基于演示实验的大学物理课堂教学策略研究

何　娟，韩修林，丁智勇

(阜阳师范学院 物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037)



基于演示实验的大学物理课堂教学策略研究

何娟，韩修林，丁智勇

(阜阳师范学院 物理与电子工程学院，安徽 阜阳 236037)

摘要：研究了物理演示实验在大学物理课堂教学中的应用模式，提出了基于演示实验的新课导入、概念建构、规律探究、应用拓展等环节的教学策略，并通过实例介绍了演示实验的教学方法，探寻了大学物理课程教学改革新举措。

关键词：物理演示实验；课堂教学；教学策略

以基础物理学为主要内容的大学物理课程，是面向高等学校理工科各专业开设的一门必修基础课。该课程在培养学生树立科学的世界观、提升学生分析和解决问题的能力、激发学生的探索精神和创新意识等方面，具有其他课程不可替代的作用。为规范大学物理课程教学内容，提高大学物理课程教学质量，《理工科类大学物理课程教学基本要求(2010版)》[1](以下简称《基本要求》)对大学物理课堂教学提出明确要求：“应充分利用演示实验帮助学生观察物理现象，增加感性知识，提高学习兴趣。大学物理课程的主要内容都应有演示实验，其中实物演示实验的数目不应少于40个。”

在大学物理课堂上引入演示实验对于提高教学质量有着显著的效果，这一做法也逐渐成为多数物理教师的共识，很多学校都在积极探索演示实验在课堂教学中的应用模式[2-5]。《大学物理》作为我校的精品课程，在进行教学改革的过程中，对演示实验在课堂教学中的应用策略进行了深入研究。根据物理学科性质和课堂教学规律，将大学物理新课教学分解成4个教学环节：新课导入—概念建构—规律探究—应用拓展，采取演示实验与教学环节相结合，深入挖掘演示实验的教学价值，通过不断的尝试和实践，已经取得了积极的成效并受到了学生的欢迎。

1基于演示实验的新课导入

导入是课堂教学的开端，也是新课教学的首要环节。古希腊哲学家柏拉图曾说过：良好的开端等于成功的一半。在课堂教学实践中，设计好新课导入的方式，对于新课教学的顺利开展至关重要。从课堂教学策略上看，新课导入的目的是为了调动学生的学习兴趣，将学生分散的注意力引入到教师设计的情景中，激发学生思考，活跃课堂气氛，为后续的新课教学起到良好的铺垫作用。新课导入的方式有多种，对于大学物理这门课程，利用演示实验进行新课导入是一种有效的教学策略。一方面，演示实验直观生动，可以增加学生的学习兴趣；另一方面，解释实验现象需要运用物理规律，这就可以激发学生的求知欲。作为新课导入环节的演示实验，在内容选取上主要看实验现象和演示效果，利用直观新颖甚至有悖常理的实验现象，调动学生的学习兴趣，引发学生的认知冲突，从而顺利导入新课，为新知学习奠定基础。

例如，在学习刚体重心这节新课时，用“锥体上滚”实验[6]作为新课引入的演示实验，如图1所示。实验中，学生看到圆锥体在重力作用下，居然能够自行从倾斜导轨的低端运动到高端，这就与人们日常生活的基本认知发生矛盾。为了解释该实验现象，需要学习新的知识，这便激发了学生的求知欲，为新课教学营造了良好的实验情景。事实上，圆锥体在上滚的过程中，因为两根倾斜导轨之间的距离不断增大，圆锥体的重心实际上是在下移的，这符合物体在重力作用下，重力势能总是朝着减小的趋势变化的规律。利用演示实验导入新课的例子还有许多，比如，利用傅科摆导入科里奥利力，利用伽尔顿板导入统计概率，利用李萨如图形导入互相垂直方向上的两个振动的叠加，利用牛顿环干涉实验导入光的等厚干涉等。

图1　锥体上滚演示仪

2基于演示实验的物理概念建构

物理学中，大多数概念都是从物理现象和事实中抽象出来的，如果概念没有理解透彻，那么建立在物理概念基础上的物理规律和物理公式就不能很好的掌握，更谈不上在实践中灵活运用，因此，概念教学是物理教学的基础。诺贝尔物理学奖获得者、美籍华人杨振宁先生在谈到物理学教学时指出：“很多学生在学习中形成了一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分。物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学概念都是从现象中来的，现象是物理学的根源[7]。”正因为物理概念源于物理现象，在进行物理概念教学过程中，利用演示实验，再现物理概念提出的事实基础，还原物理概念建立的本来面目，帮助学生弄清概念提出的背景，建立科学的物理概念，这是符合物理学科性质和学生认知特点的。

例如，在讲解转动惯量概念的时候，利用“如可夫斯基转椅”演示实验[6]，让学生亲身经历，直观理会转动惯量的概念。实验装置如图2所示，实验时，让学生坐在可绕竖直轴自由旋转的椅子上，双手握紧哑铃两臂平伸，利用外力使转椅转动起来，然后让学生收缩双臂，可以看到人和转椅的旋转速度明显增大。再让学生握紧哑铃两臂平伸，可以看到转速明显降低。这是因为当人收缩两臂的时候，对中心转轴的转动惯量减小，由于角动量守恒，角速度自然会增加。类似的演示实验很多，比如，利用皂膜实验来引入液体表面张力的概念，在介绍自感概念时引入通断电自感实验等。

图2　如可夫斯基转椅

3基于演示实验的物理规律探究

物理规律是物理学理论的核心，也是物理课堂教学的重中之重。回顾物理学家发现物理规律的艰辛过程，无不是从大量的科学实验和无数次探究过程中总结发现的。既然物理规律的发现源于科学探究，那么物理规律的教学终究离不开实验探究。在物理规律教学中，应该摒弃只重视规律应用而不重视规律发现过程的传统教学方式。利用演示实验，再现物理学家的经典实验，让学生经历探究过程，通过探究总结归纳得出物理规律。这样做既符合物理学科的特点，也符合学生的认知规律。学生通过自主探究得出的结论往往会理解的更加透彻，此外，通过探究也培养了学生实证的科学精神。

利用演示实验进行规律探究时，在实验内容设计上应该抓住主要矛盾，忽略次要因素，保证实验现象的可视性和实验的成功率，合理充分利用有限的课堂教学实践。例如，在进行法拉第电磁感应定律的教学中，利用3组典型的演示实验[8]，如图3所示，探究感应电流产生的规律：图3(a)中，1是永磁体，2是线圈，3是电流计。线圈与电流计构成闭合回路，当永磁体插入线圈时，电流计指针偏转，说明闭合回路中有感应电流产生；永磁体在线圈中不动时，电流计指针不偏转，说明此时闭合回路中无感应电流产生。用载有恒定电流的细长线圈4代替永磁体重做上述实验，见图3(b)，也能得到类似的结果。将细长线圈4放在线圈2中，见图3(c)，无论开关5处于闭合或断开状态下，电流计指针都不偏转，但在开关闭合或断开的瞬间电流计指针会突然偏转。以上实验在课堂上由教师和学生配合演示，根据实验现象可以总结得出电磁感应规律：当闭合电路的磁通量随时间变化时，会出现感应电流。为了进一步判断感应电流的方向，需要用到楞次定律。依然可再利用上述演示实验，但需要引导学生仔细观察永磁体1或载有恒定电流的细线圈4在“插入”和“拔出”线圈2时，电流计指针偏转的方向不同。图3(c)实验中，开关5“闭合”和“断开”的瞬间，电流计指针偏转的方向也不同。由此让学生总结判断感应电流方向的方法，即楞次定律的内容。利用演示实验进行物理规律的探究，揭示了物理规律的本质，深化了学生对物理规律的理解。类似地，可以引入滚摆实验来探究机械能守恒定律，利用弹性碰球实验来探究动量守恒定律，应用共振摆实验来探究共振规律等。

图3电磁感应演示实验

4基于演示实验的物理应用拓展

物理学源于生活又服务于社会，物理学和自然现象、人类的生产、生活以及科学技术进步紧密相连。介绍物理原理在生产生活实践中的应用与拓展是大学物理课堂教学的一部分[9]。在大学物理教学中渗透STS教育(科学Science、技术Technology、社会Society)，目的是让学生掌握物理学的基本概念和基本原理，了解这些知识的实用价值，并在学习中能够深刻理解科学、技术本身及其对人类和社会的影响，培养学生的科学意识、技术意识和社会意识，全面提高学生的科学素质[10]。利用演示实验，展示物理原理在生活中的应用，是课堂教学应用拓展环节的有效手段。

例如，在“驻波”课堂教学中，学生在了解了驻波的形成条件和特点之后，可以利用“鱼洗”实验，让他们利用所学的物理知识解释实验现象。鱼洗是中国古代盥洗用具，一般为铜制，形似现在的脸盆。盆底装饰是鱼纹的，称为“鱼洗”，如图4所示。从振动与波的角度来分析，双手摩擦铜耳时水面会激起浪花，原因在于双手来回摩擦铜耳时会使铜盆发生受迫振动，这种振动形式在水面上传播，遇到盆壁时会发生反射，反射波与入射波叠加便会形成二维驻波使水面激起浪花。这样的演示实验，既让学生巩固了所学知识，也让学生对驻波的应用从一维绳波拓展到了二维平面波。

图4　“鱼洗”演示仪

为了加深学生对驻波的理解，还可以引入火焰驻波的演示实验，如图5所示。火苗的高低变化可以直观地显示驻波的形态。老师可以提出问题：火苗最高点(最低点)是波节还是波幅？引发学生思考。通过学生的讨论和老师的引导，让学生了解到横波驻波和纵波驻波的区别，加深学生对驻波本质的了解。这样的应用拓展，既联系了实际，又在无形中培养了学生的爱国主义精神和民族自豪感，达到了课堂教学的目标。

图5　火焰驻波演示仪(学生自制仪器)

5结语

在进行大学物理课程教学设计时，要积极引导学生参与物理演示仪器的研制，鼓励他们参加挑战杯科技作品竞赛。这些活动既锻炼了学生的实践动手能力，又丰富了大学物理课堂演示实验的内容。此外，我校老师还牵头编写了《大学物理演示实验》一书[6]，为大学物理课堂演示实验提供了丰富的素材。诚然，教无定法，课堂教学的方法是多种多样的，大学物理教学质量的提高任重而道远，坚信在同行的共同努力下，大学物理课堂演示实验的内容会越来越丰富，大学物理课堂教学的质量也会越来越高。

参考文献:

[1] 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会．理工科类大学物理课程教学基本要求[M]．2010版．北京: 高等教育出版社，2011．

[2] 丁智勇, 倪致祥．文科物理中演示实验教学探索[J]．阜阳师范学院学报(自然科学版), 2009, 26(1): 75-77．

[3] 何娟，丁智勇．大学物理课堂演示实验与理工科学生能力培养[J]．阜阳师范学院学报(自然科学版), 2010, 27(4): 76-78．

[4] 陈惠敏, 石雁祥, 张承据．大学物理演示实验教学模式的探讨[J]．大学物理实验, 2007, 20(4): 95-99．

[5] 梁法库, 路峻岭, 汪荣宝．演示实验在大学物理教学中的积极作用[J]．物理与工程, 2002, 12(2): 28-30．

[6] 刘积学, 李爱侠, 袁洪春, 等．大学物理演示实验[M]．1版．合肥: 中国科学技术大学出版社, 2010．

[7] 杨振宁．杨振宁文集[M]．1版．上海: 华东师范大学出版社, 1998: 508．

[8] 梁灿彬, 秦光戎, 梁竹健．电磁学[M]．3版．北京: 高等教育出版社, 2012: 222-223．

[9] 王新练，杜亚冰，董海鹏, 等．大学物理教学的困境与思考[J]．安庆师范学院学报(自然科学版), 2012, 18(1): 104-107．

[10] 郭延生．渗透STS教育理念改革大学物理教学[J]．物理与工程, 2009, 19(3): 55-56．

Strategy to College Physics Teaching Based on the Demonstration Experiment

HE Juan，Han Xiu-lin，DING Zhi-yong

(School of Physics & Electronics Science, Fuyang Normal College, Fuyang，Anhui 236041, China)

Abstract:In this paper, the application mode of physical demonstration experiment in college physics teaching is investigated minutely. Based on the demonstration experiment, we propose the instructional strategies of the new class induct, concept construction, rule exploration and application expanding. Meanwhile, we probe the ideas of college physics course teaching reform by means of the teaching example of demonstration experiment.

Key words:physical demonstration experiment, classroom teaching, teaching strategy

文章编号：1007-4260(2016)01-0123-04

中图分类号：G.642

文献标识码：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.031

作者简介：何娟，女，安徽无为人，博士，阜阳师范学院物理与电子工程学院副教授，研究方向为量子信息、大学物理教学。E-mail:juanhe78@163.com

基金项目：阜阳师范学院教学研究项目(2012JYXM61)和阜阳师范学院基础教育研究项目(2012JCJY21)。

*收稿日期：2015-06-11

网络出版时间：2016-03-15 17:05网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.031.html