李　琳

(江蘇省泰州市姜堰區(qū)勵才實驗學(xué)校，江蘇　泰州　225500)

初中物理演示實驗的科學(xué)設(shè)計

李琳

(江蘇省泰州市姜堰區(qū)勵才實驗學(xué)校，江蘇泰州225500)

摘要：實驗教學(xué)是物理教學(xué)的基礎(chǔ)，教師對演示實驗進行科學(xué)設(shè)計，可以幫助學(xué)生理解并應(yīng)用物理知識，對學(xué)生的課后學(xué)習(xí)或動手實驗也有一定的啟發(fā)作用.

關(guān)鍵詞：初中物理；演示實驗；科學(xué)設(shè)計

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，初中物理實驗在教學(xué)中的作用尤其重要.通過物理實驗，可以檢驗真理，使理論在實踐中得到應(yīng)用，幫助學(xué)生解決心中的疑團，這是其他教學(xué)方式或教學(xué)手段都無法替代的.

俗話說，教師是學(xué)生的楷模與榜樣，是學(xué)生的引路人.演示實驗在實驗中就起到“引路”的作用.演示實驗是指在課堂上主要由教師示范操作，啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生對實驗進行觀察和思考，以達到一定教學(xué)目的的實驗教學(xué)方式.演示實驗為學(xué)生提供感性認識材料，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生思考，從而形成科學(xué)概念和規(guī)律.教師做好演示實驗，對學(xué)生接受并理解物理知識很有幫助，對學(xué)生的課后動手實驗操作也有一定的啟發(fā)作用.演示實驗要想取得成功或提高課堂教學(xué)效果，教師必須在演示前做好充分的準備，確保萬無一失.

1演示實驗的準備工作要充分

實驗的設(shè)計要以科學(xué)的實驗原理為依據(jù)，明確實驗的目標，能預(yù)測整個實驗過程中可能會生成的一些問題，使實驗現(xiàn)象直觀、明顯，使整個實驗過程具有可操控性.

1.1實驗原理的闡釋

實驗原理是整個實驗的靈魂.只有理解了實驗原理，才會避免實驗過程中的隨意性、盲目性，才會更好地掌握實驗的操作流程，才會進行真正的探究性實驗.否則，一切操作都是徒勞，勞而無功，既沒有學(xué)到知識，又浪費了寶貴的時間.所以，教師一定要闡釋清楚每個實驗的原理，并讓學(xué)生弄清楚各個原理之間存在的聯(lián)系.

1.2實驗?zāi)繕说拿鞔_

從知識與技能、過程與方法等方面明確實驗的目標，這對完成教學(xué)任務(wù)、提高教學(xué)效率有著重要的作用.當然，這對學(xué)生形成敏銳的觀察力、把握思維的層次性、培養(yǎng)學(xué)生的操作能力也很有幫助.

1.3實驗問題的預(yù)設(shè)

在做演示實驗前，精心備課的教師肯定會對每個演示實驗中可能出現(xiàn)的問題都會提前一一羅列出來，能對產(chǎn)生的問題做出相應(yīng)的解釋.到底是由于實驗器材的不夠精密產(chǎn)生的問題，還是由于操作過程的不嚴密產(chǎn)生的問題，都要在教師的掌控之中.這樣，在面對學(xué)生撲面而來的問題時，才會應(yīng)對自如，做到胸有成竹.

例如，在蘇科版八年級物理下冊課本第六章“測量水的密度”實驗中，盡管實驗數(shù)據(jù)盡可能地精確，計算水的質(zhì)量與體積的比值(即水的密度)并不是“1.0×103kg/m3”.這是怎么回事？如果有的教師真的不知道這個原因，憑他的教學(xué)智慧，會告訴學(xué)生可能是由于實驗誤差導(dǎo)致的結(jié)果，這樣也能消除學(xué)生心中的疑惑.其實，真正的原因并不是這樣.水具有這樣的特性：在一個標準大氣壓下，等質(zhì)量的水在4℃時體積最小，密度最大；水溫在4℃以上時，體積變大，密度變小，叫熱脹冷縮；水溫在4℃以下時，體積也變大，密度變小，叫熱縮冷脹.在實驗過程中，溫度會影響水的體積，使水的密度發(fā)生一定的變化，所以水的密度不是1.0×103kg/m3那就不足為奇了.教師這樣給學(xué)生闡述理由時，才會真正地解決學(xué)生心中的疑惑.

總之，只有充分理解并掌握實驗原理，明確實驗的目標，能從容不迫地應(yīng)對學(xué)生提出的問題，才能充分發(fā)揮實驗者在科學(xué)實驗過程中的主體作用.

2演示實驗的器材設(shè)計要巧妙

在做演示實驗時，實驗器材是映入學(xué)生眼簾的第一要素.該演示實驗?zāi)芊窦ぐl(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，實驗器材功不可沒.所以，教師在選“材”上要多花功夫.

2.1器材的選取和設(shè)計要簡潔

演示實驗器材選取得當，不僅可以降低操作過程的繁瑣性，還可以讓學(xué)生一目了然地觀察到實驗現(xiàn)象，再細致入微地深入觀察、研究.否則，實驗操作麻煩，程序繁多，會讓學(xué)生看得眼花繚亂，找不出關(guān)鍵的現(xiàn)象和主題，使學(xué)生逐漸地對實驗失去興趣，甚至對物理的學(xué)習(xí)產(chǎn)生排斥心理.

例如，在蘇科版九年級物理上冊課本第十三章“探究并聯(lián)電路特點”實驗中，可以選擇圖1和圖2的兩個電路圖去研究開關(guān)的作用，而不選擇圖3.

初三學(xué)生剛剛接觸電路方面的知識，對電路只有很淺顯的認識.將開關(guān)先按圖1電路接在干路中，開關(guān)通斷時會看到很明顯的現(xiàn)象；再將開關(guān)按圖2電路接在某一支路中，開關(guān)通斷時也會看到很明顯的現(xiàn)象.可是，如果直接根據(jù)電路圖3進行探究，他們會覺得電路圖很復(fù)雜，操作起來也很困難，實驗現(xiàn)象也容易發(fā)生錯亂.可見，器材的選取和設(shè)計非常重要.

2.2創(chuàng)造性地設(shè)計、改進實驗器材

通過實驗，學(xué)生能獲取感性知識，并能培養(yǎng)學(xué)生觀察力、創(chuàng)新能力.如果教師在課本實驗的基礎(chǔ)上，再創(chuàng)造性地設(shè)計或改進實驗器材，會使學(xué)生的創(chuàng)新思維能力得到更好地發(fā)展，使學(xué)生逐步變成創(chuàng)新型人才.

圖4

譬如，在蘇科版八年級物理下冊課本第十章“大氣壓強”實驗中，可以利用圖4所示實驗來代替課本中的“覆杯實驗”.首先，用手指封住瓶蓋上的小孔，倒過來，裝上部分水.然后，用一張紙貼在底部，用另一只手托住，倒轉(zhuǎn)過來，松開這只手，會發(fā)現(xiàn)紙和水都沒掉下來.這就證明了大氣壓強的存在.最后，再將封住小孔的那只手指移開時，紙和水迅速掉下來了，再次說明了大氣壓強的存在.松開封住小孔的那只手指時，有空氣進入了瓶內(nèi)，向下的大氣壓強和向上的大氣壓強相互抵消，紙和水在重力作用下運動而下落.這個實驗改進后的好處在于，可以有效地消除學(xué)生頭腦中“由水的粘性吸住紙”的這個想法.當然，我們也可以將課本中的玻璃瓶改成塑料瓶，再在塑料瓶的底部戳一個小孔，重復(fù)上面的實驗，也能起到一樣的效果.教師改進教學(xué)器材后，既能利用演示實驗驗證真理，又通過一個巧妙的設(shè)計環(huán)節(jié)進行驗證實驗，更有利于學(xué)生科學(xué)概念的建構(gòu).

2.3取“材”源于生活，貼近生活

圖5

筆者在備“動能與勢能之間相互轉(zhuǎn)化”的作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)有一道題目是這樣的：“為探究能量轉(zhuǎn)化，小明將小鐵塊綁在橡皮筋中部，并讓橡皮筋穿入鐵罐，兩端分別固定在罐蓋和罐底上.實驗裝置做好后讓它從不太陡的斜面上滾下，發(fā)現(xiàn)橡皮筋被鐵塊卷緊了，接著鐵罐居然能從斜面底部自動滾上去！其中能量是怎樣轉(zhuǎn)化的？”這是一道知識應(yīng)用題，學(xué)生要有一定的知識遷移能力，否則，很難將動能、重力勢能和彈性勢能三者之間的相互轉(zhuǎn)化情況弄得非常清楚.如果不進行實驗操作，僅憑借抽象思維和邏輯推理，很難分析透徹三個能量之間是如何相互轉(zhuǎn)化的.在課堂上評講這道題目時，筆者就利用自己動手設(shè)計的實驗裝置(如圖5所示)，當場操作了一下這個實驗，實驗現(xiàn)象很明顯，實驗剛結(jié)束，學(xué)生就把這道題做出來了.學(xué)生們很受啟發(fā)，都紛紛向筆者“取經(jīng)”，問是怎么做的？筆者告訴他們：用一個易拉罐(兩底掏空)、兩根橡皮筋和一把小鎖，就做成了這個“魔力罐”.同時，筆者還鼓勵學(xué)生盡量用生活中的一些物品進行改造，變“廢”為寶，對于學(xué)生理論聯(lián)系實際、開發(fā)智力，提高動手能力和增加學(xué)習(xí)物理的興趣都有很大的促進作用.

所以，創(chuàng)造性地設(shè)計或改進實驗器材，不拘泥于課本中的實驗器材，可以提高實驗的可操作性，不僅增加了實驗的趣味性，還會引起學(xué)生強烈的探究欲望，使學(xué)生從對實驗的感性認識上升到理性認識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，為向社會輸送全面發(fā)展的人才做好鋪墊.

3演示實驗的方法要得當

在不同實驗教學(xué)中，我們可以采用不同種教學(xué)方法.在演示實驗時，教師的實驗方法是否得當至關(guān)重要，直接影響著學(xué)生知識的建構(gòu)過程，甚至影響著學(xué)生的發(fā)展.

3.1學(xué)生演示

對于一些較簡單的實驗，可以讓學(xué)生到教室前面進行演示，一個人或兩個人合作演示，其他人注意觀察.通過實驗，學(xué)生學(xué)會正確地測量、觀察、讀數(shù)或記錄.學(xué)生參與到實驗中，始終保持著主動學(xué)習(xí)的狀態(tài)，既培養(yǎng)了學(xué)生實驗的技能和思維能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和實事求是的精神.

3.2教師演示

對于一些較復(fù)雜的或安全性不高的實驗，教師要講解清楚本實驗有哪些危害，并勸誡學(xué)生課后盡量不要模仿.比如，在講酒精燈的正確使用時，為什么不能用一個酒精燈去引燃另一個酒精燈，萬一酒精灑到桌面上并燃燒了起來，該怎么辦？這些實驗操作，教師一定要親力親為，否則會造成不良后果.

3.3師生互動演示

師生互動演示實驗是教師與學(xué)生實驗相結(jié)合的一種方式，主要由教師操作，學(xué)生參與到實驗中，體驗實驗的樂趣.學(xué)生會從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，利于知識的生成、各種學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng).比如，在講《電磁感應(yīng)》這一節(jié)時，利用旋轉(zhuǎn)微風扇的葉片進行發(fā)電，可以將發(fā)光的二極管取下，讓學(xué)生用手指接觸微風扇插頭的兩腳.膽大的學(xué)生“試觸”之后，會有“觸電”的感覺.這種零距離的接觸，會給學(xué)生留下非常深刻的印象，滿足了學(xué)生的好奇心，增強了他們學(xué)習(xí)物理的興趣.

3.4利用現(xiàn)代教育技術(shù)演示

(1) 利用多媒體演示

教育心理學(xué)研究表明：人獲取的外界信息中，83%來自視覺，11%來自聽覺，3.5%來自嗅覺，1.5%來自觸覺，1%來自味覺.顯然，增加視覺、聽覺信息量是獲取信息最可取的方法，多媒體手段恰好在視覺、聽覺效果方面有其獨特的優(yōu)勢.

在物理實驗教學(xué)過程中，難免有些實驗很難操作、可視性不強，教師就可以因地制宜地利用課件中的Flash動畫等展示這些實驗過程.

有些實驗器材體積很小，教師在演示過程中，坐在教室中間靠后的學(xué)生根本無法看清實驗現(xiàn)象.教師可以利用展臺將實驗過程進行全程投影，在放大實驗器材的基礎(chǔ)上，照顧到了全班所有的學(xué)生，讓每個學(xué)生都能同時看到實驗現(xiàn)象，根據(jù)看到的實驗現(xiàn)象進行下一步的分析與研究.

另外，教師在講解光學(xué)知識時，還可以利用投影儀的燈光做一些與“光”有關(guān)的實驗.譬如：在講《光的直線傳播》這一節(jié)時，可以利用投影燈光在屏幕上做出不同形狀的影子，來幫助學(xué)生理解“光在同種均勻介質(zhì)中是沿著直線傳播的”.在做“光的色散”實驗時，可以將太陽光經(jīng)過三棱鏡折射出的多種色光投射到屏幕上.不僅彌補了演示實驗的缺陷或不足，還拓寬學(xué)生的知識層面，陶冶學(xué)生情操，大大地提高了教學(xué)效率.

(2) 利用DIS實驗演示

DIS結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機技術(shù)，通過各類傳感器采集到的各種具有模擬特征的實驗量轉(zhuǎn)換成能被計算機接受的數(shù)字量.那些想做而沒法做的實驗、實驗現(xiàn)象幾乎無法捕捉得到的實驗，完全可以利用DIS實驗系統(tǒng)進行探究.

例如，在探究“作用力與反作用力”實驗中，課本中的實驗有幾個很有意思.其中一個實驗是這樣的：一個小孩穿著旱冰鞋推墻壁，墻沒動，小孩反而被反推出去了.墻壁受到小孩的推力但沒動，小孩動了，是因為受到墻壁對他的推力.這樣，只能知道兩個力方向是相反的，很難知道兩個力的大小是相等的及作用力與反作用力的其他特點.所以，我們就可以利用DIS實驗，很清楚地反映作用力與反作用力的所有特點.

如圖6所示，兩個力可以分別用兩列曲線來表示.作用力與反作用力的大小、方向關(guān)系，兩個力是同時產(chǎn)生、同時消失的特性一目了然.

圖6

當然，DIS實驗還有其他功能，如圖像的擬合，或針對其中一部分圖像進行數(shù)據(jù)的分析等等.由于DIS實驗在數(shù)據(jù)采集和分析處理方面具有強大的功能，因而可以節(jié)省時間，并進行對比或跟蹤觀察，了解某一物理量的變化過程.通過DIS實驗，既可以拓展演示實驗的深度，又增加了演示實驗的說服力和可信度，提高了教學(xué)效率，更重要的是給教師和學(xué)生提供了探究科學(xué)的良好環(huán)境，為學(xué)生今后更好的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件.

4規(guī)律的得出要科學(xué)

通過對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、對實驗現(xiàn)象的分析，能夠很自然地得到所要的物理規(guī)律.通過演示實驗，從觀察到的實驗現(xiàn)象出發(fā)，分析與歸納，再進行適當?shù)臄?shù)據(jù)處理，最終得到科學(xué)規(guī)律.不僅是對剛剛實驗的肯定，又為接下來的實驗或探究提出的新問題做好鋪墊.

著名教育家波利亞曾指出：“獲取知識的最佳途徑是自己的體驗，因為自身體驗最清楚，也最容易得出其中的內(nèi)在規(guī)律、性質(zhì)和聯(lián)系.”親歷實驗的演示，既給自己一個鍛煉的機會，又給他人一個學(xué)習(xí)的機會.在初中物理實驗教學(xué)中，演示實驗的科學(xué)設(shè)計不僅會提高教學(xué)效果，而且還會激發(fā)學(xué)生的求知欲，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的積極性和學(xué)習(xí)興趣.要使演示實驗?zāi)茉谡n堂上成功地進行，除了在課前做好充足的準備，教師還必須掌握科學(xué)的演示實驗的基本技能和基本方法，具備實驗演示的科學(xué)素養(yǎng)，認真進行物理實驗的探究與設(shè)計.

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