对中学物理演示实验的认识和教学设计案例

--1引言“你要我做什么？你要我怎么做？”长期以来，我们的学生就是在这种被动,机械的模式下进行着学习，思想僵化，缺乏创造力。而反思我们的教学则不难发现：思想僵化，是因为我们给予学生太多的“必须”；缺乏创造力,是因为我们留给学生太少的“可能”。物理实验的教学设计,正是活跃思想,培养能力的一种好方法,好途径。传授以物理实验的基本方法，更多地让学生去思考：“我要做什么？我会怎么做？我为什么这么做？”能力的提高有一个时间积累的过程。因此，从平时的每一堂课入手，切实加强对演示实验和分组实验的教学设计，才是物理学科将能力培养与知识掌握达到最佳结合的途径。中学物理演示实验教学的现状及对策物理学是一门比较抽象的科学，是以观察、实验为基础的学科，它包含的内容极其丰富，许多基本概念、定律、定理需要学生掌握，教学过程中的各个环节密切联系。演示实验更是教学中极其重要的环节，在中学物理教学中具有不可替代性。2.1 中学物理演示实验的特点从演示实验的教学过程来看， 实验装置与教师、学生构成-----了三元教学系统，其中演示实验装置起到了建立物理情景的作用。教师的引导，激发了学生观察实验的兴趣和解释实验现象的欲望。也就是说，教师引导对激发学生的情感起了主导作用。学生在物理情景和物理情感的作用下， 主动参与观察实验， 在活动中使智力、技能和品格都得到发展 [1]。搞好物理演示实验教学，不仅能够达到使学生掌握好基础知识和基本技能的要求,而且还能使它成为学生学习探索知识的过程，从而使学生建立科学的思维方法，培养学生的创造能力，全面提高人的素质。2.2 中学物理演示实验教学的现状分析本世纪80年代以来，国内外不少物理教育工作者进行了教改实践，总的趋势都是加强物理实验教学，注重从“应试教育”向“素质教育”转轨。但我国由于应试教育的强大压力、传统教育思想的束缚、实验设备的不足及实验技术的落后等，在当前的物理实验教学中， 演示实验仍是极其薄弱的环节， 这种状况将影响学生的知识能力结构和非智力因素的发展。目前制约当前高中物理演示实验教学的主要因素主要有以下几个方面：(1)受传统的“应试教育”思想的影响太深；（2）对“物理实验在教学中的作用”的认识存在偏差； (3)对演示实验及其教学方式缺乏创新思想 [2]。2.3 如何改进中学物理的演示实验教学-----如何在现有的条件下发挥物理实验在中学物理教学中的作用，利用演示实验来激发学生的学习兴趣，启发学生的思考培养学生的实践精神和创新意识，提高学生的探索能力，需要我们在教学实践中不断探索、改进与创新。影响实验演示效果的因素及改进措施由实验的结构分析，结合中学物理教学实际，不难发现，演示实验不理想甚至失败的主要原因如下：一是实验动力源欠佳或运用不当。如热源放热不均匀、电池内阻过大、平行光源不平行或亮度太弱。二是实验对象可见度差。如光路显示模糊不清或电阻丝太小以致学生抓不住观察主体。三是实验现象显示器失灵或变化幅度太小。四是实验调控装置不灵敏、实验条件不满足。对于各类演示实验其效果不佳的具体原因有所不同。为了使演示实验能建立生动的物理情景，根据以上分析，一般来说可采取下述改进措施：一是提高实验动力源和调控装置的性能。二是突出实验对象，并使实验现象在时间和空间上加以拓宽。三是采用放大了的鲜明、形象的显示手段。发挥演示实验教学系统的整体功能为了提高演示实验的教学效果，除了从实验本身进行之外，同等重要的是要从发挥实验教学系统的整体功能方面去考虑。在做演示实验前后，讲些相应的物理学史故事及生产生活-----中的应用与趣闻，对物理观察现象予以深入的剖析和联想，都可以激发学生主动学习物理的情感。自制教具，增加应用性的演示实验物理实验离不开仪器教具，使用什么样的仪器教具是实验教学研究的重要内容。随着科技的飞速发展，当今的实验教学正在逐步采用现代化的仪器和手段。然而麦克斯韦早在上一个世纪就明确指出：“一项演示实验使用的材料越简单，学生就越熟悉，就越想彻底地获得所验证的结果。” 自制仪器是历代科学家的优良传统，一个科学巨人很难得到超前于科学预言的完善设备，科学的成就有许多情况下是伴随着自制仪器的成功而诞生的。教师在开展自制教具活动的同时， 鼓励学生也加入到自制教具的活动中， 不仅能使他们学以致用， 而且还可以开发他们的智力。自制多媒体课件。模拟演示近代物理实验利用常用仪器、教具进行演示是一种最基本的手段，而利用多媒体教学，是教学现代化的重要标志，是教学改革的重要组成部分。因为多媒体教学是指在教学过程中运用系统科学的观察手段和方法，组织多媒体信息，形成合理的教学结构，以实现教学优化，使学生真正体会到物理学科的学习方法，提高学生观察及分析问题的能力。为了能给学生一个形象的、直观-----的认识，教师可以自制多媒体课件， 利用学生计算机网络教室给学生们摸拟演示之 [3]。诸如：汤姆生的原子枣糕模型、卢瑟福的粒子散射实验等。另外还可以从网上下载一些好的软件(物理摸拟实验室、光学实验室等)，以供学生自己设计或观看。（1）科学性实验原理的科学性主要指物理原理是否正确、真实、科学，演示实验的物理现象是否真实、正确地反映实验原理。原理的正确性要求决不能弄虚作假，制造假象代替真实的物理现象蒙骗学生。如将一块窄长的薄木条放在桌面上，并向桌外伸出一小部分，在桌面的木条上盖一张报纸，并摆开，然后用拳头猛击木条伸出端的部分，这时你会发现，你并没有把报纸挑到空中，而是将木条的伸出部分折断了 4。这是一个很生动的实验，通常被用来说明大气压的存在，事实上木条的折断并非由于大气压压住了报纸的缘故，即使不盖报纸，只要打击迅速，木条也会折断，如果打击时很慢，报纸还是要被挑起，木条也不会折断，故此实验现象来说明大气压的存在是不科学的。（2）可行性主要指从仪器制作、 器材选择、实验条件和操作等方面看实验能否成功，实验能否应用于实际教学过程， 达到某一教学-----目的，往往有这样情况，设计的实验方案是科学的、正确的，但在实验的实施过程中，常受到多方面因素的限制而无法成功。（3）目的性设计的实验应具有明确的意图及其针对性， 即要求解决什么问题；得出什么结论；验证什么定理、定律、规律；建立哪些概念。教材中有些重要的规律、 概念是通过演示实验归纳得出的，这比教师单纯的讲解更易使学生接受；教材某些重点、难点学生存在疑虑， 不做实验学生无法理解接受， 这都需要及时设计、引入演示实验 5。（4）直观性演示的实验首先应具有直观形象， 直观性越好，越有利学生进行直觉思维。（5）奇特性利用奇特的现象， 渲染气氛，令人费解的实验， 诱发学生好奇心理，学生观察后，急欲揭开谜底，以激发求知欲望，提高敏锐的观察能力和思维能力。如“惯性”教学中，把一玻璃酒瓶放在桌上，瓶底压一张纸条，再慢慢拉动纸条使酒瓶随纸条向桌边缘慢慢移动， 此时学生都以为如果再移动， 酒瓶一定会掉到地上的．大家全神贯注屏住呼吸， 这时教师突然用力快-----速抽动纸条，学生异口同声发出惊叫声，当看到瓶子安然无恙时，便急切想要知道这“魔术”的奥秘6，此时，教师因势利导指出其原理，心有灵犀一点通的学生，茅塞顿开．获得了水到渠成的效果．（6）趣味性以趣味横生、引人入胜的实验激趣乐学，实验的趣味性要求实验取材于生活，学生有“亲近感”。却不知其所以然，通过亲手实验，可以使学生在好奇中感受物理知识的魅力。在轻松、富有乐趣的实验中获得知识真谛。中学物理演示实验教学设计案例3.1 巧妙验证滑动摩擦力公式的实验滑动摩擦力的考察是高考物理的重要知识点之一，它一般贯穿于选择，填空和计算题当中，是一个不可忽视的知识点。但是在日常的学习中只是通过的讲解与练习使学生掌握滑动摩擦力的公式与运用，缺乏直观性和客观性。为了解决这一问题，本人设计了一个巧妙验证滑动摩擦力公式的演示实验可以使得学生在学习这一章节的过程中更加轻松，高效率的掌握，供大家一同讨论。具体实验设计如下：-----图3.111）实验器材：长纸带；方木块A；托盘B；测力计C；砝码若干。2）实验装置：如图3.11所示。3）实验方法：将木块用测力计拉住，测力计一端固定在桌面上，木块A的下面放一长直纸带，纸带通过轻绳连接在托盘上，轻绳绕过固定在桌边沿上的定滑轮。实验时只要纸带运动，不管是否是匀速运动，木块A很块就处于静止而达到平衡状态。木块A在水平方向受到向前的滑动摩擦力 f和测力计向后的的拉力F，f=F，因此从测力计可以直接读出滑动摩擦力的大小7。改变A上的砝码个数可以较精确的找出滑动摩擦力大小和压力的正比关系。此外本实验还可以很直观的纠正学生的有关错误认识， 举例如下：误解① 一个物体在倾斜的传送带上，当传送带静止时物体匀速下滑，问当传送带向上运动 (如图3.12)时物体可能作什么运动?有很多学生认为：当传递带向上运动时传送带和物体间的-----相对速度变大，因此滑动摩擦力变大，所以物体可能向上运动。图3.12纠正：本实验装置中，增加托盘中的砝码， 纸带的运动速度增加，可以看到测力计示数即滑动摩擦力大小不变，因此上面的认识是错误的。误解②：在水平桌面边沿将一长木块匀速拉出(如图3.13)，所需的拉力将越来越小。图3.13分析：此说法的错误是认为滑动摩擦力大小与物体间的接触面积成正比。要纠正此错误，只需在本装置中把木块换一下接触面，使其另一个侧面放在纸带上， 重新做一次实验， 比较两次测力计示数即可。通过上面一系列试验可以自然得出有关滑动摩擦力的知-----识，错误认识也可迎刃而解。3.2 利用Word制作游标卡尺演示仪游标卡尺的原理及其读数是高考物理实验的重要知识点之一，尽管历届的高考多次重复出现，但从考生的答卷来看，得分率一直很低。究其原因，一方面是由于考生对有关的知识掌握不熟练，更重要的是考生只去死记有关游标卡尺读数的公式，没有真正透彻地理解其测量长度的原理。当然，这也与考生平时很少直接使用游标卡尺和中学物理实验室的客观条件有关。例如，一般的教材上都以10分度的游标卡尺为例来说明游标卡尺的原理和读数方法，但中学物理实验室只有20分度的游标卡尺，而高考则要求掌握10分度、20分度和50分度的三种游标卡尺的读数。本人用0ffice97中Word的绘图功能制作的游标卡尺演示仪简单实用，操作方便，能帮助学生快速地理解游标卡尺的原理和正确掌握读数方法。下面本人以10分度的游标卡尺演示仪为例来说明制作过程。（1）首先在Word文档下画出游标卡尺的主尺刻度．如图3.21所示。为了使刻度均匀整齐，相同的刻线最好采用复制的方法得到，然后通过设置“调整坐标线”中的“水平间距”和利用方向键或鼠标来移动和控制各刻线均匀整齐分布在同一直线上，最后利用“绘图”菜单把它们“组合”成一个整体。-----图3.212）用相同的方法画出游标尺及其刻度并使其“组合”成一个整体，如图3.22所示。图3.223）移动“主尺”或“游标尺”使两者的零刻线重合，如图3.23所示。为了使“主尺”和“游标尺”的零刻线能够对齐，在移动前必须减小“调整坐标线”中的“水平间距”。图3.234）选定“主尺”或“游标尺”，通过调整“主尺”或“游标尺”水平尺寸的大小，使“游标尺”的第 10条刻线与主尺的第9条刻线重合，如同3.24所示。至此，一个10分度的游标-----卡尺便制作成功了！你可以先选定“游标尺”，然后用鼠图3.24标或水平方向盘键“←”或“→”来移动“游标尺”来测量各种不同的长度。用相同的方法可以制作出 20分度和50分度的游标卡尺，如图 3.25和3.26所示，这图3.25图3.26里不再赘述，不同的是在调整“主尺”或“游标尺”水平尺寸的大小时，对于 20分度的游标卡尺，应使“游标尺”的第 20条刻线与“主尺”的第19条重合；对于50分度的游标卡尺，应使“游标尺”的第50条刻线与“主尺”的第49条重合。3.3用发光二极管改进中学物理实验发光二极管具有发光效率高、工作电流范围大、易点亮、-----光色多样和价格便宜的优点。用它来改进中学物理演示实验，不但新颖独特，而且便于学生观察。改进一：用发光二极管作凸透镜成像演示实验中的光源。中学物理当中“凸透镜成像”演示实验。如图3.31所示，书中采用一支点燃的蜡烛做光源，因其亮度有限，实验效果不很理想。如果采用多只发光二极管图3.31 凸透镜成像实验仪器来代替蜡烛做光源，效果就很好。方法是：用9只直径5mm的高亮度发光二极管(颜色统一为红色或绿色)，在同一平面上排成如图3.32的形状；每个发光二极管串联一个82Ω的限流电阻，图3.32电源电压取3V，电路如图3.33。把上述元件安装在一块三合板或塑料板上并插-----图3.33在原光具座的蜡烛位置上，接通电源即可进行实验。由于发光二极管亮度高且排成“F”形，不但实验效果好，而且学生更容易观察分清光屏上所成的像是倒立还是正立。改进二：用发光二极管演示玻璃变导体的实验。中学物理当中“绝缘体变成导体的实验”。如图3.34所示。教材中实验使用器材较多，而且是通过观察电流表的指针变化来进行演示验证的，学生不易观图3.34察。如果采用5只同一颜色的高亮度发光二极管和一阻值为3000Ω左右的限流电阻串联在一起。如图 3.35所示，介入直流24V电源时，二极管不发光，说明此时-----图3.3-5玻璃不导电，是绝缘体。当用酒精灯对玻璃灯芯加热几分钟后，发光二极管便慢慢的亮了起来，说明玻璃灯芯已导电，绝缘体变成导体。其实验效果既明显又便于学生观察。改进三：用发光二极管演示断电自感现象实验。高中《物理》第二册的“断电自感演示实验”，如图3.36所示，该实验虽然能够观察到断电自感现象，但对自感电动势与电源电压的高低，感应电流的方图3.36向不能表现。如果用两只不同颜色的发光二极管反向并联再串联一个限流电阻（阻值约680Ω）如图3.37所示，代替原来的小灯泡接入6V的电源中来做实验，-----图3.37既能观察到明显的自感现象， 又能有效的显示感应电流的反向过程。3.4 单摆的演示实验的设计在日常的教学工作中不少教师为了更直观地演示单摆的周期T的规律，通常采用了下述办法：在铁架台上的横杆上同时系好两个摆球，从 m 、Θ、l等物理量中，每次只改变其中一个量，使它们垂直横杆摆动，比较 T的大小、变化的规律。这种方法具有一定的直观性， 但处在不同的观察角度， 效果并不理想。如果运用两套单摆实验装置进行对比实验， 保持两个摆球运动前紧挨在一起的初始状态，并且使它们同时开始摆动，那么采用下列演示方法， 通过观察摆球回复到出发点的快慢，则更容易比较出 T的变化规律 8。（1）如图3.41所示， m、Θ、l均相同，随着摆动时间 t的推-----移，可以观察到，两个摆球总是同时回到出发点。图3.412）如图3.42所示，m、l相同，Θ不同，两个摆球仍然同时回到出发点，即 T与Θ无关。图3.423）如图3.43所示，m、Θ相同，l不同，l小的摆球先回到出发点，表明l越小，