书城科普读物动手做实验丛书--物理实验教学改革指导
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第11章 物理实验教学的方法及模式(5)

中学物理演示实验中有很多是向学生演示说明某一特定条件下物理现象出现的必然结果,从而帮助学生加深理解概念、定律的物理意义。如初中物理中“浮力定律原理演示”,“萘熔解规律演示”,分别向学生说明浮力产生的原因,浮力大小确定方法;萘熔解过程有什么规律、特点。又如高中物理中“有固定转轴物体平衡条件演示”,“验证楞次定律演示”,前者则是为了让学生懂得物体所受合力矩为零是有固定转轴物体平衡的重要条件,后者则让学生通过实验进一步理解楞次定律,学会判定感生电流的方法。

我们在进行实验教学中倘若认真研究实验、改革实验,在做完应该做的实验同时适当将实验条件改变,则会使实验结果走向原来的侧面或反面,这种经过对条件变换得出“侧”“反”。

结果的实验由于具有反证作用,我们在此可称它叫“反证”物理实验。我们在物理教学中无论是演示实验、学生实验、小实验,都喜欢对原有实验千方百计加上“反证”,在物理教学中取得了好的效果。“反证”物理实验在物理教学中到底有哪些好的作用呢?四川阆中中学贺承德、绵阳407厂子弟学校丁娟老师总结有:

增加趣味,集中思维

兴趣是吸引注意的重要源泉,物理实验是引起学生兴趣、集中学生注意力的重要手段。倘若我们在做实验时对原有物理实验进行改革、变换条件,使一个实验变为以这个实验为中心的多个实验,则可使“实验节目”增多,学生直观感受更丰富,更富有启发性,学生兴趣更浓。

[例1]我们在初中演示平面镜成像特点同时,将平面镜改为“拼接多个面镜”和“不规则曲面镜(哈哈镜)”,其成像形象逗人生趣[如图1(b)和(c)示],通过实验可启示学生懂得:对于非平面镜其成像并不符合平面镜成像特点,不可能在镜内得到一个与“物”完全对称的像。

[例2]我们在初中演示说明杠杆省力原理时,取一根“锄把棒”要学生用手捏住棒的一端,把棒举起来(如图2),其结果不少以为易于翻掌而自告奋勇走上讲台做实验的学生,尽管费了九牛二虎之力,终究以失败而告终。

这个有趣的实验,实质是将“省力杠杆”认为“不省力杠杆”,但可以使学生从“反证”实验中亲身体会到杠杆省力的原理。

[例3]我们在高中演示说明“重心、重度、平衡”时,既做了如图3(a)所示的平衡实验,使学生懂得当支承点(面)与重力作用线重合则是物体平衡的一个重要条件。同时又做了如图3(b)所示的平衡实验——在一个长方密封纸盒里藏着一个可以滑动的较重的铁块则纸盒可以在任何位置支承时保持平衡,这个实验会使讲台下学生感到奇怪不解而引起极大兴趣,然而当老师打开纸盒揭开这个“谜”时,会使学生对物体平衡条件更加深信无疑。

揭示本质,加深理解

物理实验最根本的作用是在人为控制的条件下使物理现象重现,突出现象的本质特征,帮助人们建立概念,寻找规律。倘若我们动一番思考将实验条件变化,则使实验结果走向反面,这样可让学生通过对“正”“反”物理现象的观察、比较,从而获得正确的认识,消除疑点。

[例4]我们在初中反复向学生演示说明浮力来自物体“下、上”两个面所受液体压力之差,为了使学生深信不疑这个道理,我们设法将物体底部所受液压“去掉”如图4所示:木块底用烛蜡液粘在烧杯底面上,当凝固后再将木块取脱,取脱后再将木块按原痕迹处合拢并压紧,当我们再向烧杯倒水时则会发现在一段时间内因木块底不进水而出现浮力“消失”(底无压水)的现象。这是一个非常典型的反证实验,对揭示浮力本质,帮助学生深刻理解浮力原理实在是好!

[例5]我们在高中“演示水波的干涉”实验时为了得到相干波源,安装在水槽边缘的两个振子本来置放在同一振臂上,通过幻灯投射可以在屏幕上看到清晰的干涉条纹。倘若两个波源不同频率会产生稳定干涉条纹吗?这是传统演示方法给学生留下的疑问。于是,我们在做好传统实验的同时,按图5(b)所示把两个振子安装在两个不同的振臂上,向学生演示非相干波源不产生稳定干涉条纹,这样便可消除疑惑,加深理解产生干涉的条件。

正反对比,强化记忆

对比是物理教学中一种惯用的手法,通过对比一方面可以进一步弄清被研究对象与其它相近或相似物理现象的区别和联系,另一方面可使被研究对象内含的物理原理在“正”“反”实验比较中更加清晰显明,给学生留下深刻的记忆。

[例6]如高中物理教学中常用演示实验“压缩气体点火”用来说明外力对气体做功可以增加气体内能,与此同时我们又在大号注射器内预先放入酒精棉球,当迅速向外拉动注射器活塞时,可以看到注射器筒内出现一团“雾气”,这便是气体绝热膨胀时内能减少后出现的物理现象,这个实验是“压缩气体点火”的相反物理过程实验,有了后者实验与前边实验对比,使气体对外、对内做功所出现的必然结果得到验证。气体的内能与做功的关系给学生留下了明显有趣的直观形象(如图6所示)。

[例7]高中物理中“用显微镜观察布朗运动,是一个非常重要的演示实验,但常见学生产生以下误会:一是认为“小黑点”的运动就是分子在运动,二是认为“布朗微粒”为何一定要十分微小的物质颗粒。于是我们除做好原来的观察实验外,另外补充两个实验:一是让学生直接用“高倍显微镜观察水分子运动”,二是让学生在水中放入自己认为可以被分子碰撞而动的所谓轻盈小物体(有的学生放面粉,通草屑,细沙粒等)让学生观察,其结果是:高倍显微镜无论怎样调节也看不到水分子运动行迹;自己所谓的轻盈微小物体根本不能被水分子运动推动。这样便逼着学生去思考所谓布朗微粒应该是怎样的微粒?为什么只有布朗微粒会发生运动?为何布朗运动没有规则?为何布朗运动可以反映分子无规则的热运动。

由于增加了对比实验,把学生对物理问题的认识导航到正确的方向,消除了闷在心中的疑点,解开了疙瘩,使所学知识理解深透,记得牢靠。

引起反思,探索发散

物理实验将突出本质特征的物理现象展现在学生眼前,引起学生对种种物理现象的反思和疑问。倘若我们对很多传统的物理实验大胆改革,恰当增加反证(或侧证)实验,会给青少年学生思考物理问题提供更多的直观依据,使他们对大自然所发生的千奇百怪的现象想得更多、思考得更远。

[例8]如我们在高中物理做“圆孔衍射演示实验”时有意将实验条件——小孔由大到小逐渐改变,则出现如图7所示不同的实验结果:即由“影”→“像”→“衍射光斑”,让学生通过对已学过的光的直线传播物理现象的反思引出光的波动传播现象。当我们讲述了光的衍射原理后,又趁热打铁补充了“双缝衍射”、“纱缝孔衍射”、“小圆屏衍射”。

由于围绕同一个实验而设计的反证、侧证实验增多,使学生能通过不同角度深入理解光会发生衍射的条件,观察光发生衍射时出现的种种物理现象,从而启发学生去思考弄清很多物理问题。如当我们提出“为什么光学显微镜放大率一般不能超过3000倍?”的疑问时,有不少同学都能从“由于光穿过极微小物时发生衍射现象,使我们无法看到物象”上找原因。有个别学生大胆提出设想:如果显微镜光源采用一种“超短波长”的光波也许可以使显微镜倍数提高很多。

又如我们在初中物理做“演示说明压力的实验”时,除作了铁块对水平桌面、斜面、竖直墙壁的压力演示外,同时还演示了由液体产生的压力,由气体产生的压力,让学生懂得世界是由物质组成的,物质间相互关联,无论以什么形态存在的物质都可能产生压力作用。由于实验的启发,使讲台下处于物理知识启蒙状态的初中小同学也敢于思考探索提出疑问,有的学生问老师“地球对人有压力吗?宇宙对地球有压力吗?”“太阳光有压力吗?”

其实,上述学生作出的回答、设想、提问都具有一定的科学道理。怎样由实验方法唤起学生对科学问题的兴趣及探索,正是笔者撰写此文需要探讨的问题。

物理教学中的“实验研讨法”

教学有法,但无定法,要提高物理学质量必须不断地改进教法。湖南省东江师范学校陈世贤老师介绍了在以“学生为主体,教师为主导,实验为主干,训练为主线”的课堂教学改革模式中,采用“实验研讨法”进行教学的做法:

实验研讨法,就是把基础知识教学和培养学生的能力融会在物理实验教学之中的一种教学方法。其特点集中表现在三个“重视”上:

(1)重视学生动手实验。

教学中设法把教师的演示实验改成学生实验,或把教材中的验证性学生实验提前到讲授新课时,改成让学生动手做的探讨性实验。这样,可激发学生的学习积极性,发挥他们在教学活动中的主体作用,使他们在实验过程中获得知识,增长才干。

(2)重视基础知识教学。

在学生从实验中获得感性认识的基础上,教师有目的地指导学生阅读教材,并结合实验重点讲解,启发学生积极思维,把感性认识升华到理性认识。这样,可使学生加深理解物理概念,掌握物理规律。

(3)重视学生的能力培养。

通过实验、阅读教材、重点讲解、解题训练等多方面的教学活动,有利于培养学生的观察能力、实验操作能力、自学能力和创造思维能力等。

“实验研讨法”的教学程序,一般分五步进行:提出研讨问题、组织学生实验、阅读教材内容、教师重点讲解和精选例题训练。

“实验研讨法”适用初中、高中和中师物理课堂教学,但不是每节内容都用此法。要采用它应从三个方面考虑:一要考虑教材内容,应是重要的物理概念或规律;二要考虑实验,应用的器材较少,操作简便,效果明显;三要考虑学生的实际,应具有学习新知识的基础和进行实验操作的基本技能。

“实验研讨法”冲击了旧的教育思想,改变了“教师讲学生听”的传统教学方法,突出了物理学以实验为基础的学科特点,符合学生的心理特征和认识规律,提高了课堂教学效率,有利于加强物理基础知识的教学和学生能力的培养。

现以“楞次定律”这节内容的教学为例,简述如下:

楞次定律是电磁学中的一个重要定律,是判断感生电流方向的一种极其重要的方法。高中或中师学生由于局限于在初中学过的右手定则判断感生电流的方向,对穿过闭合电路中磁通量发生改变是产生感生电流的条件不熟悉,所以应用楞次定律判断感生电流的方向感到困难。

楞次定律是教学中的重点,又是一个难点。

在教这节内容时,安排了两个课时:第一课时是在教师指导下让学生做实验,使他们在观察实验中掌握楞次定律的实质;第二课时主要进行课堂训练,让他们做一些不同类型的题,获得一些解题方法,发展他们的智力,培养能力。具体做法是:

提出实验要求,引出研讨问题

先在黑板上画出如图1所示的电磁感应实验图,再要求学生做实验,从实验中观察当条形磁铁插入或抽出时,螺线管上感生电流的方向有什么不同。

紧接着提出下述问题:像这样穿过闭合电路的磁通量发生改变而产生的感生电流方向,能否仍用右手定则来判断其方向呢?有没有其他方法?

这样,带着要研讨的问题引出新课题:楞次定律——判定感生电流方向的另一种方法。