何　娟，韓修林，丁智勇

(阜陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037)

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基于演示實(shí)驗(yàn)的大學(xué)物理課堂教學(xué)策略研究

何娟，韓修林，丁智勇

(阜陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037)

摘要：研究了物理演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式，提出了基于演示實(shí)驗(yàn)的新課導(dǎo)入、概念建構(gòu)、規(guī)律探究、應(yīng)用拓展等環(huán)節(jié)的教學(xué)策略，并通過實(shí)例介紹了演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，探尋了大學(xué)物理課程教學(xué)改革新舉措。

關(guān)鍵詞：物理演示實(shí)驗(yàn)；課堂教學(xué)；教學(xué)策略

以基礎(chǔ)物理學(xué)為主要內(nèi)容的大學(xué)物理課程，是面向高等學(xué)校理工科各專業(yè)開設(shè)的一門必修基礎(chǔ)課。該課程在培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀、提升學(xué)生分析和解決問題的能力、激發(fā)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)等方面，具有其他課程不可替代的作用。為規(guī)范大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容，提高大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量，《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求(2010版)》[1](以下簡(jiǎn)稱《基本要求》)對(duì)大學(xué)物理課堂教學(xué)提出明確要求：“應(yīng)充分利用演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生觀察物理現(xiàn)象，增加感性知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。大學(xué)物理課程的主要內(nèi)容都應(yīng)有演示實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)目不應(yīng)少于40個(gè)?！?/p>

在大學(xué)物理課堂上引入演示實(shí)驗(yàn)對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量有著顯著的效果，這一做法也逐漸成為多數(shù)物理教師的共識(shí)，很多學(xué)校都在積極探索演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用模式[2-5]?！洞髮W(xué)物理》作為我校的精品課程，在進(jìn)行教學(xué)改革的過程中，對(duì)演示實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用策略進(jìn)行了深入研究。根據(jù)物理學(xué)科性質(zhì)和課堂教學(xué)規(guī)律，將大學(xué)物理新課教學(xué)分解成4個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)：新課導(dǎo)入—概念建構(gòu)—規(guī)律探究—應(yīng)用拓展，采取演示實(shí)驗(yàn)與教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合，深入挖掘演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值，通過不斷的嘗試和實(shí)踐，已經(jīng)取得了積極的成效并受到了學(xué)生的歡迎。

1基于演示實(shí)驗(yàn)的新課導(dǎo)入

導(dǎo)入是課堂教學(xué)的開端，也是新課教學(xué)的首要環(huán)節(jié)。古希臘哲學(xué)家柏拉圖曾說過：良好的開端等于成功的一半。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)好新課導(dǎo)入的方式，對(duì)于新課教學(xué)的順利開展至關(guān)重要。從課堂教學(xué)策略上看，新課導(dǎo)入的目的是為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將學(xué)生分散的注意力引入到教師設(shè)計(jì)的情景中，激發(fā)學(xué)生思考，活躍課堂氣氛，為后續(xù)的新課教學(xué)起到良好的鋪墊作用。新課導(dǎo)入的方式有多種，對(duì)于大學(xué)物理這門課程，利用演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行新課導(dǎo)入是一種有效的教學(xué)策略。一方面，演示實(shí)驗(yàn)直觀生動(dòng)，可以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象需要運(yùn)用物理規(guī)律，這就可以激發(fā)學(xué)生的求知欲。作為新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)的演示實(shí)驗(yàn)，在內(nèi)容選取上主要看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和演示效果，利用直觀新穎甚至有悖常理的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，從而順利導(dǎo)入新課，為新知學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

例如，在學(xué)習(xí)剛體重心這節(jié)新課時(shí)，用“錐體上滾”實(shí)驗(yàn)[6]作為新課引入的演示實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生看到圓錐體在重力作用下，居然能夠自行從傾斜導(dǎo)軌的低端運(yùn)動(dòng)到高端，這就與人們?nèi)粘Ｉ畹幕菊J(rèn)知發(fā)生矛盾。為了解釋該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要學(xué)習(xí)新的知識(shí)，這便激發(fā)了學(xué)生的求知欲，為新課教學(xué)營造了良好的實(shí)驗(yàn)情景。事實(shí)上，圓錐體在上滾的過程中，因?yàn)閮筛鶅A斜導(dǎo)軌之間的距離不斷增大，圓錐體的重心實(shí)際上是在下移的，這符合物體在重力作用下，重力勢(shì)能總是朝著減小的趨勢(shì)變化的規(guī)律。利用演示實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入新課的例子還有許多，比如，利用傅科擺導(dǎo)入科里奧利力，利用伽爾頓板導(dǎo)入統(tǒng)計(jì)概率，利用李薩如圖形導(dǎo)入互相垂直方向上的兩個(gè)振動(dòng)的疊加，利用牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入光的等厚干涉等。

圖1　錐體上滾演示儀

2基于演示實(shí)驗(yàn)的物理概念建構(gòu)

物理學(xué)中，大多數(shù)概念都是從物理現(xiàn)象和事實(shí)中抽象出來的，如果概念沒有理解透徹，那么建立在物理概念基礎(chǔ)上的物理規(guī)律和物理公式就不能很好的掌握，更談不上在實(shí)踐中靈活運(yùn)用，因此，概念教學(xué)是物理教學(xué)的基礎(chǔ)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美籍華人楊振寧先生在談到物理學(xué)教學(xué)時(shí)指出：“很多學(xué)生在學(xué)習(xí)中形成了一種印象，以為物理學(xué)就是一些演算。演算是物理學(xué)的一部分，但不是最重要的部分。物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的。絕大部分物理學(xué)概念都是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源[7]?！闭?yàn)槲锢砀拍钤从谖锢憩F(xiàn)象，在進(jìn)行物理概念教學(xué)過程中，利用演示實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)物理概念提出的事實(shí)基礎(chǔ)，還原物理概念建立的本來面目，幫助學(xué)生弄清概念提出的背景，建立科學(xué)的物理概念，這是符合物理學(xué)科性質(zhì)和學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的。

例如，在講解轉(zhuǎn)動(dòng)慣量概念的時(shí)候，利用“如可夫斯基轉(zhuǎn)椅”演示實(shí)驗(yàn)[6]，讓學(xué)生親身經(jīng)歷，直觀理會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的概念。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓學(xué)生坐在可繞豎直軸自由旋轉(zhuǎn)的椅子上，雙手握緊啞鈴兩臂平伸，利用外力使轉(zhuǎn)椅轉(zhuǎn)動(dòng)起來，然后讓學(xué)生收縮雙臂，可以看到人和轉(zhuǎn)椅的旋轉(zhuǎn)速度明顯增大。再讓學(xué)生握緊啞鈴兩臂平伸，可以看到轉(zhuǎn)速明顯降低。這是因?yàn)楫?dāng)人收縮兩臂的時(shí)候，對(duì)中心轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，由于角動(dòng)量守恒，角速度自然會(huì)增加。類似的演示實(shí)驗(yàn)很多，比如，利用皂膜實(shí)驗(yàn)來引入液體表面張力的概念，在介紹自感概念時(shí)引入通斷電自感實(shí)驗(yàn)等。

圖2　如可夫斯基轉(zhuǎn)椅

3基于演示實(shí)驗(yàn)的物理規(guī)律探究

物理規(guī)律是物理學(xué)理論的核心，也是物理課堂教學(xué)的重中之重?；仡櫸锢韺W(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的艱辛過程，無不是從大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和無數(shù)次探究過程中總結(jié)發(fā)現(xiàn)的。既然物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)源于科學(xué)探究，那么物理規(guī)律的教學(xué)終究離不開實(shí)驗(yàn)探究。在物理規(guī)律教學(xué)中，應(yīng)該摒棄只重視規(guī)律應(yīng)用而不重視規(guī)律發(fā)現(xiàn)過程的傳統(tǒng)教學(xué)方式。利用演示實(shí)驗(yàn)，再現(xiàn)物理學(xué)家的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程，通過探究總結(jié)歸納得出物理規(guī)律。這樣做既符合物理學(xué)科的特點(diǎn)，也符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。學(xué)生通過自主探究得出的結(jié)論往往會(huì)理解的更加透徹，此外，通過探究也培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)證的科學(xué)精神。

利用演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)律探究時(shí)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上應(yīng)該抓住主要矛盾，忽略次要因素，保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視性和實(shí)驗(yàn)的成功率，合理充分利用有限的課堂教學(xué)實(shí)踐。例如，在進(jìn)行法拉第電磁感應(yīng)定律的教學(xué)中，利用3組典型的演示實(shí)驗(yàn)[8]，如圖3所示，探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的規(guī)律：圖3(a)中，1是永磁體，2是線圈，3是電流計(jì)。線圈與電流計(jì)構(gòu)成閉合回路，當(dāng)永磁體插入線圈時(shí)，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)，說明閉合回路中有感應(yīng)電流產(chǎn)生；永磁體在線圈中不動(dòng)時(shí)，電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)，說明此時(shí)閉合回路中無感應(yīng)電流產(chǎn)生。用載有恒定電流的細(xì)長線圈4代替永磁體重做上述實(shí)驗(yàn)，見圖3(b)，也能得到類似的結(jié)果。將細(xì)長線圈4放在線圈2中，見圖3(c)，無論開關(guān)5處于閉合或斷開狀態(tài)下，電流計(jì)指針都不偏轉(zhuǎn)，但在開關(guān)閉合或斷開的瞬間電流計(jì)指針會(huì)突然偏轉(zhuǎn)。以上實(shí)驗(yàn)在課堂上由教師和學(xué)生配合演示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以總結(jié)得出電磁感應(yīng)規(guī)律：當(dāng)閉合電路的磁通量隨時(shí)間變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流。為了進(jìn)一步判斷感應(yīng)電流的方向，需要用到楞次定律。依然可再利用上述演示實(shí)驗(yàn)，但需要引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)觀察永磁體1或載有恒定電流的細(xì)線圈4在“插入”和“拔出”線圈2時(shí)，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的方向不同。圖3(c)實(shí)驗(yàn)中，開關(guān)5“閉合”和“斷開”的瞬間，電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)的方向也不同。由此讓學(xué)生總結(jié)判斷感應(yīng)電流方向的方法，即楞次定律的內(nèi)容。利用演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行物理規(guī)律的探究，揭示了物理規(guī)律的本質(zhì)，深化了學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解。類似地，可以引入滾擺實(shí)驗(yàn)來探究機(jī)械能守恒定律，利用彈性碰球?qū)嶒?yàn)來探究動(dòng)量守恒定律，應(yīng)用共振擺實(shí)驗(yàn)來探究共振規(guī)律等。

圖3電磁感應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)

4基于演示實(shí)驗(yàn)的物理應(yīng)用拓展

物理學(xué)源于生活又服務(wù)于社會(huì)，物理學(xué)和自然現(xiàn)象、人類的生產(chǎn)、生活以及科學(xué)技術(shù)進(jìn)步緊密相連。介紹物理原理在生產(chǎn)生活實(shí)踐中的應(yīng)用與拓展是大學(xué)物理課堂教學(xué)的一部分[9]。在大學(xué)物理教學(xué)中滲透STS教育(科學(xué)Science、技術(shù)Technology、社會(huì)Society)，目的是讓學(xué)生掌握物理學(xué)的基本概念和基本原理，了解這些知識(shí)的實(shí)用價(jià)值，并在學(xué)習(xí)中能夠深刻理解科學(xué)、技術(shù)本身及其對(duì)人類和社會(huì)的影響，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)、技術(shù)意識(shí)和社會(huì)意識(shí)，全面提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)[10]。利用演示實(shí)驗(yàn)，展示物理原理在生活中的應(yīng)用，是課堂教學(xué)應(yīng)用拓展環(huán)節(jié)的有效手段。

例如，在“駐波”課堂教學(xué)中，學(xué)生在了解了駐波的形成條件和特點(diǎn)之后，可以利用“魚洗”實(shí)驗(yàn)，讓他們利用所學(xué)的物理知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。魚洗是中國古代盥洗用具，一般為銅制，形似現(xiàn)在的臉盆。盆底裝飾是魚紋的，稱為“魚洗”，如圖4所示。從振動(dòng)與波的角度來分析，雙手摩擦銅耳時(shí)水面會(huì)激起浪花，原因在于雙手來回摩擦銅耳時(shí)會(huì)使銅盆發(fā)生受迫振動(dòng)，這種振動(dòng)形式在水面上傳播，遇到盆壁時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波與入射波疊加便會(huì)形成二維駐波使水面激起浪花。這樣的演示實(shí)驗(yàn)，既讓學(xué)生鞏固了所學(xué)知識(shí)，也讓學(xué)生對(duì)駐波的應(yīng)用從一維繩波拓展到了二維平面波。

圖4　“魚洗”演示儀

為了加深學(xué)生對(duì)駐波的理解，還可以引入火焰駐波的演示實(shí)驗(yàn)，如圖5所示?；鹈绲母叩妥兓梢灾庇^地顯示駐波的形態(tài)。老師可以提出問題：火苗最高點(diǎn)(最低點(diǎn))是波節(jié)還是波幅？引發(fā)學(xué)生思考。通過學(xué)生的討論和老師的引導(dǎo)，讓學(xué)生了解到橫波駐波和縱波駐波的區(qū)別，加深學(xué)生對(duì)駐波本質(zhì)的了解。這樣的應(yīng)用拓展，既聯(lián)系了實(shí)際，又在無形中培養(yǎng)了學(xué)生的愛國主義精神和民族自豪感，達(dá)到了課堂教學(xué)的目標(biāo)。

圖5　火焰駐波演示儀(學(xué)生自制儀器)

5結(jié)語

在進(jìn)行大學(xué)物理課程教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要積極引導(dǎo)學(xué)生參與物理演示儀器的研制，鼓勵(lì)他們參加挑戰(zhàn)杯科技作品競(jìng)賽。這些活動(dòng)既鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，又豐富了大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。此外，我校老師還牽頭編寫了《大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)》一書[6]，為大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)提供了豐富的素材。誠然，教無定法，課堂教學(xué)的方法是多種多樣的，大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量的提高任重而道遠(yuǎn)，堅(jiān)信在同行的共同努力下，大學(xué)物理課堂演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容會(huì)越來越豐富，大學(xué)物理課堂教學(xué)的質(zhì)量也會(huì)越來越高。

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Strategy to College Physics Teaching Based on the Demonstration Experiment

HE Juan，Han Xiu-lin，DING Zhi-yong

(School of Physics & Electronics Science, Fuyang Normal College, Fuyang，Anhui 236041, China)

Abstract:In this paper, the application mode of physical demonstration experiment in college physics teaching is investigated minutely. Based on the demonstration experiment, we propose the instructional strategies of the new class induct, concept construction, rule exploration and application expanding. Meanwhile, we probe the ideas of college physics course teaching reform by means of the teaching example of demonstration experiment.

Key words:physical demonstration experiment, classroom teaching, teaching strategy

文章編號(hào)：1007-4260(2016)01-0123-04

中圖分類號(hào)：G.642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.031

作者簡(jiǎn)介：何娟，女，安徽無為人，博士，阜陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榱孔有畔?、大學(xué)物理教學(xué)。E-mail:juanhe78@163.com

基金項(xiàng)目：阜陽師范學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(2012JYXM61)和阜陽師范學(xué)院基礎(chǔ)教育研究項(xiàng)目(2012JCJY21)。

*收稿日期：2015-06-11

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-15 17:05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.031.html