姚 杳,梅仂盈，呂俊鵬，劉宏微

(1.東南大學 a.物理學院；b.吳健雄學院，江蘇 南京 211189；2.南京師范大學 物理與技術(shù)學院，江蘇 南京 210023)

物理專業(yè)知識的學習一直都被很多人認為難度較大、挑戰(zhàn)度較高. 對于物理基礎(chǔ)薄弱的學生來說，對物理知識的學習、理解和把握會略顯晦澀難懂. 物理演示實驗是物理教學中的重要手段，不僅是受眾循序漸進學習物理知識的重要途徑，更是引導(dǎo)學習者更好把握物理知識結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié). 作為物理知識傳輸?shù)闹匾ぞ?，演示實驗可以將抽象的物理概念進行可視化重組，從而更好地幫助學習者理解和掌握復(fù)雜理論知識中涉及的物理原理.

1 物理演示脫口秀的意義

脫口秀通常指一種廣播或電視節(jié)目，其表現(xiàn)形式為觀眾聚集在一起討論主持人提出的話題[1]. 近幾年脫口秀在中國發(fā)展迅速，逐漸發(fā)展為類似于相聲的語言藝術(shù). 一般脫口秀要求表演者具備流利的表達能力、幽默風趣的表演風格以及與聽眾間保持良好的互動性.

物理演示脫口秀指將物理演示實驗以脫口秀的形式為載體與學生互動式教學. 演示者融合脫口秀主持人的特點，與學生高頻互動，利用預(yù)測、觀察、解釋(predict， observe and explain, POE)的教學策略進行物理實驗的演示[2]. 在近幾年的教學實踐中，脫口秀作為物理演示實驗教學中的新穎的形式深受廣大學生的喜愛. 脫口秀式的物理演示實驗教學以知識受眾為主體，用幽默的知識傳授形式把單向知識輸出的教學模式轉(zhuǎn)變?yōu)檩p松愉悅的互動式課堂教學，師生間形成良好的互動. 物理演示脫口秀關(guān)注學習者的性格特點和已有知識儲備水平，用風趣幽默的語言、淺顯易懂的表達、靈活多變的創(chuàng)新授課賦予物理演示實驗新的生命力，并且可推廣到大眾科普中，提升科學知識的民眾可接受程度和社會普及率.

1.1 激趣促行——提高學習主動性

在傳統(tǒng)的演示實驗教學中，學生常常作為受眾被灌輸所演示的實驗現(xiàn)象. 建構(gòu)主義教學觀認為，學生應(yīng)當通過積極建構(gòu)學習新知識，而不只是被動地接受或者照搬從教師或課本中獲得的知識[3]. 缺少思維互動的物理演示實驗導(dǎo)致受眾對知識普及失去興趣. 物理演示脫口秀作為新型的科普方式將脫口秀與物理演示實驗有機結(jié)合，提升了演示實驗教學的互動性，并且改善了知識傳授過程中的學習氛圍. 它不拘泥于把受眾僅作為觀看者，增加了受眾的表達和參與機會，使枯燥無味的單向演示實驗變成互動式演示實驗，達到寓教于樂、寓教于思的教學效果.

1.2 去偽存真——提高受眾的科學理性

在科技發(fā)展日新月異的時代，飛速傳播的信息在推動社會進步的同時也帶來了謠言和“偽科學”的傳播. 物理演示脫口秀作為“親民”的科普教育，能夠提升科普活動對民眾的吸引力. 通過生動形象的語言和簡潔直觀的實驗現(xiàn)象進行科學普及，讓“偽科學”無處遁形，這種“接地氣”的科普方式對提升國民素質(zhì)和受眾的科學理性有著積極的促進作用. 2016年5月30日，習近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會上指出：“科技創(chuàng)新、科學普及是實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置.”物理演示實驗在科學普及中扮演重要角色，如何增強物理演示實驗的民眾接受程度，從而發(fā)揮其重要作用，是科研、教育工作者應(yīng)該考慮的實際問題.

2 物理演示脫口秀的設(shè)計

演示實驗的設(shè)計是決定物理演示脫口秀效果的重要環(huán)節(jié). “動腦思考”與“動手實踐”相結(jié)合、調(diào)動受眾的積極性是設(shè)計演示實驗需要考慮的2個重要因素. 物理演示脫口秀的設(shè)計通常包含選題、開展形式、演示方式3個主要方面. 脫口秀的設(shè)計需要遵循“3W”原則，即：Who，如何根據(jù)物理演示脫口秀的受眾來確定選題？What，物理演示脫口秀應(yīng)該采取什么樣的表現(xiàn)形式？How，如何進行物理演示脫口秀？

2.1 物理演示脫口秀的選題——Who

研究表明，注重教學內(nèi)容、教學方法和學生三者的適配性，使教學與學生的認知發(fā)展水平相適應(yīng)，是一種有效的促進學生學習的方法[3]. 物理演示實驗的選題應(yīng)當充分考慮學生的認知、接受和理解的能力，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計適合觀眾的實驗. 對于3～8歲的學齡前兒童和低年級小學生來說，他們的注意力較容易分散，尚未掌握基礎(chǔ)物理概念，無法理解深層的物理知識，對枯燥無味的演示實驗很難產(chǎn)生興趣. 因此物理演示實驗的設(shè)計應(yīng)當貼近于生活，其選題可以從生活中隨處可見的物理現(xiàn)象入手. 演示者應(yīng)該盡量選擇物理原理通俗易懂，現(xiàn)象有趣、直觀的實驗，以吸引受眾的注意力，提高受眾對物理學習的興趣. 對于9～15歲的高年級小學生和初中生來說，他們具有一定量的物理知識儲備，初步形成對簡單的物理模型和架構(gòu)的認識. 基于此，演示實驗的選題可依據(jù)學生當前所學的知識相應(yīng)設(shè)計，鼓勵他們用在課堂上學到的物理知識解釋物理現(xiàn)象,解決日常生活中遇到的問題. 對于16歲以上的中學生來說，他們已經(jīng)掌握了基礎(chǔ)物理知識，物理脫口秀的設(shè)計可以分階段展示復(fù)雜的物理現(xiàn)象，從而幫助他們深入理解物理學的概念. 物理演示脫口秀在提高課堂趣味性的同時也能調(diào)動學生學習的積極性，從而提高實驗的演示效果.

2.2 物理演示脫口秀的表現(xiàn)形式——What

傳統(tǒng)的物理演示實驗通常以單一的展示形式進行演示，演示者通過單向的實驗展示向受眾科普物理知識. 改進的實驗演示需要實現(xiàn)形式上的多樣化，要求根據(jù)實驗內(nèi)容、受眾規(guī)模和年齡特征采用不同的表現(xiàn)形式開展實驗演示.

對于較低年齡階段的聽眾來說，可以通過木偶劇、話劇、魔術(shù)和動畫片等形式開展實驗演示. 在物理演示脫口秀中以故事情節(jié)貫穿，加強物理脫口秀的觀賞性，更能吸引小朋友們的注意力，以達到比較好的展示效果. 調(diào)查顯示，約有95%的學生認為科普情景劇的形式比傳統(tǒng)的教學方法更加深刻[4]. 除此之外，在觀眾規(guī)模比較小的演示實驗脫口秀中也可以加入科普玩具DIY設(shè)計等環(huán)節(jié)，將“動腦思考”與“動手實踐”相結(jié)合，加深受眾對實驗原理的理解.

對于有一定物理基礎(chǔ)的受眾來說，實驗演示可以以小組合作、小組辯論、科普論壇等形式展開. 在演示者展示實驗現(xiàn)象之前，讓學生開展組內(nèi)討論，預(yù)測實驗現(xiàn)象. 在實驗演示過程中，讓學生充分參與實驗，通過合作的方式得到實驗結(jié)果. 觀察實驗現(xiàn)象后，讓學生開展組內(nèi)討論并嘗試解釋實驗現(xiàn)象. 主動參與的演示方式給予學生更多動腦思考的機會和空間. 多場合實踐表明，學生在參與過程中，更容易主動問出“為什么”，從而引導(dǎo)自己思考其中涉及的物理原理.

2.3 物理脫口秀的演示方法——How

在傳統(tǒng)的物理演示實驗中融入脫口秀元素的目的是豐富演示實驗的展示形式以及增強觀眾的主動參與性. 一場成功的脫口秀需要演示者有扎實的語言功底和富有張力的舞臺表現(xiàn)力，能通過輕松幽默的語言讓物理演示的過程變得輕松且愉悅. 而互動性是脫口秀中必不可少的關(guān)鍵元素. 在傳統(tǒng)的物理演示實驗中，學生通常作為被動的受眾觀察實驗現(xiàn)象，缺少主動思考. 研究結(jié)果表明，互動性的演示或者教學往往更加有效，更能調(diào)動受眾的參與感，提高受眾的注意力[5-6]. 脫口秀元素的引入，可以大幅增加與受眾的互動次數(shù)，在調(diào)動現(xiàn)場氣氛的同時使實驗的演示更具有交互性. 為了加強受眾的主動思考，演示者可以采取POE的教學策略[2]. POE在實驗演示中的應(yīng)用主要有6個階段：

1)演示者在介紹完相關(guān)實驗的基本背景之后，在實驗演示之前發(fā)起提問.

2)小組討論，讓受眾對實驗現(xiàn)象作出預(yù)測.

3)組間交流，討論各組預(yù)測結(jié)果的異同之處，并對其作出解釋.

4)演示者演示物理實驗，展示現(xiàn)象.

5)組織受眾反思，對比預(yù)測結(jié)果與實驗現(xiàn)象.

6)講解演示原理，并對預(yù)測結(jié)果和實際情況有出入的想法做出合理解釋.

與傳統(tǒng)的演示實驗相比，POE演示方法增加小組討論、結(jié)果預(yù)測和自我反思環(huán)節(jié)，在提高受眾參與積極性的同時也給予學習者更多思考與交流的空間. 受眾對實驗結(jié)果的預(yù)測及與組員交流有助于拓展其思維. 受眾的獨立思考可幫助他們建立屬于自己的完整的解決問題的知識體系.

為了實現(xiàn)“動腦思考”與“動手實踐”相結(jié)合，可以在POE基礎(chǔ)上增加動手參與環(huán)節(jié)，讓受眾在實踐中加深對實驗原理的理解. 除了參與到實驗之外，還可以鼓勵受眾對原本的演示實驗進行拓展改進，預(yù)測并驗證改進后的實驗與原實驗之間的區(qū)別并解釋原理，有助于提升受眾在主動思考、動手實踐、解決問題等方面的主觀能動性.

3 部分成功的示例

3.1 隔空移物——浮沉子

本實驗的主要受眾為物理啟蒙階段的兒童. 目的為將阿基米德原理形象具體化，引導(dǎo)受眾觀察日常生活中與浮力相關(guān)的物理現(xiàn)象.

實驗器材盡量源于日常生活，主要有礦泉水瓶、小包番茄醬和水等. 器材簡單，觀眾在實驗結(jié)束后可以自己進行復(fù)現(xiàn). 圖1為實驗中的番茄醬浮沉子示意圖和實物圖.

將番茄醬放入裝滿水的礦泉水瓶中,擰緊瓶蓋,如圖1(a)所示，輕輕擠壓瓶體，瓶中的番茄醬緩緩地下沉至如圖1(b)所示位置；進一步增大對瓶側(cè)面的壓力，番茄醬將繼續(xù)下沉直至瓶底，如圖1(c)所示，實物圖如圖1(d)所示. 手松開瓶子，番茄醬將迅速上升到瓶的頂部，恢復(fù)到圖1(a)狀態(tài)，實物圖如圖1(e)所示.

(a) (b) (c)

(d) (e) 圖1 番茄醬浮沉子示意圖與實物圖

實驗演示時，演示者可以適當加入“魔術(shù)”“隔空移物”等演示技巧，使得瓶中的番茄醬就像被演示者用“魔法”控制，可以隨意上下浮沉. 這種情況下，觀眾的注意力會被充分吸引并迫切希望了解真相. 此時演示者可利用提問和引導(dǎo)思考的方式進行解密，解釋其中涉及的物理知識.

演示結(jié)束后，要進行物理原理的講解與驗證. 為了增強可觀測性，設(shè)計了透明滴管浮沉子，如圖2所示. 滴管為軟塑料材質(zhì)，兩端密封，管內(nèi)裝有有色液體，未裝滿液體部分為空氣，如圖2(a)所示. 演示時擠壓瓶體，壓力通過水施加到塑料滴管上，由于壓力增大，管中的空氣體積變小，觀眾觀察到管中的有色水位上升. 由于空氣體積的變小，滴管總體密度增大，當總體密度大于水的密度時，滴管緩緩沉入瓶底，如圖2(b)所示. 可以看出自由狀態(tài)下的透明滴管中的綠色液體未達到紅線，在擠壓瓶身后綠色液體上升到紅色水位線處.

此實驗可演變拓展，其一如圖3所示. 在2個相同的塑料滴管中封裝不同體積的有色液體，如圖3(a)所示. 演示者提問：哪個塑料滴管會先下沉？經(jīng)過思考和討論，以及演示驗證之后，受眾可以由體積壓縮密度增加的概念拓展到空氣相對于液體更容易被壓縮，因此有色液體較少的塑料滴管總體密度增加幅度更大，該滴管會先下沉，如圖3(b)所示.

(a) (b) 圖2 透明滴管浮沉子實物圖

(a) (b) 圖3 透明滴管浮沉子對比實驗示意圖

拓展實驗2：利用橢圓形截面的塑料水瓶進行反向拓展，演示初始狀態(tài)為沉于瓶底的番茄醬浮沉子的運動規(guī)律[圖4(a,b)]. 擠壓瓶體，番茄醬會從瓶底上升到頂部[圖4(c,d)]. 這與之前實驗的現(xiàn)象完全相反，演示者可引導(dǎo)受眾開展原因探索與討論. 在對水瓶的底部截面進行展示后，進行原理講解.

(a) (b)

(c) (d) 圖4 反向浮沉子實驗示意圖

當沿長軸方向向內(nèi)擠壓橢圓形的塑料瓶時，橢圓會向圓形轉(zhuǎn)變，番茄醬受到水的壓力會逐漸變小，番茄醬中的空氣體積增加，導(dǎo)致總密度小于水的密度，番茄醬上升.

3.2 會跳舞的聲音——振動膜上的鏡子

實驗原料：PVC塑料管、橡膠皮、小塊鏡子、激光筆等.

振動膜上的鏡子實驗示意圖如圖5(a)所示. 將橡膠皮覆蓋在塑料管的一端制作成1面簡易鼓，在鼓膜上貼小塊鏡子，如圖5(b)所示. 當激光筆產(chǎn)生的激光束照射在鏡子上時，利用反射將光斑投射到遠端的屏幕上. 對著塑料管的另一端講話或者唱歌，聲波會引起鼓面的振動，鏡面反射角度會由于鼓面振動從而相應(yīng)變化，屏幕上的激光光斑呈現(xiàn)不同的圖案,如圖5(c)所示. 聲音頻率和音量高低的變化，都會引起反射激光圖案的變化.

(a)

(b) (c) 圖5 振動膜上的鏡子實驗

此實驗將平時只能聽得到的聲音進行了可視化，展示了“看得見的聲音”以及“音符的形狀”.

3.3 砸不碎的冰——復(fù)合材料

復(fù)合材料在日常生活中的應(yīng)用日益廣泛，從鋼筋混凝土到碳纖維復(fù)合材料等眾多新型材料被應(yīng)用于各行各業(yè). 復(fù)合材料最大的優(yōu)點是2種材料復(fù)合后可以達到1+1>2的效果.

利用冰箱制作2塊同樣大小的冰塊，其中一塊完全由水制成，另一塊在水中放入紙巾，水與紙巾的質(zhì)量比約為10∶1，紙巾均勻鋪在水中，制作過程如圖6所示. 冰制成后，用錘子分別敲擊2塊冰塊，如圖7所示.

圖6 砸不碎的冰的制作示意圖

圖7 砸不碎的冰實驗示意圖

結(jié)果顯示，加入了紙巾的冰塊比普通的冰塊更為堅固. 此實驗可邀請受眾參與演示，由受眾掌錘砸冰，近距離觀察受力后冰的變化以及紙巾的作用. 在實驗的同時，可引導(dǎo)受眾思考，在冰受力形成裂紋后，裂紋如何傳播可使冰形成碎塊，如何阻止裂紋的傳播從而保持冰塊的完整性.

3.4 國外典型案例

融入脫口秀形式的演示實驗展示在國外已經(jīng)成熟，Veritasium(真理元素)是由畢業(yè)于悉尼大學的物理教育學博士所創(chuàng)辦的物理科普頻道，其中包括演示實驗類科普視頻，以此向觀眾介紹生活中常見的科學知識. 自開辦以來，該頻道深受觀眾喜愛，至2020年，該頻道在全球已有715萬訂閱者. 雖然Veritasium的科普內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)平臺進行傳播，但其展示形式體現(xiàn)了POE教學策略. 以視頻“三個復(fù)雜的物理問題”(3 perplexing physics problems)[7]為例，演示者以生活中常見的大瓶碳酸飲料開場，向觀眾介紹日常生活中常見的現(xiàn)象——當打開被搖晃過的碳酸飲料時，瓶中的飲料會噴出來. 該實驗現(xiàn)象自然地引出所需討論的問題:當搖晃久置的飲料瓶之后，瓶內(nèi)的氣壓會增加、減少還是保持不變. 與傳統(tǒng)的物理演示實驗不同的是演示者并沒有立即給出答案，而是利用了POE的教學策略，進入第1個P環(huán)節(jié)，讓觀眾們在討論區(qū)進行預(yù)測與討論. 通過主觀的判斷，絕大部分觀眾選擇了“增大”. 在觀眾完成預(yù)測討論與投票之后，演示者進行了O環(huán)節(jié)，通過演示實驗現(xiàn)象來展現(xiàn)結(jié)果. 演示完畢，瓶蓋上的壓力表顯示瓶中的壓力并沒有增加而是維持3大氣壓(1大氣壓等于1.01×105Pa)不變. 為了充分引導(dǎo)受眾積極思考，演示者并沒有急于給出解釋，而是將解釋環(huán)節(jié)放在視頻的末尾，給予了觀眾充足的思考與反思時間. 通過解釋環(huán)節(jié)，觀眾會意識到，之所以瓶中的氣壓沒有變化是因為液體中所溶解的CO2與瓶頂?shù)臍怏w處于了平衡狀態(tài)，如圖8所示.

平衡態(tài)只取決于溫度和壓強，因此晃動并不會導(dǎo)致瓶中壓強的變化. 是什么導(dǎo)致?lián)u后的碳酸飲料噴出來呢？演示者首先打開瓶蓋，放出瓶頂壓強約為3大氣壓的氣體，再蓋上瓶蓋，此時瓶中上部分氣體壓強為1大氣壓，即打破了瓶中氣體的平衡狀態(tài). 當搖動飲料瓶，可以發(fā)現(xiàn)飲料瓶中的壓強迅速增加，使得瓶內(nèi)氣壓迅速恢復(fù)到平衡時的壓強. 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，搖晃產(chǎn)生的微小氣泡被引入液體之中，使得CO2更加容易從液體中釋放出來，導(dǎo)致壓強迅速增加. 因此當搖晃達到平衡狀態(tài)的碳酸飲料時，瓶內(nèi)壓強并沒有增加，然而這樣的操作卻向瓶內(nèi)引入了許多微小的氣泡，它們起到了成核點的作用. 如果仔細觀察會發(fā)現(xiàn)瓶壁上附著了許多微小的氣泡. 若此時打開塑料瓶，附著在瓶壁上的氣泡會由于壓力的降低而膨脹，從而推動上方的液體，同時它們作為成核點也促進了液體中溶解的CO2釋放，最終導(dǎo)致了瓶中的飲料噴出，如圖9所示.

圖8 平衡狀態(tài)下的碳酸飲料 圖9 碳酸飲料噴出

在理解了飲料噴出的原理之后，演示者也用了“逆向思維”引導(dǎo)觀眾思考“如何能防止被搖晃過的飲料被噴出”. 經(jīng)過思考，觀眾很容易就能想到如果將瓶壁上附著的氣泡去除則可以避免液體噴出. 演示者可以通過彈動瓶壁的方法來趕走瓶壁上的氣泡，之后再擰開瓶蓋，觀眾會發(fā)現(xiàn)本應(yīng)噴出的液體并沒有噴出.

利用POE 的教學策略，以網(wǎng)絡(luò)視頻為平臺，演示者通過不斷地提問來推進實驗的進程，調(diào)動了觀眾的積極性，使觀眾即使通過網(wǎng)絡(luò)平臺的云學習，也能充分利用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，積極思考，更加深入地理解實驗現(xiàn)象背后的物理知識.

4 結(jié)束語

物理演示脫口秀用豐富多樣的呈現(xiàn)形式和行之有效的教學策略，將“動手實踐”和“動腦思考”相結(jié)合，讓物理演示實驗的展示更具感染力，將原本深奧的物理知識變得通俗易懂、貼切觀眾認知. 脫口秀中多樣化和幽默化的表現(xiàn)形式結(jié)合不同的實驗展示，使得物理知識的傳播更易被接受. 其代入感較為強烈的演示氛圍，突破了知識傳播的年齡限制，使得受眾更為廣泛. 物理演示脫口秀高頻的互動氛圍能夠激活每位受眾的思維，給予他們更多的思考機會和更多的創(chuàng)造空間，從而更好地達到物理普及的效果.