电磁学实验的有效教学演示

王中元

(湖北师范学院 物理与电子科学学院， 湖北 黄石 435002)

0 引言

物理演示实验是物理课堂教学过程中不可缺少的一种重要的教学方式和方法。实验教学的有效性是新课程物理教学的重要保障，而物理演示实验教学的有效性则是凸现物理教学中教师主导作用和学生主体作用的重要方式之一。在实施物理新课程的教学过程中，教师通过物理演示实验教学，增强教学的直观性，落实新课程标准的教学目标，培养学生的实验观察能力，帮助学生理解相关物理知识与掌握相关物理技能。由于受实际教学条件的限制和旧的思想观念的影响，有的老师在教学过程中连有限的一些演示实验也省略了，即使是进行了实验演示也是敷衍了事，有的老师的确是进行了实验演示但也存在一些“表演”的成分，尽管有的老师根据教学内容的需要认真地进行实验演示教学，但是受实验仪器、环境、内容等因素的影响其教学效果不佳，没有充分地利用其直观性有效地引导学生观察、思考、探索。近年来，我们在物理课堂中见到了很多精彩的演示实验，特别是更多的验证型演示实验被探究型演示实验取而代之，信息技术与物理演示实验的整合为我们带来了全新视觉感受，多媒体与网络、传感器采集系统的加入，亦提高了物理课堂演示实验的“高效”性，当我们津津乐道于这些实验教学改革的时候，一些问题和困惑也逐渐凸显出来，那些看似热闹与创新的演示实验教学中却存在大量的“高耗、低效”的现象，要提高演示实验的教学效果确实是摆在我们面前的一项重要任务。电磁学是普通物理学中的重要内容，大约占现代中学物理教学内容的三分之一，而电磁学演示实验在中学物理教学中所占的比例相当大，其演示效果将直接影响着学生对电磁学知识的学习，下面以电磁学演示实验为例来谈谈实物演示实验教学的有效演示问题。

1 选择合适器材进行有效演示

物理实验离不开器材，器材是实验的基本元素，选择的器材是否恰当将直接影响演示实验的效果和物理教学效果。从物理课程教学资源的角度来看，物理演示实验器材可分为常规物理演示实验器材和非常规物理演示实验器材。常规物理演示实验器材是指学校实验室中的现有的实验器材，它通常是教学仪器厂专门正规生产的实验器材。非常规物理演示实验器材是学校实验室之外的实验材料与器材，通常是指学生所熟悉的在日常生活中易得的物品、材料、器具、人体或人体局部以及包含物理原理的现有玩具等器材。电磁学演示实验的常规器材主要包含导线、开关、电源、电学元件、磁学元件、电学仪表、成套的电磁学实验演示器材、相关电磁学演示实验配件等器材。

电磁学的内容主要包含电现象、磁现象、电磁现象，而一切电磁现象都起因于电荷及其运动，因此，有很多电磁学实验与电现象联系非常紧密，在保证师生安全的前提下，根据电磁学实验器材的特点，为增强电磁学演示实验的教学效果，一般在了解实验器材的性能、功能、电学数据指标、使用要求、使用方法的基础上，结合演示实验内容和要求合理恰当地选择相关的实验器材。例如在演示两灯泡的串并联实验时，选用“220V 15W”和“220V 60W” 的两灯泡并联在220V电路中很容易观察到60W的灯要亮一些。如果把两灯串联在电路中，即使调整总电压使15W的灯正常发光时60W的灯(实际功率也只有额定功率的1/16)也没有达到发光的程度而没有发光，容易造成学生分析与理解上的混乱。又如用安培力演示器演示安培力实验时，由于导体铜杆受到安培力在滑道上要克服摩擦力才能滚动，一般要求通过导体的电流要达到2～3A，如果用中学一般的学生直流电源就会出现过载而不能向外供电，用干电池又无法输出这么大的电流，因此，只能选择能输出较大电流的电源(如WYK-303B2直流稳压稳流电源)。在演示实验教学中还经常涉及到一些仪表、电子元器件、磁学元件等器材的挑选问题，在教学中必须整体考虑，精心设计，科学合理地选择实验器材，进一步地提高演示实验的教学效果。

2 创设实验情境进行有效演示

创设教学情境是教师教学工作中的一项基本要求，创设良好的演示实验教学情境是现代教学改革的重要任务，它是根据教学内容为完成教学目标而通过演示实验信息作用于学生，让直观的材料使学生产生一定情感反应，使之形成一种合理的教学过程结构，从而达到整体教学的最优化效果。

2．1 创设生活化的情境进行有效实验演示

物理学在日常生活中应用非常广泛，物理知识充满于我们的生活之中，运用生活中常用的材料和物品作为实验器材来演示物理实验，呈现生活化的物理现象或物理过程，创设生活化的教学情境，体验从物理走向生活，从生活走向物理的乐趣。如可用气球或废旧的塑料包装带撕成丝状后演示静电间的排斥现象，效果非常好。又如用金属盘和塑料膜演示电荷相互作用的“静电散花”实验，生动有趣，非常贴近生活，亲近感强，这类实验现象明显，真实可靠，信服感强，学生易于接受。

2．2 创设问题性的情境进行有效实验演示

物理演示实验就是将涉及到的相关物理现象或物理过程展示在学生面前，但在实验的演示过程中必须结合实验内容合理地创设问题性情境，让学生有目的有步骤地进行仔细观察，循序渐进地认真思考与探究相关问题。为增强演示实验的教学效果，更好地创设问题情境，我们可以从“奇”、“险”、“悬”、“迷”、 “显”等方面进行演示。

“奇”指有悖“常理”，学生初次看到会感觉到惊呀，这样更能激发学生深层次的思考。如演示磁浮列车倒悬着运动而不掉下去时，学生感觉到不可思议。

“险”指学生想象中可能有“险情”发生，但经过合理设计与演示，有惊无险，可进一步激发学生的学习热情。如演示静电屏蔽时，在金属笼外几万伏电压作用下的电闪雷鸣，而笼内的小鸟(或人体)却安然无恙。

“悬”指通过设计悬而未决的实验来诱发学生的学习兴趣。如演示静电跳环实验，容易使学生产生刨根问底的急切心情。又如互感实验，通过演示小灯泡不用直接与电源相连时也可以发光，把问题化为悬念，引起学生的直观兴趣，使学生在探究的心理状态下更好地接受老师发出的相关教学信息。

“迷”指有意“不成功”，让学生在迷雾中寻觅。教师的演示实验不一定个个都能一次成功，有的实验不能演示成功恰恰是我们预先设计好的。如在演示变压器实验时故意将磁路不闭合，会使教学产生意想不到的收获。

“显”指演示现象明显。一方面要提高实验本身的明显程度，另一方面对于实验现象不太明显的实验可以通过光、电、声、机械和多媒体进行放大，对于现象显现非常短暂的实验也可进行沿时处理。

2．3 创设形象性的情境进行有效实验演示

形象生动、直观明了、简单方便是物理演示实验的基本要求，由于电场和磁场都是看不见，摸不着的一种特殊物质，致使电磁学中很多知识内容显得非常抽象，难以理解，创设生动有趣、形象直观的演示实验情境是非常必要的，也是不可缺少的。根据电磁学的内容特点，对实物演示实验来说，在教学中创设生动形象性的演示实验主要包含模拟实验的演示、实物实验的直接演示和实物实验的录像演示。

模拟实验的演示是通过模仿实验对象的制作模型进行演示，或者模仿实验的某些条件进行实验演示。由于电场和磁场非常抽象，因此，在电磁学中运用模拟实验进行的演示非常多，在演示这类实验时必须注意原来本身的和被模仿的实验对象或实验条件之间应该存在共同的特征或极其相似的特征，并能有效地突出地进行演示出来。如在电场线的描绘实验中，必须指明直流电源的两接线柱之间的电场与两等量异号电荷间的电场分布情况是一样的，因此，可以用上述方法来形象地模仿两等量异号电荷间的电场线分布。

实物实验的直接演示是物理学中演示实验的主体内容，这样的例子非常多，在此不再举例。实物实验的录像演示可以是自己实物实验录像通过多媒体放大演示，进一步增强演示效果；也可以是借助他人的实物实验演示，实现资源共享，以进行生动直观的实验教学，帮助学生理解与掌握相关知识，进一步提高课堂教学效果。

2．4 创设创新性的情境进行有效实验演示

创新教育是以培养学生创新精神、创新能力和创新品质为基本出发点的教育，创设创新性的实验情境是实施创新教育的途径之一。在符合物理演示实验的基本要求时，为提高演示实验效果进行创新性设计与演示时，注意到问题情境所提到的“奇”、“险”、“悬”、“迷”、“显”等方面外，我们还可以从“新”、“美”等方面进行创新性思考。

“新”指演示实验新颖，创新性地选择与设计实验，即使是学生熟悉的现象也不可简单重复，而是另辟蹊径，引起学生的学习兴趣，这也对学生进行创新教育起到了潜移默化的作用。如用将钢针磁化后制成小磁针来演示有关磁现象，非常吸引学生，既增强了学生的学习兴趣，又提高了演示实验的教学效果。

“美”指演示实验展示的美，既存在内在的科学美，也显现出一定的外在的美。教师经过精心的教学设计，在实验演示时通过启发与引导学生在进行观察、比较、分析的过程中产生美的感受，进行美的欣赏，受到美的熏陶。如在讲导体和绝缘体时，通过演示一条干树枝和一条湿树枝(带有新鲜树叶)的导电性能不同，以突出带有新鲜树叶树枝“湿”的性质，使学生顺利地解决“雷雨时不宜在大树下躲雨”的解释，明白“湿木材导电”和“绝缘体在一定条件下可以变成导体”的道理，体验物理实验的科学之美。又如通过演示“辉光球的电场”、“高压气体放电”等实验呈现出色彩美；通过演示“静电散花”实验体现出艺术美，通过发屑或验电羽模拟演示电场线表现出形象美。

3 根据实验内容进行有效演示

物理演示实验是在一定的条件下进行的一种教学活动，它与科学研究的物理实验尽管有一些共同之点，但确实存在很多不同之处，演示实验必须面对学生，它是某些物理现象或物理过程在课堂教学中的重现与展示，是帮助学生理解与掌握物理知识的重要方法，也是物理课堂教学的重要方式。电磁学是物理学的重要内容之一，从包含的内容方面来看，电磁学演示实验主要包含电学仪表的使用、元器件性能研究、电场和磁场特性演示、电路与磁路特点演示、电磁关系及性质演示、电磁学知识应用演示等方面的内容。根据电磁学实验的内容特点，为提高演示实验的教学效果，在达到常规的演示实验基本要求的同时，合理地选择实验仪器，注意实验演示时的物理环境和电学仪表使用的“例外”情况。

演示实验一般是在教室或教学实验室的课堂中完成，由于电磁学内容的特性所决定，实验环境也就成为一些实验的重要条件。静电系列实验是电磁学演示实验的重要内容之一，它一般具有电压高、电量少的特点，一般与环境湿度、温度、射线、灰尘等因素有很大关系，如果水分子以及空气中由于宇宙射线、紫外线等产生的若干离子附着在静电实验的绝缘体表面上，会使物体的绝缘性能显著降低，使静电带电体在空气中出现自然漏电，并且对于亲水性物质尤为明显。如玻璃是绝缘体，但在相对湿度较高的环境中其表面的电阻突降非常厉害，表面带电时漏电现象非常明显。教室是教学的重要场所，如果教室通风不畅其相对湿度会较高，尽管老师在提前准备时的实验效果非常好，但将仪器在教室里放久了以后的静电实验效果就不一定好。温度也是一个不可忽视的因素，由于气温越高，水蒸汽蒸发越多，空气中的饱和水蒸汽密度越大，常常在冬季比夏季的静电实验效果要好。静电实验装置还要注意远离放电过程中的高压电源(如起电机、感应圈)，防止空气电离加剧，造成仪器严重漏电，影响实验效果。此外，还要注意通风排气，防止有火炉或有火焰燃烧时使空气电离和产生大量尘埃，影响实验的正常进行。对于磁现象实验时也应注意周围环境中的一些磁体的干扰与影响，对于交变电流电路有时也应注意周围导体之间分布电容的影响。

电学测量离不开仪表，电学仪表一般具有一定的型号、量程和等级，有各自的功能与作用，但在有的场合进行电学物理量测量时会出现“例外”情况，这是我们在进行实验演示时必须重视的。如电压表是用来测量电压的，但在测量电容器带电后两极板间的电压时就不能用电压表来直接测量，否则电容器就会通过电压表放电而中和，但我们可以用电势差计、示波器等仪器来进行测量。又如一般通过欧姆表来测量电阻以确定某电路或某元件是否断开，但对于正在通电的照明电路出现断路后就不能用欧姆表来检查与判断，我们可以用交流电压表来进行检测，即使是正在通电的低压直流电路出现断路后也不能用欧姆表来检查与判断，否则会通过欧姆表将断路电路连接起来而形成回路，使欧姆表中有电流通过使指针发生偏转显示出一定的读数，并不是指向无穷大，从而出现用欧姆表测量时的“通路”假象。再如在演示电磁感应实验时，尽管导体作切割磁感线运动而使闭合电路产生了感应电流，但由于电流太小而使有的电流计无法测量出来，也会出现一种“无电流”的假象。

4 规划实验步骤进行有效演示

演示实验是结合教学内容按照一定的步骤而进行的教学活动，但有一些实验必须按照一定的顺序进行，实验的顺序决定了相应的实验步骤，为提高实验演示的教学效果，必须更好地规划与设计合理的实验步骤。从电磁学的内容来看，需要更好地规划与设计的演示实验步骤主要涉及到实验的时空顺序变化、实验过程的顺序变化等方面的情况。

演示实验的时空顺序变化是指演示实验现象受时间或空间的影响，在实验演示时必须根据相关实验内容在一定的时间和空间条件下合理地设计好有效的实验顺序。如有些实验仪器需要提前进行预热、有些实验只能短时间通电演示、有些实验只能间断通电演示等。又如在演示静电感应时使导体带电后应及时进行相关实验，否则时间久了以后带电体在空气中会出现自然漏电而影响实验效果。再如要获得更好的演示效果，演示磁场在空间的分布要注意小磁针在空间的放置方向，演示电磁场的接收时要注意天线在空间的放置位置与接收方向。

演示实验过程顺序的变化对有些实验效果会产生一定的影响，在实验时必须根据相关实验过程合理地规划与设计好有效的实验顺序。如在接电路时一般应该断开电源，但在演示电偏转和磁偏转实验时必须先通电后调整好亮度、光点的位置，否则所加的电压或磁感强度过大会使光点偏转超过观察的范围，不能很好地进行观察与实验。又如在演示电荷守恒定律之前为防止相互摩擦的两材料先带电，就需将带电板在酒精灯火焰上来回晃动几次，利用气体电离的方法消除带电板上的电荷。

5 结束语

高效教学是现代教学的一种追求与目标，直观生动的演示实验是提高课堂教学效果的重要方式和手段，为进一步提高演示实验的教学效果，必须结合教学确定与完善实验内容，恰当地选择实验器材，合理规划实验步骤，创设良好的实验教学情境，并对现有实验适当进行优化与拓展，以获得教学效益的最大化。

参考文献:

[1]王中元.非常规物理实验的教学演示[J]. 湖北师范学院学报(自然科学版),2012,(4):79～82.

[2]陈 刚,舒信隆.新编物理教学论[M].上海:华东师范大学出版社,2006.

[3]韩景春,王中元,王素霞.物理实验教学研究[M]. 香港：银河出版社,2006.

[4]许国梁.中学物理教学法(第二版)[M].北京:高等教育出版社,1993.

[5]王中元.培养学生进行生活化物理探究实验的策略[J]. 湖北师范学院学报(自然科学版),2008,(1):95～99.

[6]王中元.物理演示实验教学的改革模式[J]. 高等函授学报(自然科学版),2010,(3):42～46.

[7]梁灿彬,秦光戎,梁竹键.电磁学[M].北京:高等教育出版社,1980.