凸顯實驗現象 化解教學難點

萬立榮

（上海師資培訓中心 上海 200234）

1 問題的提出

進入中學后，物理這門學科無論從學習者還是從授課者的角度來看，普遍都認為“難”.部分學生甚至在學習之前已經由于“道聽途說”而產生了畏難情緒，尤其進入高中后，教師不避諱地告誡學生要加倍努力，否則可能很難對付物理這門學科.

任何學習都是一個認知的過程.認知心理學將認知過程看成一個由信息的獲得、編碼、貯存、提取和使用等一系列連續的認知操作階段組成的信息加工過程［1］.如果認知的某個階段出現不順暢的情況，學習就會出現困難.物理學習為何對于中學生來說困難重重呢？從中學生的發展特點和物理學習的認知特點來看有以下幾個原因.

2 物理學習困難的原因分析

2.1 缺乏感性認識儲備

物理學習源自生活，學習和探究的對象為我們所處物質世界的一般規律.物理定律從物質世界中歸納得出，再應用到物質世界中去.因此，對物質世界具有一定的感性認識儲備對物理學習來說至關重要.根據建構主義理論，這些感性認識既可幫助理解新的知識點，又可將其歸于原有的知識結構中而加深印象，減小遺忘率.例如，學生在學習“作用力與反作用力”知識點之前先具備劃船、溜冰、制作“水火箭”等感性經歷，教師就很容易將新的知識點建立在原有的認知結構上.但目前由于家庭條件好，獨生子女嬌寵現象、學業負擔重等種種原因，中學生大都缺乏生活經驗的積累，沒有儲備足夠的感性認識.

2.2 缺乏認識和分析科學現象的方法

根據物理學認知特點，物理學習不僅要求學生掌握相關的物理知識，更要求學生具備一定的物理思維方法.很多學生在知道物理概念和定律的情況下還是不會解題、解錯題，實際上是因為他們沒有掌握提取信息、分析現象、建模等一系列物理學習的思維方法.相對于物理知識這一顯性的教學任務來說，教會并強化學生的物理思維方法這一隱性教學任務更能幫助學生解決學習物理困難的問題.

2.3 畏難情緒

學生對這門課的畏難情緒主要來自3方面.一是缺乏了解.物理對于學生來說是一門“新”學科，相對來說，他們對語文、數學、外語已經有過多年的學習經歷.從心理學我們知道，對不了解的事物由于缺乏安全感容易產生懼怕.二是不良的心理暗示.從高年級學生、老師甚至家長那兒獲得的有關物理的信息大多增加了學生的心理負擔.三是對于物理思維方法部分的學習，學生普遍感到比單純的記識類知識更難掌握.

從以上原因的分析中我們可知，要突破中學物理學習中的難點，首先應積極補充學生在感性認識儲備上的缺口，其次是加強物理教學中思維方法的指導.感性知識包括物理現象、物理事實、典型物理過程等.這些知識的獲得起源于觀察，包括對自然界的觀察和對實驗現象的觀察.根據物理教學的實際情況，實驗觀察由于其較少受自然條件的限制，可以通過控制實驗條件來減少次要因素和偶然因素，突出主要因素，捕捉到生活中不易見的物理現象和典型過程，更能有效地幫助學生儲備與物理學有關的感性認識，因此我們應該在物理教學中重視實驗、做好實驗.

3 凸顯實驗現象的有效策略

并不是所有的實驗現象都顯而易見.許多實驗因為現象微弱或短暫而根本無法在學生頭腦中留下深刻印象，導致學生對這一物理現象產生感性認識上的偏差.好的物理實驗具有怎樣的特征呢？（1）能讓學生從實驗所發生的諸多現象中抓住主要現象；（2）能讓學生從表面現象中抓住較隱蔽的現象；（3）能捕捉住稍縱即逝的現象.總而言之，利用各種手段讓物理現象凸顯出來，讓視覺、聽覺或觸覺等感官匯集起來的信息達到最大化是突破物理難點過程中關鍵的第一步.筆者從物理教學實踐中總結了一些案例，嘗試為達到以上目標提出一些具體策略.

策略1：巧用“增減”

難點1：在“摩擦力”的教學中，教師講到“由于受到摩擦力的阻礙作用，木塊在粗糙的桌面上逐漸減速至停止”，學生對于這一現象的疑問在于木塊和桌面看上去并沒有想象中的那么粗糙，為什么能阻礙木塊的運動呢？摩擦力究竟有沒有？怎么產生的？

實驗設計：如圖1，將一塊木板上表面（代表桌面）和木塊的下表面處理成凹凸不平，疊放在一起，呈“犬牙交錯”狀.讓學生向前推動木塊，感受“增大”后的摩擦力.學生很容易就理解了摩擦力的產生來源于粗糙的木板表面對木塊的阻礙.

圖1

圖2

在此基礎上再展示顯微鏡下桌面的圖片，如圖2所示.讓學生理解看上去光滑的木塊和桌面在放大后也能看到凹凸不平的現象，因此會產生阻礙物體運動的摩擦力.

難點2：在靜摩擦的教學中，學生往往不會判斷相對運動趨勢的方向.例如靜止在斜面上的木塊有沒有相對運動趨勢？方向如何？

實驗設計：

（1）將靜止在斜面上的木塊換成冰塊，冰塊沿斜面下滑.學生很容易從冰塊的下滑方向悟出什么是斜面上靜止物體的相對運動趨勢及其方向.

（2）讓學生體驗手握冰塊，感受到冰塊下滑的相對運動趨勢；觀察加速前行的皮帶輪上冰塊滯后，減速前行時，冰塊超前，勻速時冰塊與皮帶同步.體會皮帶輪上的物體在這3 種情況下的相對運動趨勢.

（3）歸納出用“假設光滑”來判斷物體相對運動趨勢的方法.

以上兩個教學片段中分別應用了增大主要因素或減小次要因素的方法來凸顯主要實驗現象，幫助學生挖掘出隱藏在復雜現象中的物理事實，在學生頭腦中形成深刻的感性認識，在此基礎上建構新的物理概念或歸納新的物理方法.利用“增大”或“減小”更加清晰地顯現物理現象的實驗還有許多，如表1中所列.

表1 “增大主要因素”或“減小次要因素”凸顯實驗現象

策略2：巧用“調速”

物理實驗中我們經常會碰到現象發生得太快而無法捕捉的情況.在這種情況下，我們需要對實驗進行調速.

難點3：在學習波的疊加時，兩個水波波峰的相遇過程不足1s，肉眼很難看清.

實驗設計：

（1）對波的疊加過程進行現場錄像，再慢速回放.

（2）講解疊加原理時借助多媒體課件模擬波的疊加過程.

難點4：“兩個物體在碰撞的瞬間究竟發生了什么”一直是學生頭腦中模糊不清的問題.在此基礎上學習彈性碰撞與非彈性碰撞就感到難以理解.

解決這個難點也可以借助慢速回放錄像和多媒體課件.課件可以將兩物體相互撞擊的過程放慢和定格，讓學生清楚地看到兩個彈性碰撞的物體相互接觸— 擠壓— 形變— 形變逐漸恢復— 物體分離的全過程.

策略3：巧用“留跡”

難點5：理解單擺做簡諧振動的運動圖像.s－t圖像是研究物體運動的常用方法，單擺運動的s－t圖像為什么是正余弦圖線，學生單憑想象很難將單擺的振動與其振動圖像聯系起來，如果從函數關系來解釋對大多數學生來說數學基礎還不夠.

實驗設計：

（1）如圖3（a），用下端有小孔的沙擺代替單擺的擺動，當沙擺擺動一段時間后，漏出的沙在紙板上堆出中間少兩端多的形狀.引導學生思考產生這一現象的原因.

圖3 沙擺實驗

（2）如圖3（b），將裝滿沙的沙擺再次擺動起來，同時勻速拖動下面的紙板，可以觀察到紙板上形成正余弦形狀的圖樣，再引導學生思考圖像產生的原因，將其與單擺的振動圖像作比較.

單擺在運動過程中平衡點處速度最大，兩端速度最小.這一規律可以從力對運動的影響來加以分析，但學生無法親眼看見，通過沙擺的“留跡”效果，讓物體運動過程中無形的規律變成可以觀察到的實驗現象，給學生留下深刻的印象.第二個實驗中再讓紙板勻速前進，形象生動地演示出了振動圖像的形成過程，化解了學生對抽象的圖像難以理解這一難點.

策略4：巧用“對比”

難點6：電磁感應的學習中有一個磁性鐵球穿過金屬圓筒的小實驗.由于磁鐵與金屬圓筒間產生感應電流后出現的相互阻礙作用，磁性鐵球下落的速度變慢.但演示實驗時有的學生提出分辨不出它的下落是否真正變慢.

實驗設計：

（1）如圖4所示，兩個相同長度的金屬圓筒，其中圓筒b上有一道很細的裂縫.讓兩個相同的磁性鐵球從同一高度無初速度釋放并分別穿過它們，引導學生觀察和比較它們下落速度.

圖4 驗證楞次定律的演示實驗

（2）再比較有裂縫的圓筒b中磁性鐵球的下落速度與空氣中磁性鐵球的下落速度.

通過對比，實驗現象被凸顯出來，看上去穿過金屬圓筒a的磁性鐵球的下落速度確實慢了許多.而有裂縫的圓筒b中磁性鐵球的下落速度與空氣中的磁性鐵球一樣.說明磁性鐵球只有在閉合的金屬圓筒中才能產生電磁感應，使其下落運動受到阻礙.

策略5：巧用“替代”

難點7：演示實驗中想讓學生感知音叉發出兩列相干聲波產生的干涉現象，但當音叉敲響后，人耳無法聽到音叉四周強弱相間的聲音.即使讓學生繞音叉環行一周來分辨聲音有無強弱變化，也很難在課堂上有限的時間內讓每位學生得以體驗.

圖5 聲波的干涉演示實驗

實驗設計：如圖5，將音叉固定在轉盤的中心，麥克風固定在轉盤邊緣.敲響音叉后轉動皮帶輪上的轉動手柄，讓麥克風代替人耳繞行被敲響的音叉，再將監聽到的聲音放大了傳出來，可以讓全班學生同時聽到聲音產生明顯的強弱變化，即聲波的干涉現象.

波的干涉現象及其產生原理對中學生來說存在著較大的理解障礙，因為在他們已有的知識中很少有這方面的儲備，因此成功演示實驗對本難點的突破具有關鍵作用.以上實驗設計清晰地展現了聲波在干涉疊加后的強弱差別，給學生留下了深刻的印象.

在以上列舉的策略中，巧用“增減”是對實驗現象本身進行放大或縮小，其他各策略均是通過改變觀察手段凸顯實驗現象.我們可以從這些案例的實驗設計中得到啟發，無論對書本上已有的傳統實驗還是教師個人創新實驗，都可以站在觀察者的角度，采用各種策略，通過某些細節的改變來凸顯實驗現象，從而調動學生的多個感官參與體驗，在他們腦海里留下盡量深的痕跡.只有這樣，實驗才能真正達到構建學生感性認知，幫助學生理解新的概念、規律，化解物理學習難點的目的.

1 R·M·加涅著.學習的條件和教學論.皮連生，等譯.上海：華東師范大學出版社，2007.69～78