李　琳

(江蘇省泰州市姜堰區(qū)勵(lì)才實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇　泰州　225500)

初中物理演示實(shí)驗(yàn)的科學(xué)設(shè)計(jì)

李琳

(江蘇省泰州市姜堰區(qū)勵(lì)才實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇泰州225500)

摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，教師對演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，可以幫助學(xué)生理解并應(yīng)用物理知識，對學(xué)生的課后學(xué)習(xí)或動(dòng)手實(shí)驗(yàn)也有一定的啟發(fā)作用.

關(guān)鍵詞：初中物理；演示實(shí)驗(yàn)；科學(xué)設(shè)計(jì)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，初中物理實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用尤其重要.通過物理實(shí)驗(yàn)，可以檢驗(yàn)真理，使理論在實(shí)踐中得到應(yīng)用，幫助學(xué)生解決心中的疑團(tuán)，這是其他教學(xué)方式或教學(xué)手段都無法替代的.

俗話說，教師是學(xué)生的楷模與榜樣，是學(xué)生的引路人.演示實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)中就起到“引路”的作用.演示實(shí)驗(yàn)是指在課堂上主要由教師示范操作，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察和思考，以達(dá)到一定教學(xué)目的的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式.演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生提供感性認(rèn)識材料，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生思考，從而形成科學(xué)概念和規(guī)律.教師做好演示實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生接受并理解物理知識很有幫助，對學(xué)生的課后動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作也有一定的啟發(fā)作用.演示實(shí)驗(yàn)要想取得成功或提高課堂教學(xué)效果，教師必須在演示前做好充分的準(zhǔn)備，確保萬無一失.

1演示實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作要充分

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要以科學(xué)的實(shí)驗(yàn)原理為依據(jù)，明確實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，能預(yù)測整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中可能會(huì)生成的一些問題，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、明顯，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程具有可操控性.

1.1實(shí)驗(yàn)原理的闡釋

實(shí)驗(yàn)原理是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的靈魂.只有理解了實(shí)驗(yàn)原理，才會(huì)避免實(shí)驗(yàn)過程中的隨意性、盲目性，才會(huì)更好地掌握實(shí)驗(yàn)的操作流程，才會(huì)進(jìn)行真正的探究性實(shí)驗(yàn).否則，一切操作都是徒勞，勞而無功，既沒有學(xué)到知識，又浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間.所以，教師一定要闡釋清楚每個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理，并讓學(xué)生弄清楚各個(gè)原理之間存在的聯(lián)系.

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的明確

從知識與技能、過程與方法等方面明確實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，這對完成教學(xué)任務(wù)、提高教學(xué)效率有著重要的作用.當(dāng)然，這對學(xué)生形成敏銳的觀察力、把握思維的層次性、培養(yǎng)學(xué)生的操作能力也很有幫助.

1.3實(shí)驗(yàn)問題的預(yù)設(shè)

在做演示實(shí)驗(yàn)前，精心備課的教師肯定會(huì)對每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)中可能出現(xiàn)的問題都會(huì)提前一一羅列出來，能對產(chǎn)生的問題做出相應(yīng)的解釋.到底是由于實(shí)驗(yàn)器材的不夠精密產(chǎn)生的問題，還是由于操作過程的不嚴(yán)密產(chǎn)生的問題，都要在教師的掌控之中.這樣，在面對學(xué)生撲面而來的問題時(shí)，才會(huì)應(yīng)對自如，做到胸有成竹.

例如，在蘇科版八年級物理下冊課本第六章“測量水的密度”實(shí)驗(yàn)中，盡管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)盡可能地精確，計(jì)算水的質(zhì)量與體積的比值(即水的密度)并不是“1.0×103kg/m3”.這是怎么回事？如果有的教師真的不知道這個(gè)原因，憑他的教學(xué)智慧，會(huì)告訴學(xué)生可能是由于實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的結(jié)果，這樣也能消除學(xué)生心中的疑惑.其實(shí)，真正的原因并不是這樣.水具有這樣的特性：在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，等質(zhì)量的水在4℃時(shí)體積最小，密度最大；水溫在4℃以上時(shí)，體積變大，密度變小，叫熱脹冷縮；水溫在4℃以下時(shí)，體積也變大，密度變小，叫熱縮冷脹.在實(shí)驗(yàn)過程中，溫度會(huì)影響水的體積，使水的密度發(fā)生一定的變化，所以水的密度不是1.0×103kg/m3那就不足為奇了.教師這樣給學(xué)生闡述理由時(shí)，才會(huì)真正地解決學(xué)生心中的疑惑.

總之，只有充分理解并掌握實(shí)驗(yàn)原理，明確實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，能從容不迫地應(yīng)對學(xué)生提出的問題，才能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)者在科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的主體作用.

2演示實(shí)驗(yàn)的器材設(shè)計(jì)要巧妙

在做演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)器材是映入學(xué)生眼簾的第一要素.該演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芊窦ぐl(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，實(shí)驗(yàn)器材功不可沒.所以，教師在選“材”上要多花功夫.

2.1器材的選取和設(shè)計(jì)要簡潔

演示實(shí)驗(yàn)器材選取得當(dāng)，不僅可以降低操作過程的繁瑣性，還可以讓學(xué)生一目了然地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再細(xì)致入微地深入觀察、研究.否則，實(shí)驗(yàn)操作麻煩，程序繁多，會(huì)讓學(xué)生看得眼花繚亂，找不出關(guān)鍵的現(xiàn)象和主題，使學(xué)生逐漸地對實(shí)驗(yàn)失去興趣，甚至對物理的學(xué)習(xí)產(chǎn)生排斥心理.

例如，在蘇科版九年級物理上冊課本第十三章“探究并聯(lián)電路特點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)中，可以選擇圖1和圖2的兩個(gè)電路圖去研究開關(guān)的作用，而不選擇圖3.

初三學(xué)生剛剛接觸電路方面的知識，對電路只有很淺顯的認(rèn)識.將開關(guān)先按圖1電路接在干路中，開關(guān)通斷時(shí)會(huì)看到很明顯的現(xiàn)象；再將開關(guān)按圖2電路接在某一支路中，開關(guān)通斷時(shí)也會(huì)看到很明顯的現(xiàn)象.可是，如果直接根據(jù)電路圖3進(jìn)行探究，他們會(huì)覺得電路圖很復(fù)雜，操作起來也很困難，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也容易發(fā)生錯(cuò)亂.可見，器材的選取和設(shè)計(jì)非常重要.

2.2創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材

通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能獲取感性知識，并能培養(yǎng)學(xué)生觀察力、創(chuàng)新能力.如果教師在課本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，會(huì)使學(xué)生的創(chuàng)新思維能力得到更好地發(fā)展，使學(xué)生逐步變成創(chuàng)新型人才.

圖4

譬如，在蘇科版八年級物理下冊課本第十章“大氣壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)中，可以利用圖4所示實(shí)驗(yàn)來代替課本中的“覆杯實(shí)驗(yàn)”.首先，用手指封住瓶蓋上的小孔，倒過來，裝上部分水.然后，用一張紙貼在底部，用另一只手托住，倒轉(zhuǎn)過來，松開這只手，會(huì)發(fā)現(xiàn)紙和水都沒掉下來.這就證明了大氣壓強(qiáng)的存在.最后，再將封住小孔的那只手指移開時(shí)，紙和水迅速掉下來了，再次說明了大氣壓強(qiáng)的存在.松開封住小孔的那只手指時(shí)，有空氣進(jìn)入了瓶內(nèi)，向下的大氣壓強(qiáng)和向上的大氣壓強(qiáng)相互抵消，紙和水在重力作用下運(yùn)動(dòng)而下落.這個(gè)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的好處在于，可以有效地消除學(xué)生頭腦中“由水的粘性吸住紙”的這個(gè)想法.當(dāng)然，我們也可以將課本中的玻璃瓶改成塑料瓶，再在塑料瓶的底部戳一個(gè)小孔，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，也能起到一樣的效果.教師改進(jìn)教學(xué)器材后，既能利用演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證真理，又通過一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，更有利于學(xué)生科學(xué)概念的建構(gòu).

2.3取“材”源于生活，貼近生活

圖5

筆者在備“動(dòng)能與勢能之間相互轉(zhuǎn)化”的作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有一道題目是這樣的：“為探究能量轉(zhuǎn)化，小明將小鐵塊綁在橡皮筋中部，并讓橡皮筋穿入鐵罐，兩端分別固定在罐蓋和罐底上.實(shí)驗(yàn)裝置做好后讓它從不太陡的斜面上滾下，發(fā)現(xiàn)橡皮筋被鐵塊卷緊了，接著鐵罐居然能從斜面底部自動(dòng)滾上去！其中能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？”這是一道知識應(yīng)用題，學(xué)生要有一定的知識遷移能力，否則，很難將動(dòng)能、重力勢能和彈性勢能三者之間的相互轉(zhuǎn)化情況弄得非常清楚.如果不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，僅憑借抽象思維和邏輯推理，很難分析透徹三個(gè)能量之間是如何相互轉(zhuǎn)化的.在課堂上評講這道題目時(shí)，筆者就利用自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置(如圖5所示)，當(dāng)場操作了一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯，實(shí)驗(yàn)剛結(jié)束，學(xué)生就把這道題做出來了.學(xué)生們很受啟發(fā)，都紛紛向筆者“取經(jīng)”，問是怎么做的？筆者告訴他們：用一個(gè)易拉罐(兩底掏空)、兩根橡皮筋和一把小鎖，就做成了這個(gè)“魔力罐”.同時(shí)，筆者還鼓勵(lì)學(xué)生盡量用生活中的一些物品進(jìn)行改造，變“廢”為寶，對于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、開發(fā)智力，提高動(dòng)手能力和增加學(xué)習(xí)物理的興趣都有很大的促進(jìn)作用.

所以，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)或改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材，不拘泥于課本中的實(shí)驗(yàn)器材，可以提高實(shí)驗(yàn)的可操作性，不僅增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性，還會(huì)引起學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望，使學(xué)生從對實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，為向社會(huì)輸送全面發(fā)展的人才做好鋪墊.

3演示實(shí)驗(yàn)的方法要得當(dāng)

在不同實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們可以采用不同種教學(xué)方法.在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師的實(shí)驗(yàn)方法是否得當(dāng)至關(guān)重要，直接影響著學(xué)生知識的建構(gòu)過程，甚至影響著學(xué)生的發(fā)展.

3.1學(xué)生演示

對于一些較簡單的實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生到教室前面進(jìn)行演示，一個(gè)人或兩個(gè)人合作演示，其他人注意觀察.通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)會(huì)正確地測量、觀察、讀數(shù)或記錄.學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中，始終保持著主動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，既培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的技能和思維能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的精神.

3.2教師演示

對于一些較復(fù)雜的或安全性不高的實(shí)驗(yàn)，教師要講解清楚本實(shí)驗(yàn)有哪些危害，并勸誡學(xué)生課后盡量不要模仿.比如，在講酒精燈的正確使用時(shí)，為什么不能用一個(gè)酒精燈去引燃另一個(gè)酒精燈，萬一酒精灑到桌面上并燃燒了起來，該怎么辦？這些實(shí)驗(yàn)操作，教師一定要親力親為，否則會(huì)造成不良后果.

3.3師生互動(dòng)演示

師生互動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)是教師與學(xué)生實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的一種方式，主要由教師操作，學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的樂趣.學(xué)生會(huì)從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，利于知識的生成、各種學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng).比如，在講《電磁感應(yīng)》這一節(jié)時(shí)，利用旋轉(zhuǎn)微風(fēng)扇的葉片進(jìn)行發(fā)電，可以將發(fā)光的二極管取下，讓學(xué)生用手指接觸微風(fēng)扇插頭的兩腳.膽大的學(xué)生“試觸”之后，會(huì)有“觸電”的感覺.這種零距離的接觸，會(huì)給學(xué)生留下非常深刻的印象，滿足了學(xué)生的好奇心，增強(qiáng)了他們學(xué)習(xí)物理的興趣.

3.4利用現(xiàn)代教育技術(shù)演示

(1) 利用多媒體演示

教育心理學(xué)研究表明：人獲取的外界信息中，83%來自視覺，11%來自聽覺，3.5%來自嗅覺，1.5%來自觸覺，1%來自味覺.顯然，增加視覺、聽覺信息量是獲取信息最可取的方法，多媒體手段恰好在視覺、聽覺效果方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢.

在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，難免有些實(shí)驗(yàn)很難操作、可視性不強(qiáng)，教師就可以因地制宜地利用課件中的Flash動(dòng)畫等展示這些實(shí)驗(yàn)過程.

有些實(shí)驗(yàn)器材體積很小，教師在演示過程中，坐在教室中間靠后的學(xué)生根本無法看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.教師可以利用展臺將實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全程投影，在放大實(shí)驗(yàn)器材的基礎(chǔ)上，照顧到了全班所有的學(xué)生，讓每個(gè)學(xué)生都能同時(shí)看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行下一步的分析與研究.

另外，教師在講解光學(xué)知識時(shí)，還可以利用投影儀的燈光做一些與“光”有關(guān)的實(shí)驗(yàn).譬如：在講《光的直線傳播》這一節(jié)時(shí)，可以利用投影燈光在屏幕上做出不同形狀的影子，來幫助學(xué)生理解“光在同種均勻介質(zhì)中是沿著直線傳播的”.在做“光的色散”實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以將太陽光經(jīng)過三棱鏡折射出的多種色光投射到屏幕上.不僅彌補(bǔ)了演示實(shí)驗(yàn)的缺陷或不足，還拓寬學(xué)生的知識層面，陶冶學(xué)生情操，大大地提高了教學(xué)效率.

(2) 利用DIS實(shí)驗(yàn)演示

DIS結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過各類傳感器采集到的各種具有模擬特征的實(shí)驗(yàn)量轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)接受的數(shù)字量.那些想做而沒法做的實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象幾乎無法捕捉得到的實(shí)驗(yàn)，完全可以利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行探究.

例如，在探究“作用力與反作用力”實(shí)驗(yàn)中，課本中的實(shí)驗(yàn)有幾個(gè)很有意思.其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)是這樣的：一個(gè)小孩穿著旱冰鞋推墻壁，墻沒動(dòng)，小孩反而被反推出去了.墻壁受到小孩的推力但沒動(dòng)，小孩動(dòng)了，是因?yàn)槭艿綁Ρ趯λ耐屏?這樣，只能知道兩個(gè)力方向是相反的，很難知道兩個(gè)力的大小是相等的及作用力與反作用力的其他特點(diǎn).所以，我們就可以利用DIS實(shí)驗(yàn)，很清楚地反映作用力與反作用力的所有特點(diǎn).

如圖6所示，兩個(gè)力可以分別用兩列曲線來表示.作用力與反作用力的大小、方向關(guān)系，兩個(gè)力是同時(shí)產(chǎn)生、同時(shí)消失的特性一目了然.

圖6

當(dāng)然，DIS實(shí)驗(yàn)還有其他功能，如圖像的擬合，或針對其中一部分圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析等等.由于DIS實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)采集和分析處理方面具有強(qiáng)大的功能，因而可以節(jié)省時(shí)間，并進(jìn)行對比或跟蹤觀察，了解某一物理量的變化過程.通過DIS實(shí)驗(yàn)，既可以拓展演示實(shí)驗(yàn)的深度，又增加了演示實(shí)驗(yàn)的說服力和可信度，提高了教學(xué)效率，更重要的是給教師和學(xué)生提供了探究科學(xué)的良好環(huán)境，為學(xué)生今后更好的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件.

4規(guī)律的得出要科學(xué)

通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析，能夠很自然地得到所要的物理規(guī)律.通過演示實(shí)驗(yàn)，從觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，分析與歸納，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，最終得到科學(xué)規(guī)律.不僅是對剛剛實(shí)驗(yàn)的肯定，又為接下來的實(shí)驗(yàn)或探究提出的新問題做好鋪墊.

著名教育家波利亞曾指出：“獲取知識的最佳途徑是自己的體驗(yàn)，因?yàn)樽陨眢w驗(yàn)最清楚，也最容易得出其中的內(nèi)在規(guī)律、性質(zhì)和聯(lián)系.”親歷實(shí)驗(yàn)的演示，既給自己一個(gè)鍛煉的機(jī)會(huì)，又給他人一個(gè)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì).在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，演示實(shí)驗(yàn)的科學(xué)設(shè)計(jì)不僅會(huì)提高教學(xué)效果，而且還會(huì)激發(fā)學(xué)生的求知欲，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的積極性和學(xué)習(xí)興趣.要使演示實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谡n堂上成功地進(jìn)行，除了在課前做好充足的準(zhǔn)備，教師還必須掌握科學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)的基本技能和基本方法，具備實(shí)驗(yàn)演示的科學(xué)素養(yǎng)，認(rèn)真進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的探究與設(shè)計(jì).

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