陸汝杰 宋志懷 吳於人

（同濟(jì)大學(xué)物理系，上海 200092）

充分利用物理演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生探究未知的能力
——大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)之六

陸汝杰 宋志懷 吳於人

（同濟(jì)大學(xué)物理系，上海 200092）

在大學(xué)物理課程中，充分利用物理演示實(shí)驗(yàn)，是培養(yǎng)學(xué)生探究未知能力的必要途徑.我們利用演示實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐意識；精心設(shè)計(jì)演示教學(xué)，提高學(xué)生探究能力；提供實(shí)踐條件，營造探究環(huán)境，幫助學(xué)生探究創(chuàng)新.

大學(xué)物理；演示實(shí)驗(yàn)；探索

科技部長萬鋼指出：我們的工程教育有成績，當(dāng)然也有問題，其中有一條，價(jià)值取向缺乏工程特色，培養(yǎng)目標(biāo)定位不準(zhǔn)，由此導(dǎo)致研發(fā)和教學(xué)實(shí)踐的“工程軟化”.［1］在工科學(xué)生的重要基礎(chǔ)課——大學(xué)物理課程中，也應(yīng)防止一味“軟化”；在適當(dāng)引入數(shù)字模擬的同時(shí)，也應(yīng)充分利用物理演示實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)探究性實(shí)踐環(huán)節(jié)，這是培養(yǎng)學(xué)生探究未知、理論聯(lián)系實(shí)際能力的必要途徑.演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)、實(shí)施和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件的建設(shè)，均應(yīng)有利于對學(xué)生探索實(shí)踐的引導(dǎo).本文將結(jié)合我們的研究與實(shí)踐，討論演示實(shí)驗(yàn)與探索教學(xué)的關(guān)系.

1 利用演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐意識

“探索”是演示的靈魂，它使演示實(shí)驗(yàn)富有生命力.如果僅僅在課堂上演示現(xiàn)象，說明規(guī)律所在，那么多媒體（包括實(shí)驗(yàn)錄像）課件替代真實(shí)的實(shí)驗(yàn)演示，節(jié)約時(shí)間和精力，也未嘗不可.但是演示實(shí)驗(yàn)最根本的生命力恰恰在于其具有不可替代的教學(xué)效果！當(dāng)活生生的實(shí)驗(yàn)設(shè)備放在同學(xué)們的面前，在教師的引導(dǎo)下，同學(xué)們看著自己的學(xué)習(xí)伙伴在實(shí)踐操作，眼睛搜索著實(shí)驗(yàn)過程中的點(diǎn)點(diǎn)細(xì)節(jié)信息，腦中思索著大家七嘴八舌提出的問題和意見，專注、興奮，這樣的過程，是學(xué)習(xí)的過程，也是合作交流和增進(jìn)研究興趣的過程.在實(shí)踐中感悟知識，在探索中體驗(yàn)成功，可使學(xué)生感受實(shí)踐的重要，勇于實(shí)踐，善于探索.

利用演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)實(shí)踐探索，可成為教師研究性教學(xué)精神貫徹的重要載體.比如電流的磁效應(yīng)，講課中必然涉及奧斯特實(shí)驗(yàn).奧斯特基于哲學(xué)傾向，一直堅(jiān)信電與磁之間一定有某種關(guān)系，電一定可以轉(zhuǎn)化為磁.經(jīng)過近十年幾種努力失敗的經(jīng)歷，到最后“1820年4月某天晚上，奧斯特在講課中突然來了‘靈感’，在講課快結(jié)束時(shí)，他說：‘讓我把導(dǎo)線與磁針平放位置來試試看’，果然發(fā)現(xiàn)電流接通時(shí)附近的小磁針動(dòng)了一下……”［2］.我校教師通過這一過程的介紹和奧斯特實(shí)驗(yàn)的演示相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)物理理論建立過程中的哲理、方法和精神，效果很好.

演示探索使教學(xué)生動(dòng)，它幫助同學(xué)自主建構(gòu)知識，幫助同學(xué)樂于發(fā)現(xiàn)問題，樂于嘗試思索.

2 設(shè)計(jì)演示教學(xué) 提高學(xué)生探究能力

如何提高演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，創(chuàng)造良好的實(shí)踐探究環(huán)境，是我們一直研究的問題.

1）鼓勵(lì)教師演示創(chuàng)新

由于課時(shí)、經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)管理人員、授課地點(diǎn)以及教師習(xí)慣等因素，制約了演示實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與應(yīng)用.其實(shí)各?？梢虻刂埔?，設(shè)計(jì)出系列得心應(yīng)手的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.往往一套貌似簡單的設(shè)備，卻有出奇制勝的效果.

很多老師知道有這樣一個(gè)演示角動(dòng)量的實(shí)驗(yàn)（圖1左），這是我們學(xué)校最受任課教師歡迎的課堂演示實(shí)驗(yàn)之一，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，學(xué)生討論也很熱烈.但是如果沒有條件，也可以更加簡單化，效果也很好.只要一個(gè)廢光盤，一支圓桿筆就可以請同學(xué)上講臺表演.請同學(xué)拿著筆的一端，同時(shí)筆桿穿過光盤中心圓孔（圖1右）.撥動(dòng)光盤使其在豎直平面里轉(zhuǎn)動(dòng)，待轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，胳膊在水平面內(nèi)向一個(gè)方向快速掃過一個(gè)角度，再重復(fù)實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)觀察，尋找規(guī)律，同學(xué)自己可以體會到角動(dòng)量疊加了.

圖1 角動(dòng)量疊加演示

利用生活中常見的物品而精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生感覺親切，探究奧秘的動(dòng)機(jī)更為強(qiáng)烈.利用電磁灶的工作原理也可以設(shè)計(jì)很多實(shí)驗(yàn)，只要200元左右買個(gè)電磁灶即可，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠.電磁灶上放一卷電線，電線兩端抽出，連接一個(gè)燈泡，打開電磁灶“大火”，可以看見燈泡因?yàn)闇u電流而一明一暗一明一暗.往電磁灶上扔幾片鋁箔，打開電磁灶“大火”后，鋁箔會跳起來.

圖2 電磁灶上放上鋁箔，打開“大火”后，鋁箔會發(fā)生間歇性跳動(dòng)

我校課堂教學(xué)計(jì)劃中規(guī)定了演示實(shí)驗(yàn)，有現(xiàn)成的設(shè)備供教師取用，另還有不少教師自制儀器，并拿到教研室交流共享.

2）引導(dǎo)學(xué)生提出問題

演示實(shí)驗(yàn)一般都是驗(yàn)證一個(gè)物理規(guī)律.但如果在演示現(xiàn)象的時(shí)候，先引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，然后提出有意思、費(fèi)思量的問題，激發(fā)學(xué)生思考的積極性，將會事半功倍.

靜電乒乓實(shí)驗(yàn)中，為什么兩塊導(dǎo)體板直接連接高壓電兩極后，導(dǎo)體板中間的乒乓球會撞擊兩板乒乓作響？如果將一塊介質(zhì)板擋在一塊導(dǎo)體板前，乒乓球會如何？當(dāng)介質(zhì)板大小和絕緣性能不同時(shí)，乒乓球可能出現(xiàn)不同狀況.……這些問題可引導(dǎo)學(xué)生全面分析.

玩具飲水鳥不停低頭抬頭，學(xué)生往往感興趣的是周期性低頭的原因.我們引導(dǎo)學(xué)生討論作為一個(gè)熱機(jī)，何為低溫?zé)嵩矗螢楦邷責(zé)嵩?？學(xué)生對熱機(jī)的理解更為深刻.

好的演示實(shí)驗(yàn)是值得回味和思索的實(shí)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)往往下課后同學(xué)還要圍上來親手嘗試，再一次討論.

3）盡量讓學(xué)生親身體驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)往往是教師做，學(xué)生看.我們開設(shè)了開放性的物理探索實(shí)驗(yàn)室，供學(xué)生親歷親為探索實(shí)踐.即使課堂上，也提倡教師演示讓位于學(xué)生.

改裝后的自行車輪可以演示進(jìn)動(dòng)，也可以請學(xué)生抓住加長的車軸兩端向不同角度擺動(dòng)車軸，比較車輪不轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不同的感覺，思考改變物體角動(dòng)量“艱難”的原因.

被絲綢摩擦過的玻璃棒如何使易拉罐滾動(dòng)，而且如何使它滾得快？這里面涉及電學(xué)、力學(xué)等知識.不妨來個(gè)比賽和討論.

提供若干吸管，用撕開的紅色塑料包扎帶把牙簽裝飾起來，然后看誰用吸管把牙簽吹得遠(yuǎn).同樣的力，要使牙簽獲得較大的動(dòng)量，必須使牙簽受力有較長的作用時(shí)間.所以想到將吸管連接起來加大長度的學(xué)生，獲勝的可能性大.

3 提供實(shí)踐條件幫助學(xué)生探究創(chuàng)新

我們?yōu)閷W(xué)生提供實(shí)踐探索的條件，營造探究的環(huán)境.有同學(xué)對電光魔球感興趣，我們另買一個(gè)，允許他拆開電光魔球研究；同學(xué)們對燃料電池感興趣，我們想方設(shè)法購來元件供他們研究.參與演示探索的同學(xué)都體會到，演示的過程就是探索的過程，就是深入學(xué)習(xí)提高能力的過程，就是體驗(yàn)努力后成功的過程.

同濟(jì)大學(xué)駐波演示的發(fā)展歷程就是一個(gè)很好的例子.同學(xué)們看實(shí)驗(yàn)、做實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，繼而分析研究，總結(jié)成果.演示探索實(shí)驗(yàn)的建設(shè)與同學(xué)們研究性學(xué)習(xí)同步發(fā)展.

圖3 便攜式駐波發(fā)生器

我們課堂演示的駐波裝置有兩種，一種是外形像手電筒的便攜式駐波發(fā)生器（圖3），主要部件為偏心馬達(dá)、一根松緊帶和兩節(jié)電池.該裝置攜帶使用方便，松緊帶上的橫駐波很明顯，駐波的特點(diǎn)幾乎一目了然.還有一種是僅用一根松緊帶即可：一端固定，手有節(jié)奏地拍打松緊帶的另一端，效果也很好.教師演示后同學(xué)很愿意上來嘗試.

開放的物理探索實(shí)驗(yàn)室中有可調(diào)節(jié)頻率（波長）的幾種橫駐波、縱駐波，其傳播媒質(zhì)或松緊帶、或彈簧、或金屬片、或空氣、或液體，表現(xiàn)為單純駐波或疊加諧波，反射端為波節(jié)或波腹，學(xué)生開了眼界，也會產(chǎn)生各種問題和研究欲望.為了引導(dǎo)學(xué)生思索.我們也在相關(guān)實(shí)驗(yàn)上配有思考題.

一根橫著的昆特管，里面裝有木屑，對管口大喊一聲，木屑分布會出現(xiàn)駐波影響的痕跡.一位同學(xué)看到效果不明顯，便想到又輕又好看（有各種顏色）的泡沫塑料填充小顆粒.于是一套新設(shè)備在他手中誕生了（圖4）.但是如果管子豎起來會怎樣？該同學(xué)在老師指導(dǎo)下經(jīng)過嘗試和查資料，做出了駐波聲懸浮實(shí)驗(yàn)（圖5）.另一同學(xué)受啟發(fā)，在老師幫助下實(shí)現(xiàn)了超聲懸浮蒼蠅（死的）.實(shí)驗(yàn)研究的過程中同學(xué)們對駐波的特性有了更為深入的了解，也了解到聲懸浮的現(xiàn)代研究與應(yīng)用.

圖4 聲駐波

圖5 聲懸浮

聲駐波還有許多意想不到的作用.有同學(xué)從外文資料上獲悉空氣中聲駐波引起的能量輸運(yùn)可引起空氣溫度變化，由此而產(chǎn)生熱聲效應(yīng).該同學(xué)將其作為同濟(jì)大學(xué)物理競賽項(xiàng)目著手研究，并取得了成功.由同學(xué)研制的聲制冷設(shè)備，引起很多參觀者的興趣，現(xiàn)已作為定型的演示實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品被全國許多大學(xué)購買.其論文“熱聲效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)”發(fā)表在“聲學(xué)技術(shù)”雜志上.［3］

學(xué)生從簡單現(xiàn)象到深入研究，并不是每一次研究都有值得發(fā)表的成果，但是都有不同程度的收獲，都是每一位學(xué)生不可忽視的經(jīng)歷.從演示到探索，從好奇到自覺，從找答案到完整的研究過程，同學(xué)們的學(xué)習(xí)在升華，我們的教學(xué)模式也在升華.

［1］ 萬鋼.現(xiàn)代工程教育面臨的若干問題及解放思想.大學(xué)生創(chuàng)新教育的研究與實(shí)踐［J］，上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2007

［2］ 吳翔等.文明之源物理學(xué)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2001.9第1版

［3］ 馬彬等.熱聲效應(yīng)及其實(shí)驗(yàn)［J］.聲學(xué)技術(shù)，2005，（1）

2010－00－00）