物理实验教学中贯彻直观性原则例析

唐素珍

摘   要：以具体的实例分析物理课堂教学中如何贯彻直观性原则。这些方法在教学实践中起到了积极的作用，变枯燥的理论为形象直观的课堂实验，使得课堂生动活泼，提高了教学效率。

关键词：中学物理;直观性;实验教学

直观性原则，是指在教学中通过学生观察所学事物，引导学生充分感知所学对象，使学生形成对所学事物、过程的清晰表象，丰富其感性认知，并在此基础上通过分析、概括形成概念、造成判断、进行推理，从而掌握物理规律。其主要是使抽象的知识、概念更为形象化、具体化，这样更容易让学生理解。

自从17世纪捷克教育家夸美紐斯提出“直观性原则”后，直观性原则就成为教学原则中不可缺少的一环。那么，如何在平时的物理教学中贯彻直观性原则呢？笔者认为：在教学中，最关键的是要突出实验的地位，落实以实验为主的教学手段的应用，具体可以从以下几个方面进行。

1  设计简单的随堂小实验

物理是一门建立在实验基础上的科学。一些随堂小实验可以很好活跃物理课堂氛围，激发学生的学习兴趣， 使学生获得感性认识，形成物理概念， 探索和验证物理规律。

比如，在“自感”中，设计了这样一个实验——千人震。用干电池，导线、开关、镇流器和几位做实验的同学连接成如图1所示的电路。在断开开关的瞬间，学生会有触电的感觉。此实验有惊无险，在学生为一节干电池的“威力”而疑惑不解时顺利进入新课教学。学生学习的积极性一下子调动起来，课堂气氛活跃。

比如，在“闭合电路欧姆定律”中，先用两节新的干电池对小灯泡供电，如图2，灯泡亮。然后换用六节旧的干电池做实验，引发学生认知上的冲突，激发学生对电路的结构进行思考，灯泡不但没有更亮反而更暗。通过新旧电池对比的小实验，感悟到电源有内阻，一个完整的电路是由外电路和内电路组成，从而引出闭合电路欧姆定律。这样处理就使得学生对电路的理解从感性认识上升为理性认识，使学生的思维发展从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡，让学生对闭合电路欧姆定律的认识更形象、鲜明、生动有趣，容易巩固该知识点。

再比如在“机械能守恒定律”一节中，为了说明动能和重力势能相互转化过程中的机械能守恒及守恒的条件，补充并改进了如下实验：用细线将小球悬挂起来并拉到A点，由静止释放小球。我们可以看到，小球释放后可以摆到跟A点等高的C点（在C处可固定一水平标尺，并把小球裹上一层棉布，将小球蘸上红墨水，当小球摆到C点时就会在标尺上留下印记，学生可以很直观地观察到小球摆到跟A点等高的C点），如图3甲。在某一点处用铁钉挡住细线，小球虽然不能摆到C点，但仍能到达跟A点等高的位置（操作方法与前面相同，小球在标尺上也会留下标记），如图3乙。通过这个改进实验学生获得感性认识，很容易理解到动能和重力势能相互转化过程中机械能守恒。在此基础上分析机械能守恒的条件也就水到渠成。

2  重视演示实验，并使其直观化

物理学是一门以实验为基础的学科，演示实验在教学过程中有很重要的作用。通过演示实验，学生可以建立丰富的感性认识， 才有可能真正理解物理概念， 认识物理规律。但做演示实验时，一定要注意直观性，一方面是要确保实验结果本身的明显性、明确性;另一方面，要让每一位学生都能观察到。

比如在“探究磁场对电流的作用力”一节中，课本设计的“铝箔天桥”小实验（如图4），将这个小实验进行设计并改进，通过问题串的形式，充分挖掘该实验在教学中的作用，很好地解决了安培力的概念、安培力的方向以及安培力的大小跟哪些因素有关的教学目标。具体实施如下：

实验1  引入安培力的概念

实验前先演示向下用力压天桥，天桥向下凹陷;向上用力顶天桥，天桥向上凸起。学生获得感性认识：天桥受力会发生形变。接着接通电路，不放置磁铁，天桥不动。最后放上磁铁，接通电路，天桥发生形变，说明磁场对电流有力的作用，从而引入安培力的概念。

实验2  探究安培力的方向

实验中先通过改变电流方向（保持磁场方向不变），可以观察到铝箔天桥由原来的向上凸起变为向下凹陷，说明安培力的方向与电流方向有关，记录磁场方向、电流方向、安培力方向（天桥的形变方向）三者间的关系。接着通过改变磁场方向（保持电流方向不变），一样可以得到结论：安培力的方向与磁场方向有关。同样记录磁场方向、电流方向、安培力方向（天桥的形变方向）三者间的关系，最后归纳总结出安培力的方向与磁场方向、电流方向、满足左手定则。

实验3  探究影响安培力大小的因素

实验中先控制其他条件不变，通过改变滑动变阻器接入电路的电阻来改变电路中的电流，观察天桥的不同形变，说明安培力的大小与电流大小有关;接着控制电流不变，通过改变蹄形磁铁的个数来观察天桥的不同形变，说明安培力的大小与磁场强弱、通电导体在磁场中的长度有关。

上述的三个分步实验，直观地展示了教学中的重难点，帮助学生形成科学的概念，从而更好地深化认识和运用知识，实现了教学目标。

为了使实验的可视性更强，用讲台上数字展台的摄像头对准示教板。特别是在安培力大小的定量探究实验中，摄像头对准自制教具的指针和标尺投影到大屏幕，全班同学都可以清楚地看到实验并进行数据处理。

还比如在“机械能守恒定律”的条件的推导及证明之后，学生对机械能守恒有了一定的认识，在学生经历了课本上荡秋千的例题的解答之后，笔者安排一个演示实验：在讲台上方的天花板上装一挂钩，挂钩上悬挂一条长约2.5 m的钢丝绳，下端挂一铅球，这就构成了一个单摆模型。将铅球偏离竖直方向拉开一个角度，并以一定的初速度送出重球，重球摆回并将墙上固定支架上的玻璃砸碎，然后再将摆球拉开一个角度于鼻尖处释放（一定要保证球从静止释放），人保持不动，重球摆回原位置，不会砸到人。这个演示实验让学生心惊肉跳，但又回味无穷，很好地验证了机械能守恒。具体形象的实验与抽象规律相结合，减少了学生理解机械能守恒这一抽象规律时的困难，同时有利于培养学生的观察能力、模型建构能力，以及抽象思维能力，促进学生更好地理解和巩固所学知识。

再比如在讲“波的形成和描述”时，学生对“机械波只是机械振动这种运动形式的传播，介质本身不会沿着波的传播方向移动”的理解存在一定的困难。为此，课堂上可以拿一根粗绳（大约5 m长），将一端固定，另一端用手握住，上下用力摇动绳子，学生可以非常清楚地看到沿绳传播的波，如果在绳上系一条红丝带，丝带只上下振动，并不随波前进。从而证明了“机械波只是机械振动这种运动形式的传播，介质本身不会沿着波的传播方向移动”。这样在学生获得直观感受后再来讲这一知识点就显得简单得多，学生对这一知识点的认识就从感性认识上升到理性认识，使学生对规律的理解更深刻。

3  演示实验分组做

学生看到演示仪器时，总是好奇地想要自己动手操作，为了把他们的这种好奇变成学习的动力，将一些演示实验安排成分组实验，收到不错的效果。

比如在“超重失重”一节中，学生对超重失重的本质认识上存在一定的困难。为此利用一条纸带设计一个分组小实验。让学生用纸带提着重锤，先是处于静止，而后迅速上提，纸带断了，然后抛出问题：纸带为什么会断？这样学生很容易就知道重锤的重力并没有变化，纸带之所以会断是因为纸带对重锤的拉力超过了重锤的重力，这样学生很轻松地就掌握了超重的本质。

教学中类似这样的实验还很多，游标卡尺、螺旋测微器、万用表的使用，这些都可以做为分组实验的资源。实践证明，分组小实验不但让学生动手操作实验，观察实验现象的同时又动脑思考实验的本质，这种学习方式更符合学生的认知规律，活跃了课堂气氛，同时也锻炼了他们的实验操作能力。

4  定性实验定量做

教材中的一些实验，有时只能解决物理量间的简单的定性关系，而对物理量间的函数关系却没办法做更深入的分析，这使得学生在认识物理量间的关系时有所欠缺，所以定量的实验分析就显得尤为重要。比如在“探究磁场对电流的作用”一节中，教材中安排的传统实验只能定性研究影响安培力的大小的因素。为此，在学生定性分组探究安培力大小的决定因素实验后，安排教师的DIS传感器定量实验（如图5）。

实验中利用控制变量法研究安培力F与电流I、通电导线的长度L的关系。数据采集上利用电流传感器和力传感器采集流经线圈的电流和线圈所受的安培力的大小，并利用DIS强大的数据处理功能，快捷灵敏地得出安培力的大小F随电流I的变化图像，图像是一条过原点的倾斜直线（如图6的直线），学生根据图像很直观地得到安培力的大小与电流成正比的结论。

接着通过改变放入磁场中的线圈的匝数来改变线圈在磁场中的长度L（由原来的100 匝变为200 匝），实验时仍然可以得到200 匝时安培力大小F与电流大小I成正比（图7中的直线1），分析对比两种情况下的F—I图像，发现200 匝的图像斜率是100 匝图像斜率的两倍，这是由于200 匝的线圈在磁场中的长度是100 匝的两倍。通过实验图像的分析学生就可以获得直观认识：安培力的大小与通电导体在磁场中的长度成正比。

这样将教材中的定性实验改成定量实验，让学生的感性认识上升到理性认识，对物理规律的认识更为直观到位。

我们的教学不但要教会学生掌握基本知识，更重要的是要培养学生靈活运用知识的能力、培养学生对知识的迁移能力，提高学生的思维和实践能力，从而提高物理学科核心素养。以实验为基础的直观教学就是我们做到这些的有效途径之一。