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試論物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革
物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。課堂演示實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分，它不僅是建立物理概念和規(guī)律、理解和掌握物理知識(shí)不可缺少的環(huán)節(jié)，還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力、探索精神以及良好的學(xué)習(xí)方法。也是變應(yīng)試教育為素質(zhì)教育，提高人才科學(xué)素質(zhì)的重要手段之一。那么，如何改革物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)以適應(yīng)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)對(duì)人才的需要。本文就此談?wù)勛约旱哪w淺體會(huì)和作法，與同行們研討。一、為什么要改革物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)
物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從18世紀(jì)德國(guó)、法國(guó)建立了學(xué)校的演示實(shí)驗(yàn)室，教師經(jīng)常用昂貴的儀器演示生動(dòng)的現(xiàn)象，從此便開始了世界上的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成為物理教學(xué)中重要的教學(xué)手段和有效的教學(xué)形式。
近年來高考物理試卷對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查，不僅從學(xué)生實(shí)驗(yàn)發(fā)展到演示實(shí)驗(yàn)，而且已從簡(jiǎn)單的背誦實(shí)驗(yàn)知識(shí)轉(zhuǎn)向考查對(duì)實(shí)驗(yàn)的思想、原理、方法的理解上，重在考查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰途C合分析能力。例如，1993年是用干涉法檢查平面的實(shí)驗(yàn)，1994年是簡(jiǎn)諧振動(dòng)圖象的演示實(shí)驗(yàn)，1995年是光電效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)，1996年是運(yùn)用靜電計(jì)研究平行行板電容器電容量的決定因素，1998年有關(guān)光電效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)和LC振蕩電路的演示實(shí)驗(yàn)。但是實(shí)驗(yàn)題的得分率都不高，反映了目前在中學(xué)物理教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。許多物理教師都不同地只重視理論的講授和解題能力的培養(yǎng)，而忽視了對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)。不少學(xué)校教學(xué)經(jīng)費(fèi)不足，儀器設(shè)備陳舊簡(jiǎn)陋，地方陜小擁擠，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常開展，對(duì)于大綱規(guī)定的實(shí)驗(yàn)，不僅開出率低，而且演示實(shí)驗(yàn)的作用和地位還在低水平下徘徊，使學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力普遍較低。近幾年我國(guó)中學(xué)生實(shí)驗(yàn)素質(zhì)較差。又如1990～1995年期間，國(guó)家教委儀器研究所對(duì)一萬余名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)芰y(cè)試，結(jié)果是我國(guó)中小學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力幾乎都不及格。說明了我國(guó)中小學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力普遍較差。因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、觀察能力、思維能力和科學(xué)的思維方法，提高他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和愛好，調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮非智力因素的能動(dòng)作用，引導(dǎo)他們從小愛科學(xué)、學(xué)科學(xué)，激發(fā)他們樹立敢于攀登科學(xué)高峰的雄心壯志，縮小與世界先進(jìn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)的差距，我們應(yīng)進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)條件，改革演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，直觀形象地為學(xué)生提供感性認(rèn)識(shí)。
二、怎樣改革物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)
1、重視演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加強(qiáng)能力培養(yǎng)。
目前，學(xué)生普遍感到物理“難學(xué)”，其原因之一就是物理教學(xué)中缺乏實(shí)驗(yàn)。而一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的國(guó)家，他們非常重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究問題的方法，如日本初中物理的課時(shí)數(shù)只有75課時(shí)，但安排的學(xué)生實(shí)驗(yàn)卻有20個(gè)，演示實(shí)驗(yàn)有130個(gè)，并且絕大多數(shù)都是研究性實(shí)驗(yàn)，基本形成以實(shí)驗(yàn)為中心的課堂體系。可見，他們的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方面得到訓(xùn)練和能力培養(yǎng)比我國(guó)的學(xué)生多得多，他們學(xué)生的實(shí)驗(yàn)心理素質(zhì)比我國(guó)中學(xué)生強(qiáng)。因此，在當(dāng)前我國(guó)中學(xué)教育由應(yīng)試教育向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變過程中，我們對(duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必須引起高度的重視，為了研究好這些課題，教師必須研究教材中哪些地方學(xué)生感到抽象、容易混淆、接受困難，并結(jié)合教學(xué)實(shí)際，研究解決的方法，努力開發(fā)一些直觀的演示，同時(shí)在教學(xué)中引進(jìn)近代物理學(xué)的某些思想方法和現(xiàn)代科學(xué)的新成就，例如：用激發(fā)演示光的干涉和衍射，用發(fā)光二極管演示電磁感應(yīng)中機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)化等。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)中，適當(dāng)增加相關(guān)演示項(xiàng)目，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富，使學(xué)生的眼界更加開闊。例如“分子間作用力”的演示，可在兩只乒乓球間夾上一段彈簧，球的外側(cè)套上橡皮筋，平衡時(shí)，引力等于斥力；增大球距時(shí)，引力大于斥力；縮小球距時(shí)，引力小于斥力。這樣不僅培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，更多地拓寬學(xué)生視野豐富他們的想象，而且能有效地提高了學(xué)生的觀察能力、分析問題和解決問題的能力。
2、在演示實(shí)驗(yàn)中增加學(xué)生的參與。
演示實(shí)驗(yàn)是教師利用課堂時(shí)間為學(xué)生演示，在操作的同時(shí)又引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察、思考和分析的一種物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，演示實(shí)驗(yàn)通常教師演示，學(xué)生看，但是很多實(shí)驗(yàn)學(xué)生根本看不清，特別是后邊的學(xué)生。不同程度的限制和阻礙了學(xué)生智能和潛能的發(fā)展，直接影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)心理素質(zhì)的提高。因此，在演示實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)積極引導(dǎo)學(xué)生觀察、猜想、分析、歸納總結(jié)，甚至在實(shí)驗(yàn)操作上讓學(xué)生積極參與，讓學(xué)生充分了解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，多次重復(fù)，加深印象，鞏固記憶。例如：在“楞次定律”一節(jié)的教學(xué)中，筆者變?cè)瓉淼恼n堂演示實(shí)驗(yàn)為邊做邊講實(shí)驗(yàn)，每?jī)晌粚W(xué)生發(fā)一套實(shí)驗(yàn)器材（干電池、電流表、原線圈、條形磁鐵、導(dǎo)線），實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生首先觀察電流方向與電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系，再觀察原線圈的電流方向與磁鐵運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系，把直觀的材料作為培養(yǎng)學(xué)生知覺、觀察力的材料，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)、準(zhǔn)確地進(jìn)行觀察，然后引導(dǎo)學(xué)生討論、研究、對(duì)比、總結(jié)出感生電流所引起的磁場(chǎng)方向與磁鐵運(yùn)動(dòng)方向的關(guān)系，最后訓(xùn)練學(xué)生用科學(xué)的語言描述，并解釋所觀察到的現(xiàn)象，從而順理成章地寫出楞次定律。可見，演示實(shí)驗(yàn)在教師指導(dǎo)下讓學(xué)生參與，不僅有顯示學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的機(jī)會(huì)，又能得到科學(xué)方法的訓(xùn)練及能力的培養(yǎng)，加深理解和掌握物理概念和規(guī)律，同時(shí)可領(lǐng)略物理學(xué)的思想，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法。
3、變驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為探索性實(shí)驗(yàn)。
中學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)可分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探索性實(shí)驗(yàn)，而大部分是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是對(duì)知識(shí)的正確與否加以驗(yàn)證，鞏固和加深對(duì)基本規(guī)律和基本原理的認(rèn)識(shí)。但是，對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)物理的科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度方面不能得到鍛煉，也不利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索物理規(guī)律的能力，而探索性實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生思維能力、創(chuàng)造能力、自學(xué)能力、觀察實(shí)驗(yàn)?zāi)芰敖鉀Q實(shí)際問題的能力有獨(dú)到的作用。正如愛因斯坦所說：“對(duì)真理的探索比占有更加寶貴”。
因此，在教學(xué)中可把一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)變?yōu)樘剿餍缘膶?shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要盡量再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程，多讓學(xué)生想想：“為什么要這樣做？”“換種方法行不行？”以此滲透物理思想，啟迪學(xué)生思路。例如在“牛頓第二定律”一節(jié)的教學(xué)中，筆者將這個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)樘剿餍詫?shí)驗(yàn)。其研究方法：①邊學(xué)邊做實(shí)驗(yàn)：首先讓學(xué)生按照自己設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)方案做實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中初步認(rèn)識(shí)物體的加速度a與物體的質(zhì)量m及它所受外力F有關(guān)。然后，筆者再演示課本上的實(shí)驗(yàn)，規(guī)范操作，這樣，不僅使學(xué)生掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，而且讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)過程，注意發(fā)現(xiàn)研究對(duì)象引起變化的原因和條件以及在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象，使學(xué)生對(duì)a和F、m的關(guān)系獲得感知。②探索知識(shí)：指導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題進(jìn)行具體研究，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、列表、畫出a－F、a－1／m的圖象。③歸納總結(jié)：師生共同分析、歸納、總結(jié)出牛頓第二定律。這樣，讓學(xué)生用實(shí)驗(yàn)探索和理論探研兩種方法自我進(jìn)行推證，在推證過程中學(xué)生就自然而然地對(duì)核定的研究對(duì)象、成立條件、使用范圍、注意事項(xiàng)搞得一清二楚。讓學(xué)生由學(xué)知識(shí)變?yōu)橹鲃?dòng)探索自然規(guī)律，對(duì)知識(shí)學(xué)得更扎實(shí)更牢固，同時(shí)使學(xué)生受到科學(xué)方法的熏陶。
4、合理運(yùn)用多媒體，優(yōu)化演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
利用常用儀器、教具進(jìn)行演示是一種最基本的手段，而利用多媒體教學(xué)，是教學(xué)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，是教學(xué)改革的重要組成部分。因?yàn)槎嗝襟w教學(xué)是指在教學(xué)過程中運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的觀察和方法，組織多媒體信息，形成合理的教學(xué)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)優(yōu)化，使學(xué)生真正體會(huì)到物理學(xué)科的學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)生觀察及分析問題的能力。如應(yīng)用多媒體展示課堂實(shí)驗(yàn)無法演示的宏觀的、微觀的、極快的、極慢的物理過程，從而突破時(shí)間以及空間的束縛，進(jìn)行逼真的模擬，靈活地放大或縮小物理場(chǎng)景，將物理過程生動(dòng)形象地展現(xiàn)于學(xué)生眼前，使學(xué)生認(rèn)識(shí)加強(qiáng)，理解透徹。例如，對(duì)于“LC電磁振蕩電路”的振蕩過程分析，筆者應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)的動(dòng)畫功能，展現(xiàn)了隨著電容充放電的進(jìn)行，LC回路中的電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能之間的周期性變化，振蕩電路的大小和方向變化的全過程，安全逼真，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中保持精力高度集中，思維高度活躍，求知欲高度旺盛的狀態(tài)。對(duì)于可見度小，不易觀察，且只能水平演示、觀察的內(nèi)容，例如水波的干涉、衍射現(xiàn)象，用發(fā)波水槽借助投影儀演示，既起放大作用，又使其有動(dòng)感，使學(xué)生看到清晰的干涉條紋，對(duì)學(xué)生腦子里形成正確概念有極大的幫助。但是還有部分同學(xué)對(duì)波的疊加原理難以理解，又缺乏想象力，為此筆者又用計(jì)算機(jī)模擬制作了一條直線上兩傳播方向相反的兩列波的疊加，可十分形象直觀地表現(xiàn)波的疊加，學(xué)生也容易理解，并取得了良好的效果。
利用多媒體進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不但為教和學(xué)增添了信息的傳輸和接收通道，而且為教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的情境，師生們置身于“情”、“景”中，以“物”思“理”，又以“理”認(rèn)“物”，這對(duì)物理的各種題型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著積極的意義，對(duì)提高物理課的素質(zhì)教育教學(xué)有著廣泛的前景。
總之物理課堂演示實(shí)驗(yàn)要與學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，努力培養(yǎng)學(xué)生的下面幾個(gè)方面的基本實(shí)驗(yàn)要素：一是儀器使用的一般知識(shí)；二是測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理的知識(shí)，其中特別是圖線處理數(shù)據(jù)中，區(qū)分已知規(guī)律與未知規(guī)律的不同方法；三是間接測(cè)量的基本知識(shí)，要從測(cè)量出發(fā)理解實(shí)驗(yàn)裝置、原理、方法、條件保證、操作步驟以及數(shù)據(jù)的記錄與處理；四是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證思想，特別是要懂得將理論結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)論比較的思想。同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本實(shí)驗(yàn)方法的遷移和靈活運(yùn)用能力的訓(xùn)練，多角度、全方面地讓中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高到一個(gè)新的水平。
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