加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)力度　構(gòu)建物理學(xué)習(xí)情境

桑同常　解啟榮

[摘要]本文闡述了創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)、常規(guī)實(shí)驗(yàn)、多媒體模擬實(shí)驗(yàn)、小實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)室等多種實(shí)驗(yàn)方法,加大了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的力度,并在構(gòu)建物理教學(xué)情境,培養(yǎng)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神的人才等方面進(jìn)行了探索。

[關(guān)鍵詞]物理實(shí)驗(yàn) 素質(zhì)教育 創(chuàng)新 構(gòu)建

物理學(xué)是一門以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),觀察和實(shí)驗(yàn)既是物理知識(shí)教學(xué)的基礎(chǔ),也是課堂教學(xué)中實(shí)施素質(zhì)教育的主要渠道和有效手段。實(shí)踐證明,只有運(yùn)用多種有效的實(shí)驗(yàn)手段,才能構(gòu)建物理學(xué)習(xí)情境,使學(xué)生在獲取物理知識(shí)的同時(shí),潛移默化地形成良好的科學(xué)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng),才能培養(yǎng)出具有較強(qiáng)動(dòng)手能力、富有創(chuàng)造精神的學(xué)生。

一、重視演示實(shí)驗(yàn),提高教學(xué)質(zhì)量

物理演示實(shí)驗(yàn)具有形象真實(shí)、生動(dòng)的特點(diǎn),能為學(xué)生在形成物理概念、得出物理規(guī)律前營(yíng)造活生生的物理情景,使學(xué)生感受倍深。心理學(xué)研究表明,人的動(dòng)作記憶效率比語(yǔ)言文字記憶效率要高出好多倍。經(jīng)驗(yàn)告訴我們,一個(gè)成績(jī)優(yōu)秀的物理尖子對(duì)物理現(xiàn)象和物理過(guò)程具有很強(qiáng)的“悟性”。這種“悟性”源于日常活動(dòng)豐富的感性認(rèn)識(shí)。對(duì)物理學(xué)習(xí)有障礙的學(xué)生,其最大的障礙不在于智力因素,而在于缺少對(duì)日常生活的用心觀察,頭腦中缺少感性經(jīng)驗(yàn),而這些感性經(jīng)驗(yàn)恰恰是物理思維的基礎(chǔ)。因此,教師的首要任務(wù)就是盡一切可能,在教學(xué)中為學(xué)生展現(xiàn)出豐富多彩的物理現(xiàn)象、構(gòu)建物理學(xué)習(xí)情境。

教師不僅要用好大綱規(guī)定的演示實(shí)驗(yàn),甚至教材上的一段話、一幅插圖、一道習(xí)題也可將它搬上“講臺(tái)”,進(jìn)行演示。演示的形式可以是“教師演,學(xué)生看”,可以是“教師導(dǎo),學(xué)生演”,也可以是師生同臺(tái)演出。為更好地做好演示實(shí)驗(yàn),教師還應(yīng)不斷研究實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新。

1.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)效果

隨著科技進(jìn)步,新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品層出不窮,我們可充分利用這一有利條件,選擇合適的器材,改進(jìn)實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)儀器,加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可見(jiàn)性、科學(xué)性、趣味性,把那些原本比較困難的實(shí)驗(yàn),變得容易實(shí)現(xiàn),從而提高教學(xué)效果。例如:

普通電容器耐壓低、容量小,用來(lái)演示充放電現(xiàn)象,效果不太好,利用彩電主電源濾波電容做實(shí)驗(yàn),效果特好。如圖1,D為1N5408二極管,A₁、A₂分別為“220V,40W”、“220V,15W”白熾燈,C為兩只“400V,220μF”彩電主電源濾波電容并聯(lián)。用白熾燈顯示電容器的充放電過(guò)程,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常醒目。

高亮度發(fā)光二極管,亮度高、單色性、與自然環(huán)境的光線反差強(qiáng)烈,且壽命長(zhǎng)、耗電少,又具有單向性,在電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)中有較多的用途。把數(shù)只發(fā)光二極管排成“L”或“F”形。在“測(cè)量凸透鏡的焦距”實(shí)驗(yàn)中作光源,遠(yuǎn)優(yōu)于用燭焰做光源。

2.挖掘配置儀器的潛在功能,使之更好地為教學(xué)服務(wù)

配置儀器由專家設(shè)計(jì)、定點(diǎn)生產(chǎn),產(chǎn)品大多質(zhì)量可靠、方便實(shí)用,在教學(xué)中起著重要的作用。挖掘其潛在功能,改進(jìn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),可更好地為教學(xué)服務(wù)。

在闡述麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論時(shí),我們可以準(zhǔn)備如下實(shí)驗(yàn):開啟J2435型電磁波發(fā)送接收演示器,在附近放上甘肅天水長(zhǎng)城生產(chǎn)J0402型演示電表,電表取交流10mA檔,在兩個(gè)接線柱上分別接入兩條導(dǎo)線,但不接任何元件,不構(gòu)成閉合電路的情況下,電表指針發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn),說(shuō)明電磁波中變化的電場(chǎng)是不依賴于閉合電路而存在的;如果把電表從交流檔改成直流檔,指針不偏轉(zhuǎn),說(shuō)明電磁波中的電場(chǎng)是周期性變化的;如果把電表逐漸遠(yuǎn)離,指針偏轉(zhuǎn)逐漸減小,說(shuō)明電磁波隨傳送距離增大而減弱。

在原有器材上小小改進(jìn),拓寬了原實(shí)驗(yàn)的功能,也使抽象的電磁波變得“可見(jiàn)”。

二、充分發(fā)揮常規(guī)媒體的作用,解決疑難,拓寬視野

1.運(yùn)用攝、錄、放像,提高布朗運(yùn)動(dòng)的可見(jiàn)度

把600倍顯微鏡鏡筒直立置于攝像平臺(tái)上,目鏡在攝像頭鏡頭的正下方,距離盡量小些。有凹坑的載玻片、清水、吸管、英雄牌碳素墨水、牙簽等備好待用。

用吸管往載玻片凹坑里滴適量水,用牙簽蘸一點(diǎn)上層的墨水,在凹坑中跟清水調(diào)和均勻成為觀察液。先移開攝像頭,以常規(guī)方法在顯微鏡目鏡視野中調(diào)出清晰的縣浮微粒(小碳粒)在做無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。再把攝像頭移回顯微鏡目鏡的上方。打開電源,調(diào)整攝像頭焦距、光圈環(huán),使電視屏幕上映出一群清晰的“浮游生物”——布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。也可課前把布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象用攝像機(jī)拍攝下來(lái),在電視機(jī)上播放,也能取得很好的教學(xué)效果。雖然不夠直接,但可節(jié)省教學(xué)時(shí)間,使用方便。

2.運(yùn)用攝、錄、放像,化快為靜,演示平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律

把平拋運(yùn)動(dòng)演示器固定在桌面上,用小錘打擊彈性金屬片,使球A向水平方向飛出,做平拋運(yùn)動(dòng),同時(shí)球B被放開,做自由落體運(yùn)動(dòng)。用攝像機(jī)把兩球的運(yùn)動(dòng)過(guò)程拍攝下來(lái)。用同樣的方法拍攝兩球以同樣速度同時(shí)做平拋運(yùn)動(dòng)和勻速直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。在電視機(jī)中播放時(shí)運(yùn)用放像機(jī)的慢放和暫停功能,即可精細(xì)地研究?jī)汕虻倪\(yùn)動(dòng)情況。從而容易得出做平拋運(yùn)動(dòng)的物體與做自由運(yùn)動(dòng)的物體在豎直方向的運(yùn)動(dòng)是相同的;做平拋運(yùn)動(dòng)的物體與做自由運(yùn)動(dòng)的物體在水平方向的運(yùn)動(dòng)是相同的。

3.利用視覺(jué)效應(yīng),觀察水波的干涉、衍射圖樣

在投影器的載物玻璃上放一張邊寬約25厘米的淡綠色吹塑紙(可提高觀察效果),發(fā)波水槽放在吹塑紙上,槽中放入適量水。打開投影器開關(guān),使其正常發(fā)光,調(diào)整發(fā)波水槽上的振動(dòng)片、檔板,用攝像機(jī)拍攝水波發(fā)生衍射的各種現(xiàn)象;用同樣的方法可拍攝兩列波發(fā)生的干涉圖樣。把拍攝的錄像帶在電視機(jī)中播放即可清晰的觀察水波的衍射和干涉現(xiàn)象。

三、利用多媒體模擬物理實(shí)驗(yàn),增加感性認(rèn)識(shí)

物理中的一部分實(shí)驗(yàn)由于受設(shè)備、技術(shù)等因素的限制,也有些實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)特殊條件的制約無(wú)法進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn),這種情況下適宜于運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫不受物理設(shè)備、技術(shù),實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間等因素的限制,能使一些枯燥、抽象難以理解的物理概念,復(fù)雜的物理變化,形態(tài)各異的運(yùn)動(dòng)形式,能使宏觀或微觀的物質(zhì)世界、空間的變大或變小、時(shí)間的變長(zhǎng)變短等直觀地顯示在學(xué)生面前。它逼真的表現(xiàn)力能極大地刺激學(xué)生的多種感覺(jué),加深理解,增強(qiáng)記憶。

如楞次定律中的磁場(chǎng)線,重力場(chǎng),原子核的人工轉(zhuǎn)變,查德威克實(shí)驗(yàn),鏈?zhǔn)椒磻?yīng)等。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是老師在“黑板上做實(shí)驗(yàn)”或以掛圖輔助。這種枯燥乏味的教學(xué)形式,難以提示物理概念和物理規(guī)律的真諦,而3DS制作的課件可輕而易舉地彌補(bǔ)這一缺陷。例如:

1.動(dòng)畫模擬裂變,栩栩如生

在“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”一節(jié)的教學(xué)中可設(shè)計(jì)如下動(dòng)畫。

動(dòng)畫一:中子向前運(yùn)動(dòng)撞擊鈾核。

動(dòng)畫二:被中子撞擊的鈾核,發(fā)生微小的爆炸現(xiàn)象。

動(dòng)畫三:被撞擊的鈾核分裂成兩塊并釋放出3個(gè)中子。

動(dòng)畫四:釋放出的3個(gè)中子繼續(xù)運(yùn)動(dòng),分別撞擊其它鈾核。

在教學(xué)過(guò)程中,可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整中子的運(yùn)動(dòng)速度和裂變速度,觀察到栩栩如生的逼真的爆炸畫面。

2.動(dòng)畫模擬場(chǎng),形象逼真

利用計(jì)算機(jī)的動(dòng)畫功能能模擬電場(chǎng)、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等,讓客觀存在的但看不見(jiàn)的東西變得形象逼真。例如,在研究“楞次定律”一節(jié)的教學(xué),采用動(dòng)畫模擬磁通量的變化過(guò)程,并利用閃爍功能將磁感線、磁鐵與線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及感應(yīng)電流的形成顯示得形象生動(dòng),讓學(xué)生對(duì)“阻礙”這一關(guān)鍵詞有深刻的理解。

四、發(fā)揮小實(shí)驗(yàn)的作用,訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手制作的能力和創(chuàng)新意識(shí)

物理小實(shí)驗(yàn)、小制作題材廣泛,內(nèi)容豐富,貼近生活、直觀明了、靈活性大,是一種激發(fā)學(xué)生興趣,發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造性的有益活動(dòng)。在教師的適當(dāng)啟發(fā)指導(dǎo)下,放手讓學(xué)生自己干,充分發(fā)揮其積極主動(dòng)性和各自的聰明才智,這樣,小實(shí)驗(yàn)就可以搞得豐富多采、生動(dòng)活潑,更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和能力。例如:在我們組織的每年一次的三小(小制作、小實(shí)驗(yàn)、小發(fā)明)活動(dòng)中,同學(xué)們都能踴躍參與,每件成果都閃耀著創(chuàng)造的火花。“孔明燈”竟管是初中教材中的用以說(shuō)明浮力的“古董”,但當(dāng)今的師范生對(duì)其興趣不減,當(dāng)節(jié)日的夜晚幾只“孔明燈”騰空而起,校園的氣氛頓時(shí)熱烈萬(wàn)分。潛望鏡還是小學(xué)生自然教材中的用以說(shuō)明光的反射的“小玩具”,師范生用自己制作的潛望鏡來(lái)觀看目標(biāo)時(shí),也顯得特別投入,由衷的感嘆“小小反光鏡,懊妙顯神奇”。近年來(lái),學(xué)生在課外制作了潛望鏡、望遠(yuǎn)鏡、電鈴、小電報(bào)機(jī)等近80多種小實(shí)驗(yàn)、小制作。

小實(shí)驗(yàn)不僅極大地培養(yǎng)、發(fā)展了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,而且還鍛煉、提高了學(xué)生動(dòng)手制作、獨(dú)立操作的能力,增強(qiáng)了創(chuàng)造意識(shí)和奮發(fā)向上的意志品質(zhì)。

五、開放實(shí)驗(yàn)室,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力

由于人的個(gè)性差異,一些學(xué)生往往不滿足于課堂上所看到的或書本上“接觸”到的實(shí)驗(yàn),他們往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的動(dòng)手欲,很多實(shí)驗(yàn)都想付諸一試。不定期、全方位地開放實(shí)驗(yàn)室,正好給這些學(xué)生創(chuàng)造了動(dòng)手的機(jī)會(huì)。學(xué)生可自愿參加,根據(jù)興趣愛(ài)好,一展才華。他們或復(fù)習(xí)舊實(shí)驗(yàn)的操作,或做些自已設(shè)計(jì)的小實(shí)驗(yàn),或總結(jié)實(shí)驗(yàn)教訓(xùn),或構(gòu)思新的制作。通過(guò)讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理、尋找器材和裝配儀器等,隨心所欲地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索,不僅培養(yǎng)其動(dòng)手操作能力,克服困難“用簡(jiǎn)單的儀器作出最好的成果”,還培養(yǎng)了學(xué)生大膽實(shí)踐、團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神。

教材中安排的一些設(shè)計(jì)性小實(shí)驗(yàn),應(yīng)大力挖掘和完成。例如,高中物理第一冊(cè)第23頁(yè)習(xí)題6要求:“請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量紙跟桌面之間動(dòng)摩擦因素的方法。如有條件的話,請(qǐng)你實(shí)際測(cè)一測(cè)”。第二冊(cè)第102頁(yè)要求:“制作電池夾和滑動(dòng)電阻器,設(shè)計(jì)使一個(gè)燈泡變暗,另一個(gè)燈泡變亮的電路”。這些設(shè)計(jì)性課外小實(shí)驗(yàn),方法靈活,取材容易,并因所給的測(cè)量工具不同,而要求尋找不同的實(shí)驗(yàn)原理和方法,由學(xué)生獨(dú)立尋找和操作,更易于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,鍛煉其獨(dú)立設(shè)計(jì)的工作能力。

課外小實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容也可以由教師啟發(fā)、同學(xué)們共同討論,分組各自獨(dú)立設(shè)計(jì)和操作完成。如在“電阻定律”一節(jié)的教學(xué)中,讓學(xué)生設(shè)計(jì)出驗(yàn)證“金屬電阻率隨溫度的升高而增大”的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)老師的啟發(fā)、鼓勵(lì)和大家的熱烈討論后,學(xué)生共提出了四種方案。最后選中了兩個(gè)用材料最少的實(shí)驗(yàn)方案:

方案一:用電流表測(cè)出通過(guò)對(duì)一段電阻絲用酒精燈加熱前后的電流強(qiáng)度的變化。如溫度升高,電流減小,則說(shuō)明電阻增大,即電阻率增大。

方案二:用小燈泡串聯(lián)于一段電阻絲上,加上一定的電壓;通過(guò)觀察用酒精燈對(duì)電阻絲加熱前后的小燈泡的亮暗,來(lái)比較溫度升高前后電阻的變化情況。如溫度升高,小燈泡變暗,則說(shuō)明電流變小,電阻增大,即電阻率增大。

當(dāng)學(xué)生在開放的實(shí)驗(yàn)室中親自選擇出器材,把自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案變成具體的演示實(shí)驗(yàn)時(shí),看到直觀、生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)激動(dòng)不已,深深感受到成功的喜悅。

還可舉辦設(shè)計(jì)性小實(shí)驗(yàn)操作比賽等,以激發(fā)學(xué)生參與課外實(shí)驗(yàn)的積極性。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是活化知識(shí)、運(yùn)用發(fā)散性思維進(jìn)行的創(chuàng)造性活動(dòng),對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的想象力、情感、意志品質(zhì)都有著非常重要的作用。

教學(xué)實(shí)踐中我們認(rèn)識(shí)到,要大面積地提高物理教學(xué)質(zhì)量,全面提高學(xué)生的素質(zhì),必須加大實(shí)驗(yàn)教學(xué)力度,構(gòu)建良好的物理學(xué)習(xí)情境,才能更好地培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣,提高學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦的能力和勇于探索的科學(xué)精神。