物理演示实验的教学

第二节　物理演示实验的教学

一、演示实验及其作用

演示实验主要是由教师在课堂上操作表演的实验。除了通常用物理仪器和实物进行的实验演示之外，演示还包括教师出示的模型、实物演示；用投影教具，模拟教具进行的操作演示；还有放映物理录像片、电影片、幻灯片等声像教学以及利用微机进行的模拟实验等。

演示实验在中学物理教学中的作用主要在于：一是利用真实、形象、生动的演示激发学生学习物理的兴趣和学习欲望；二是利用演示所展示的现象和过程向学生提供必要的生动的感性认识；三是利用演示，揭示研究对象的本质，帮助学生透过表面现象认识事物的本质；四是利用演示培养学生的多种能力，如观察能力、思维能力、动手能力等等。

由于演示实验一般是由教师操作表演，一套装置就能满足全班学生观察的需要，对实验条件的要求不高，即使是条件较差的学校，通过自制教具也能解决很大的问题。因此，演示实验是深受师生欢迎的一种教学手段。

二、演示实验的教学要求

（一）切合课题，目的明确

演示实验是配合讲授或课堂讨论进行的实验。因此，设计演示实验应当密切配合课堂讲授的内容，紧扣课堂教学的各个环节，明确演示的目的，选择最适当的演示实验，以起到突出重点、突破难点、深化理解知识的作用。例如，对于引进课题的演示，其目的在于引起学生对即将研究的问题的兴趣，激发学生的求知欲望，因而应当具有引人入胜、发人深省的特点；对于建立物理概念和物理规律的演示，其目的在于提供感性材料，借以形成概念，建立规律，因而应当具有实验条件明确、观察对象突出、演示层次分明的特点；对于深化和巩固物理概念和规律的演示，其目的在于加深理解、强化记忆，因而其特点应是在原有实验基础上变换一些条件，以利于扩展和推广。

例如，演示阿基米得定律实验，目的是在学生对“物体在水中受到的浮力与哪些因素有关”的问题充分思考的基础上，引导学生用实验来进行探究。演示时就要顺着学生探究的思路，利用弹簧秤来测定物体浸入液体后所受浮力大小。观察对象是弹簧秤读数在不同情况下的变化。演示过程：先在空气中称出悬挂重物的重量；再把重物浸入液体中（此前装满水，直至刚好要溢出时为止），将溢出的水用小桶接住；然后称小桶及水的重量，再倒出水，擦干桶，称空桶的重量（前面水与桶的总重量减去桶的总重量，即是溢出水的重量）。

（二）生动有趣，启发思维

演示实验的主要目的是通过观察启发思维，有助于认识客观规律，发展能力。因此，设计的演示实验趣味性要强，做到引人入胜，力求新奇、有趣、生动，富于启发性。在学习冲量时，为了激发学生学习的兴趣，可以做如下演示实验：将四个鸡蛋放在两张海绵垫的中间，在海绵垫的上方压两块砖，再在砖上放一片瓦片。当用铁锤敲击砖块上的瓦片后，发现在海绵垫中的鸡蛋却没有碎裂，依旧完好无损，这是为什么呢？如图6-2-1所示。

演示实验时还要注意启发学生思维，以观察推动思维，以思维指导观察。学生按照教师的演示程序思考问题，一般都能顺利进行，而要独立地辨别物理现象的本质常常会发生困难。为此，有时可设计两个表面相似而实质不同的实验，以训练思维方法。例如，在讲分子引力之前，先演示几个学生熟悉的大气压强实验：用一只注射器吊起约4千克的物体。然后演示分子引力实验：用两只铅圆柱体搓压在一起，也挂起约4千克的重物。这时，教师提出问题：“后者挂起重物的原因是什么？”教师再针对学生的回答进行分析比较。

图6-2-1　铁锤敲鸡蛋实验

学生的思维能力是在不断尝试错误和纠正错误中发展的。学生在日常生活中，因为思维方法不对，往往只凭经验形成错误观点，在演示实验中可以让错误观点暴露出来。从纠正错误中，训练正确的思维方法。例如，电源内阻不为零时，若电路中负载电阻改变，学生总认为电流变大，电源的输出功率就越大，如果用导体发热的现象进行比较演示，就有助于学生纠正错误的观点。

（三）现象清楚，效果明显

为了让课堂上所有的学生都能看清楚，演示实验的现象必须清楚，效果必须明显、直观，在设计演示实验时应注意以下问题：

首先，仪器的尺寸尤其是观察部分的尺寸要足够大，灵敏度要高，仪器放置高低适当，必要时可采取适当放大的手段，如电放大、光放大、机械放大等，以增强演示效果。其次，物理过程的变化要显著。再次，被观察的主体要对比强烈，易于分辨。为此，可采取染色、生烟、衬托背景、照明等方式来增强对比效果。

例如，“电磁波可以在固体、液体、气体中传播”的现象，学生缺乏感性认识。可以采用演示实验：把手机用塑料袋密封好，放入水槽内的水中，用另一个手机给它拨号或者发短信，结果手机可以收到信号；电磁波传播依次经过了气体（空气）、液体（水）和固体（塑料袋）。这个演示说明了电磁波可以在固体、液体、气体中传播，而且现象清楚，效果明显。

又如，在高中物理动量教学时，可以先做一个鸡蛋从高处下落的演示实验，用透明胶粘一根棉线在生鸡蛋上，在鸡蛋的下方垫一两块泡沫塑料，利用物理支架将鸡蛋缓缓升高。随着鸡蛋的升高，学生的紧张心情加剧，唯恐鸡蛋掉了下来。鸡蛋升至最高点后，突然松手，鸡蛋凌空落下。随着学生惊讶的“啊”声，鸡蛋落在泡沫垫上并未摔碎，而是反弹向上。教师在鸡蛋反弹向上时立即用手接着鸡蛋。为了说明鸡蛋并不是假的，把这鸡蛋用手拿着在距桌面十几厘米处放手，鸡蛋落在桌上立即碰破，用手一掰，鲜蛋汁流入玻璃杯中。这样的对比演示，可以让学生把观察的现象看得清清楚楚、明明白白。

（四）安全可靠，确保成功

演示实验一般配合教学进行的，基本要求之一是安全可靠、确保成功。演示实验在课堂中做，要确保无碍于学生的安全和身体的健康。为完成教学任务，演示实验要确保成功。但在许多情况下，演示实验不是费时太多，就是难以成功，严重的话，会造成整节课的失败。

一般而言，成功演示的首要条件是掌握实验原理，只有掌握实验原理，才能成功地进行演示。然后，从实验装置上找原因。以焦耳定律演示实验为例，电池为实验动力源，电阻丝为实验对象，温度计、电流表和秒表为显示器，开关、变阻器、烧瓶、煤油为调控辅助装置。如果焦耳定律演示不成功，可以从实验动力源看是否存在运用不当或欠佳的问题，如热源放热不均匀、电源内阻过大、平行光源不平行、亮度太弱等等。也可以从实验对象分析能否显示的问题，如是否光路显示模糊不清，或电阻丝太小，以致学生观察不到物理现象。也可以分析实验显示器是否有失灵或变化幅度太小的问题。也可以分析实验调控装置有无不灵敏、条件不满足的问题。

为确保演示实验成功，课前应做好充分的准备并进行试做。课前的充分准备和试做可以提高演示的成功率，但不能保证课堂上一定不出问题。出了问题怎么办？一是要镇定，切忌手忙脚乱，应认真思考和分析，尽可能及时找出原因，迅速排除故障；二是要实事求是，实验失败不可简单地用仪器不行来搪塞，更不能编造数据，弄虚作假。要向学生如实说明实验失败的原因，申明下次再做。教师这种负责的态度和科学的精神，必将对学生实事求是的科学作风的养成，产生良好的影响。三也可以适当地应变进行教学，比如把探究演示的失败的因素作为教学的转换的课题。⁽³⁾

做好演示实验是教师进行实验教学的基本功，为实现前面提到的四方面要求，增强演示效果，应从新、奇、险、迷、显等方面下工夫。

“新”，是指设计的演示实验要努力争取常做常新，这里的新是指不要简单重复熟悉的现象，而是另辟蹊径，吸引学生的兴趣。如“静电场”的引入，可用塑料泡沫带电使学生头发向上飞蓬。

“奇”，指有悖“常理”，促使学生思索。如“沸水养活鱼”实验，学生初次看到时，会感到很惊奇。

“险”，是指演示实验设计的巧妙，随着实验过程的进行，学生想象可能会有“险情”发生，就会极大地激发他们的学习热情。如机械能守恒的“铁球碰鼻”实验。

“迷”，指有意“不成功”，在迷雾中寻觅。演示实验不一定个个都能“一次成功”，有时这种不成功恰恰是教师自己设计好的。如“变压器”的磁路应闭合，若在实验中不闭合了，结果会怎样？会有意想不到的收获。

三、演示实验教学的几个问题

（一）演示实验要引导学生观察和思维

演示实验不能成为教师单向讲授的手段和工具，而应当在演示时引导学生观察和思维。在教学时，应提出问题或启发学生提出问题、做出猜想、预示现象的发生过程，再进行实验观察。或者，让学生发现问题，提出解决问题的方案，再观察实验现象。观察目的是什么、观察什么、怎样记录、怎样推理等，都要让学生明确并主动参与观察和思维中来。在演示实验教学时，激发思维冲突最为重要。因为演示结果与学生的某些固有想法相矛盾，更能引起学生积极思考，加深对物理概念和规律的理解。

用如图6-2-2所示的墨水瓶形变演示仪演示微小形变时，要引导学生观察和思维。

图6-2-2　手压墨水瓶演示微小形变

［实验装置］一只椭圆截面的大墨水瓶（容积约1升），加个橡皮塞并穿进一段长约30厘米、内径约1～1.5毫米的毛细管，并在玻璃管的一侧固定一白色的背景屏，玻璃瓶内装满红色水，使红色水的液面位于玻璃管的中段，在背景屏上做好标记。

［演示方法］

演示1：拿出椭圆截面墨水瓶（未装水），用金属棒敲几下，使学生确信是玻璃瓶。

演示2：装上红色水，用手沿短轴方向压，红色水柱明显上升，如图6-2-2（a）所示。

演示3：用手沿长轴方向压，红色水柱明显下降6-2-2（b）所示。

演示1时，要引导学生思考：手压坚硬的墨水瓶会不会产生形变？演示2时，要启发学生思考：红色水柱为什么会上升？演示3时要启示学生思考：红色水柱为什么会下降了？

（二）关于多媒体手段进行演示实验

有些演示实验可见度非常小，无法直接让全班学生都能观察到。如游标卡尺、螺旋测微器的操作过程及读数方法，各种电学实验中的操作过程及电表指针的偏转情况等。针对这种情况，可结合现代先进的教学设备，采用多媒体电化教学手段进行演示实验，增强实验效果。

1.利用投影仪对实物展示

实物投影仪的最大优点是能把较小的实物投影到大屏幕上，提高实验可见度，增强实验效果。教师在实物投影仪上演示游标卡尺和螺旋测微器的操作方法及读数方法，全班同学都能够详细、全面地观察到教师的具体操作过程和读数的方法。

2.利用多媒体视频展示演示实验

实物投影仪只能投影较小的实物，而有些实验所用仪器较多，操作过程复杂，就要采用摄像机和电子计算机等手段来演示实验进行现场直播，提高实验可见度，增强实验效果。如：在“电阻定律”的演示实验中，实验仪器较多，实验中既要改变线路连接方法，又要读出电流表、电压表的读数。只用实物投影仪不能将实验操作过程和电表读数全部投影到大屏幕上。针对此种情况，可利用电教设备，采用摄像机对演示实验的操作过程进行课堂实录，再将信号直接送到计算机中，通过大屏幕现场直播。全班同学对实验线路的连接、教师的操作过程、电表指针偏转情况及读数，都看得一清二楚。提高了实验可见度，就能收到非常好的效果。

3.利用计算机模拟演示实验

物理学中，有些物理现象或物理过程，无法直接用实验演示，而学生对这些现象和过程没有感性认识，理解比较困难，则可采用计算机模拟演示实验，增强学生的感性认识。如：分子运动特点，原子核式结构模型，玻尔模型，带电粒子在电、磁场中的运动等都无法直接用实验演示，故可采用计算机技术进行模拟演示实验，增强教学效果。

（三）改演示实验为学生实验

在力所能及的条件下，可将某些课堂演示实验改为学生实验。这样做，有助于学生实验能力的培养，也有利于激发学生学习的兴趣。如“楞次定律”一节的教学，可变原来的课堂演示实验为边做边讲实验，每两位学生发一套实验器材（干电池、电流表、原线圈、条形磁铁、导线），让学生设计实验、操作实验、处理实验数据、得出实验结论、总结出感生电流所引起的磁场方向与磁铁运动方向的关系。

又如在光学“透镜成像规律”一节的教学中，教材安排的是由老师通过演示实验总结透镜成像规律。若让学生随老师一起通过自己动手用实验总结“凸透镜成像规律”和“凹透镜成像规律”。学生通过自己动手探究“透镜成像规律”，兴致高，学习效果好，总结出“透镜成像规律”能使他们获得成功的体验。