相关的物理知识，更要求学生具备一定的物理思维方法.很多学生在知道物理概念和定律的情况下还是不会解题、解错题，实际上是因为他们没有掌握提取信息、分析现象、建模等一系列物理学习的思维方法.相对于物理知识这一显性的教学任务来说，教会并强化学生的物理思维方法这一隐性教学任务更能帮助学生解决学习物理困难的问题.

2.3 畏难情绪

学生对这门课的畏难情绪主要来自3方面.一是缺乏了解.物理对于学生来说是一门“新”学科，相对来说，他们对语文、数学、外语已经有过多年的学习经历.从心理学我们知道，对不了解的事物由于缺乏安全感容易产生惧怕.二是不良的心理暗示.从高年级学生、老师甚至家长那儿获得的有关物理的信息大多增加了学生的心理负担.三是对于物理思维方法部分的学习，学生普遍感到比单纯的记识类知识更难掌握.

从以上原因的分析中我们可知，要突破中学物理学习中的难点，首先应积极补充学生在感性认识储备上的缺口，其次是加强物理教学中思维方法的指导.感性知识包括物理现象、物理事实、典型物理过程等.这些知识的获得起源于观察，包括对自然界的观察和对实验现象的观察.根据物理教学的实际情况，实验观察由于其较少受自然条件的限制，可以通过控制实验条件来减少次要因素和偶然因素，突出主要因素，捕捉到生活中不易见的物理现象和典型过程，更能有效地帮助学生储备与物理学有关的感性认识，因此我们应该在物理教学中重视实验、做好实验.

3 凸显实验现象的有效策略

并不是所有的实验现象都显而易见.许多实验因为现象微弱或短暂而根本无法在学生头脑中留下深刻印象，导致学生对这一物理现象产生感性认识上的偏差.好的物理实验具有怎样的特征呢？（1）能让学生从实验所发生的诸多现象中抓住主要现象；（2）能让学生从表面现象中抓住较隐蔽的现象；（3）能捕捉住稍纵即逝的现象.总而言之，利用各种手段让物理现象凸显出来，让视觉、听觉或触觉等感官汇集起来的信息达到最大化是突破物理难点过程中关键的第一步.笔者从物理教学实践中总结了一些案例，尝试为达到以上目标提出一些具体策略.

策略1：巧用“增减”

难点1：在“摩擦力”的教学中，教师讲到“由于受到摩擦力的阻碍作用，木块在粗糙的桌面上逐渐减速至停止”，学生对于这一现象的疑问在于木块和桌面看上去并没有想象中的那么粗糙，为什么能阻碍木块的运动呢？摩擦力究竟有没有？怎么产生的？

实验设计：如图1，将一块木板上表面（代表桌面）和木块的下表面处理成凹凸不平，叠放在一起，呈“犬牙交错”状.让学生向前推动木块，感受“增大”后的摩擦力.学生很容易就理解了摩擦力的产生来源于粗糙的木板表面对木块的阻碍.

图1

图2

在此基础上再展示显微镜下桌面的图片，如图2所示.让学生理解看上去光滑的木块和桌面在放大后也能看到凹凸不平的现象，因此会产生阻碍物体运动的摩擦力.

难点2：在静摩擦的教学中，学生往往不会判断相对运动趋势的方向.例如静止在斜面上的木块有没有相对运动趋势？方向如何？

实验设计：

（1）将静止在斜面上的木块换成冰块，冰块沿斜面下滑.学生很容易从冰块的下滑方向悟出什么是斜面上静止物体的相对运动趋势及其方向.

（2）让学生体验手握冰块，感受到冰块下滑的相对运动趋势；观察加速前行的皮带轮上冰块滞后，减速前行时，冰块超前，匀速时冰块与皮带同步.体会皮带轮上的物体在这3 种情况下的相对运动趋势.

（3）归纳出用“假设光滑”来判断物体相对运动趋势的方法.

以上两个教学片段中分别应用了增大主要因素或减小次要因素的方法来凸显主要实验现象，帮助学生挖掘出隐藏在复杂现象中的物理事实，在学生头脑中形成深刻的感性认识，在此基础上建构新的物理概念或归纳新的物理方法.利用“增大”或“减小”更加清晰地显现物理现象的实验还有许多，如表1中所列.

表1 “增大主要因素”或“减小次要因素”凸显实验现象

策略2：巧用“调速”

物理实验中我们经常会碰到现象发生得太快而无法捕捉的情况.在这种情况下，我们需要对实验进行调速.

难点3：在学习波的叠加时，两个水波波峰的相遇过程不足1s，肉眼很难看清.

实验设计：

（1）对波的叠加过程进行现场录像，再慢速回放.

（2）讲解叠加原理时借助多媒体课件模拟波的叠加过程.

难点4：“两个物体在碰撞的瞬间究竟发生了什么”一直是学生头脑中模糊不清的问题.在此基础上学习弹性碰撞与非弹性碰撞就感到难以理解.

解决这个难点也可以借助慢速回放录像和多媒体课件.课件可以将两物体相互撞击的过程放慢和定格，让学生清楚地看到两个弹性碰撞的物体相互接触— 挤压— 形变— 形变逐渐恢复— 物体分离的全过程.

策略3：巧用“留迹”

难点5：理解单摆做简谐振动的运动图像.s－t图像是研究物体运动的常用方法，单摆运动的s－t图像为什么是正余弦图线，学生单凭想象很难将单摆的振动与其振动图像联系起来，如果从函数关系来解释对大多数学生来说数学基础还不够.

实验设计：

（1）如图3（a），用下端有小孔的沙摆代替单摆的摆动，当沙摆摆动一段时间后，漏出的沙在纸板上堆出中间少两端多的形状.引导学生思考产生这一现象的原因.

图3 沙摆实验

（2）如图3（b），将装满沙的沙摆再次摆动起来，同时匀速拖动下面的纸板，可以观察到纸板上形成正余弦形状的图样，再引导学生思考图像产生的原因，将其与单摆的振动图像作比较.

单摆在运动过程中平衡点处速度最大，两端速度最小.这一规律可以从力对运动的影响来加以分析，但学生无法亲眼看见，通过沙摆的“留迹”效果，让物体运动过程中无形的规律变成可以观察到的实验现象，给学生留下深刻的印象.第二个实验中再让纸板匀速前进，形象生动地演示出了振动图像的形成过程，化解了学生对抽象的图像难以理解这一难点.

策略4：巧用“对比”

难点6：电磁感应的学习中有一个磁性铁球穿过金属圆筒的小实验.由于磁铁与金属圆筒间产生感应电流后出现的相互阻碍作用，磁性铁球下落的速度变慢.但演示实验时有的学生提出分辨不出它的下落是否真正变慢.

实验设计：

（1）如图4所示，两个相同长度的金属圆筒，其中圆筒b上有一道很细的裂缝.让两个相同的磁性铁球从同一高度无初速度释放并分别穿过它们，引导学生观察和比较它们下落速度.

图4 验证楞次定律的演示实验

（2）再比较有裂缝的圆筒b中磁性铁球的下落速度与空气中磁性铁球的下落速度.

通过对比，实验现象被凸显出来，看上去穿过金属圆筒a的磁性铁球的下落速度确实慢了许多.而有裂缝的圆筒b中磁性铁球的下落速度与空气中的磁性铁球一样.说明磁性铁球只有在闭合的金属圆筒中才能产生电磁感应，使其下落运动受到阻碍.

策略5：巧用“替代”

难点7：演示实验中想让学生感知音叉发出两列相干声波产生的干涉现象，但当音叉敲响后，人耳无法听到音叉四周强弱相间的声音.即使让学生绕音叉环行一周来分辨声音有无强弱变化，也很难在课堂上有限的时间内让每位学生得以体验.

图5 声波的干涉演示实验

实验设计：如图5，将音叉固定在转盘的中心，麦克风固定在转盘边缘.敲响音叉后转动皮带轮上的转动手柄，让麦克风代替人耳绕行被敲响的音叉，再将监听到的声音放大了传出来，可以让全班学生同时听到声音产生明显的强弱变化，即声波的干涉现象.

波的干涉现象及其产生原理对中学生来说存在着较大的理解障碍，因为在他们已有的知识中很少有这方面的储备，因此成功演示实验对本难点的突破具有关键作用.以上实验设计清晰地展现了声波在干涉叠加后的强弱差别，给学生留下了深刻的印象.

在以上列举的策略中，巧用“增减”是对实验现象本身进行放大或缩小，其他各策略均是通过改变观察手段凸显实验现象.我们可以从这些案例的实验设计中得到启发，无论对书本上已有的传统实验还是教师个人创新实验，都可以站在观察者的角度，采用各种策略，通过某些细节的改变来凸显实验现象，从而调动学生的多个感官参与体验，在他们脑海里留下尽量深的痕迹.只有这样，实验才能真正达到构建学生感性认知，帮助学生理解新的概念、规律，化解物理学习难点的目的.

1 R·M·加涅著.学习的条件和教学论.皮连生，等译.上海：华东师范大学出版社，2007.69～78