實驗教學要講求藝術＊

葉東福

（福州三中金山校區(qū)，福建 福州 350008）

何謂實驗，實驗是人們根據(jù)一定的研究目的和任務，利用一定的儀器、設備與手段，人為地創(chuàng)造一定的環(huán)境或條件，主動控制或干涉研究對象，突出主要因素，在典型環(huán)境中探索自然奧秘的研究方法.［1］

隨著新課程改革的不斷深入，教學模式從“講授”到“探究”再到“實驗探究”的改變與綜合，實驗的功能已從驗證已知公式、規(guī)律，使其為學生信服的手段轉化為建立概念、規(guī)律，獲取物理學研究方法感性體會的手段，實驗已從作為教學的輔助手段轉變?yōu)樨灤┰谡麄€教學過程中創(chuàng)造物理情景、探索物理問題的主要手段.從審美心理結構分析，實驗不僅對學生的認知有利，也對學生非智力因素的培養(yǎng)有益.一位優(yōu)秀的物理教師必定是富有實驗教學藝術的教師.

1 物理實驗教學要成為符合學生認知規(guī)律、特點的一門藝術

從認知的角度看，只有不斷地打破學生原有的認知結構，使他們的思維遠離平衡狀態(tài)，才能有效地調動起學習新課題的積極性.有關學者通過研究，發(fā)現(xiàn)人們接受知識的方式不同，記憶的比率也就不同，其關系大致如下表1所示［1］.

表1

不難發(fā)現(xiàn)，教學的過程如果有實驗的參與，讓學生邊聽、邊看，或者是讓學生又聽又看、又說又做，學習的效率顯然比只讀或只聽好得多.為此，我們可以充分運用實驗手段，將新舊知識矛盾尖銳地擺在學生面前，使他們的思維處于激烈的不平衡狀態(tài)中，從而帶著要解決問題的迫切心情投入學習.以往抽象的概念、規(guī)律學生常常記不住，是因為教學時學生在課堂上就沒有聽明白、理解透徹.假如教學時能恰當?shù)匕凑諏徝佬睦斫Y構和審美要素等方面去設計、創(chuàng)造實驗情景，使之成為學生感知認識的支撐，給學生以生動、具體的表象，使抽象的概念、規(guī)律不再是空中樓閣，從而使學生學習理解、記憶更迅速、更牢固.

2 教學中怎樣才能展示物理實驗教學藝術魅力的探索

實驗教學是一個動態(tài)系統(tǒng)，也是一個目標系統(tǒng)，為了完成實驗的既定目標，排除使目標系統(tǒng)偏離預定軌道的種種干擾，使師生雙方始終保持知識信息的暢通，達到教學的動態(tài)平衡，在物理實驗教學中如果能夠采用合適、直觀的教具，恰當?shù)慕虒W方法，藝術化的教學處理，就能使學生迅速地看清楚、聽清楚、做清楚他們需要感知的一切，實現(xiàn)教學的最優(yōu)化.［2］我們探索從以下幾個方面進行嘗試.

2.1 “慢”中感知，觸摸知識脈絡體系

課標強調，物理教學要重視揭示獲取知識和運用知識的思維過程，在此過程中，使學生獲得對知識概念的理解，并在思維能力、情感態(tài)度與價值觀等方面得到進步和發(fā)展.物理本身具有抽象性、周密性、概括性，這就決定了物理學習不是一蹴而就的過程，而是需要感知、實踐、抽象、概括的“慢”思維過程.教師在引入概念前設置一些恰當?shù)奈锢韺嶒炃榫常寣W生主動探究，讓學生在探究過程中構建科學的物理概念、規(guī)律，這樣可以為學生提供更多的感性材料，再讓學生逐幀定格，直接感知，呈現(xiàn)物理知識的細枝末節(jié)，讓學生在起落變化間觸摸知識的脈絡體系，在正誤辨析中洞察問題的本質，才能將感性上升至理性.

以高中物理魯科版（選修3-2）教材“感應電動勢”概念教學為例.教材中是短短的幾句話，即：“電磁感應現(xiàn)象也都伴隨著能量的轉化，電路中必然存在電動勢，這種在電磁感應現(xiàn)象中產生的電動勢叫感應電動勢.”看似平鋪直敘、言簡意賅的定義，如果在課堂上采取“短平快、粗簡重”的教學，就難以把握概念實質，難以實現(xiàn)課堂教學的有效高質.我們仔細認真的解讀、領悟、詮釋感應電動勢概念，發(fā)現(xiàn)進行感應電動勢概念教學有兩個難點要素：① 能量從何處轉化而來；② 感應電動勢怎樣產生.為此，課堂的教學過程中，筆者創(chuàng)設了類比→感知→內化的實驗探究路徑，來調動學生這個主體，使他們有強烈的興趣去思考、去推理、去學習課程內容.其程序如下：

（1）觀察比較：將圖1（甲）、（乙）分別用投影儀展示，并引導猜想：如果將圖中開關S均閉合，電路中是否都有電流？為什么？（學生展開討論并得出可能的情況.）

圖1

分組實驗探究：對照圖1（甲）安培表指針偏轉；對照圖1（乙）電流計指針不動，但當條形磁鐵位置變動時，電流計指針偏轉，表明回路中有電流.

（2）類比分析：圖1（甲）中產生的電流是由電源提供的，圖1（乙）中產生的是感應電流.

進一步引導分析：由恒定電流的知識可知，閉合電路中有電流，是因為電路中有電源，其能量是由電池的化學能轉化為電能.圖1（乙）中的電源在哪里、能量從何處轉化？（學生運用類比的方法將甲乙兩圖進行比較、分析討論.）

（3）感知內化：用投影儀展示圖2（丙）啟發(fā)學生回答，圖2（乙）中的線圈就相當于圖2（丙）中的電源，在磁鐵插入線圈的過程，由于磁鐵的運動將引起穿過閉合線圈磁通量變化的能量轉化為線圈的電能，即此時的線圈相當于電源，在線圈兩端產生了電動勢，使電路中有了感應電流.

圖2

（4）教師總結：我們把這種由于電磁感應現(xiàn)象而產生的電動勢叫做感應電動勢.這樣的過程分析，表象上增加了問題解讀的時間，學生卻因為經歷了實驗過程的“慢”感知，建立起來的感應電動勢概念，則不會感到空洞、抽象，會使學生感到生動、透徹，輕松地理解感應電動勢的產生原因.

由此可見，在觀察、類比、分析、感知、綜合等一系列思維活動的物理知識形成過程中，如果有實驗的參與，就會把知識的傳授方式與思維運動形式有機融合在一起，物理概念在“慢”中“應運而生”，物理規(guī)律在“慢”中“由感而知”.

2.2 “變”中感知，實驗助力知識“發(fā)酵”

“變”中感知在物理實驗教學中已經成為一種方法、一個研究方向.中學物理中，牛頓第二定律、歐姆定律、電阻定律等的研究采用的都是讓相關因子逐個變化的方法，它提供了人們研究自然規(guī)律最簡捷、有序、省力的途徑.在實驗教學中運用實驗的“變”，可以讓學生由淺入深、從一般到特殊地把握、感知事物的變化規(guī)律，還可以讓學生由點及面、由局部到整體地認識事物之間的共同特點，達到使知識發(fā)酵創(chuàng)新鋪墊的目的.

以魯科版高中物理教材必修2“超重與失重”一課教學為例.課堂教學中為了更好地演示物體的超重現(xiàn)象與失重現(xiàn)象，筆者設計了如下變式實驗：① 讓有孔的“可樂”瓶向上加速運動；② 讓有孔的“可樂”瓶做自由落體運動；③ 讓有孔的“可樂”瓶做豎直上拋運動；④ 讓有孔的“可樂”瓶在師生間拋來拋去.

一般情況下教師只需要演示①、②兩種情況，因為若僅為了讓學生理解知識，這就夠了，但這樣的演示缺乏亮點，也缺乏師生間的互動，缺乏生動而又令人難忘的情境.實驗變式③、④，不僅進一步揭示了自由落體、豎直上拋、斜拋之間的聯(lián)系，還創(chuàng)設了良好的課堂教學氛圍，達到了師生“共樂”的教學境界.

以上“變”的實驗過程感知設計的著眼點：以學生的實驗認知過程為主線，將科學家的原發(fā)現(xiàn)過程，從教育與教學的角度，進行必要的剪輯和編制，讓學生追根溯源，把他們帶到問題開始的地方，使教學過程真正成為學生主動參與的“再發(fā)現(xiàn)”“準研究”過程.

2.3 “想”中感知，彰顯實驗探究魅力

翻開物理學史，當年的大師們?yōu)榱颂剿魑锢硎澜绲膴W秘，曾經運用科學實驗發(fā)現(xiàn)了一個又一個的規(guī)律，他們留給后人的啟迪，不僅僅在于實驗，更在于實驗本身.我們應引導學生去追溯物理學家的思考、研究的源頭，從中汲取物理思想的營養(yǎng).在實驗過程教學中，應多讓學生想想：“為什么要這樣做？換一種方法行不行？還有沒有更好的方法？”［3］以此滲透物理思維方法，啟迪學生的思路.特別是新教材把學生動手實驗活動融入學習內容之中，取消了單獨編排學生實驗的做法，淡化了學生實驗和教師演示的實驗界限，目的就是讓教師應盡可能的為學生創(chuàng)設科學探究的實驗平臺，如讓學生親身參與到實驗探究方案的構思與設計等活動中去.

以高中物理魯科版（選修3-2）教材“自感”教學設計為例.教學時就要講清并摸索出科學家如何發(fā)現(xiàn)“由線圈自身的電流變化引起的磁通量變化是否也能產生電磁感應？”的規(guī)律.為了突破規(guī)律探索的教學難點，實現(xiàn)教學的最優(yōu)化，筆者為此設計如下實驗探究過程：

（1）直觀感知：教師演示如圖3所示實驗，請學生觀察并思考磁鐵的N（S）極在向下插入或拔出線圈時，電流表的指針是否發(fā)生偏轉？（通過觀察發(fā)現(xiàn)電流表指針發(fā)生偏轉了.）

圖3

圖4

（2）提出問題：電流表指針為什么會發(fā)生偏轉？（學生討論得出是因為有了感應電流.）教師再提出問題：如果將電路改成如圖4所示，當線圈中電流發(fā)生變化時（如電鍵閉合或斷開、移動變阻器滑片等），引起通過線圈的磁通量變化，線圈中是否會產生感應電動勢？產生感應電動勢與線圈中電流變化關系如何？（學生展開討論并作出可能的結果猜想.）

（3）猜想假設：線圈中應該會產生感應電動勢，且線圈中產生的感應電動勢方向是阻礙原電流的變化……

（4）實驗設計、探究、驗證：教師引導學生分兩種情況進行實驗探索.

第1種情況：探究電流增大情形.① 設計圖5所示電路；② 理論推測：S閉合時，小燈應延遲發(fā)光；③ 實驗結果：S閉合時，燈幾乎立即發(fā)光；④ 歸因分析：是由于人眼睛分辨不出小燈延遲發(fā)光現(xiàn)象，但根據(jù)電磁感應一般和特殊關系，原有猜想應該對的；⑤運用對比（比較L1和L2燈發(fā)光情況）和補償（調節(jié)變阻器，使S閉合時2燈亮度相同）實驗思想方法設計出如圖6所示的電路；實驗結果表明，L1比L2延遲發(fā)光，驗證了原有猜想.

圖5

圖6

圖7

第2種情況：探究電流變小情形.① 設計如圖6所示電路；② 理論推測：當S斷開時，燈應延遲熄滅；③ 實驗結果：當S斷開時，2燈立即熄滅；④ 歸因分析：或是由于人眼睛分辨不出小燈延遲發(fā)光現(xiàn)象，或是回路中電阻太大；⑤ 運用電路理論設計出如圖7所示的電路；實驗結果：當S斷開時，燈閃爍一下再熄滅，驗證了原有猜想.

實踐表明，這種經歷過豐富多彩的感知體驗，曲折跌宕的實驗探究孕育、發(fā)展、形成的物理概念、規(guī)律，會使學生感到有血有肉、清晰豐滿，才能還教學以本真，給課堂以精彩.

3 結語

物理實驗是中學物理教學中最吸引學生、最受學生歡迎的內容，這說明實驗教學有著極強的審美功能.從審美心理結構看，實驗教學幾乎可以激發(fā)起知覺、想象、情感、理解等全面的審美因素.為了更好地發(fā)揮實驗在物理教學中作用，對于物理教師不僅應知其美，更要知其所以美，在教學中不斷的去研究、分析、運用，惟有如此才能將物理實驗的精華內化為學生的思想和品性，將物理的思維深刻地烙印在學生的腦海中.

1 張緒培.中學物理教學藝術研究［M］.杭州：浙江大學出版社，2005：63－64.

2 葉東福.控制論視野下初中物理實驗教學［J］.教學與管理，2014（4）：65－67.

3 葉東福.概念教學的“稀釋還原”藝術［J］.中學物理教學參考，2014（1－2）：45－47.