初中物理演示实验的科学设计

李　琳

(江苏省泰州市姜堰区励才实验学校，江苏　泰州　225500)

初中物理演示实验的科学设计

李琳

(江苏省泰州市姜堰区励才实验学校，江苏泰州225500)

摘要：实验教学是物理教学的基础，教师对演示实验进行科学设计，可以帮助学生理解并应用物理知识，对学生的课后学习或动手实验也有一定的启发作用.

关键词：初中物理；演示实验；科学设计

物理是一门以实验为基础的科学，初中物理实验在教学中的作用尤其重要.通过物理实验，可以检验真理，使理论在实践中得到应用，帮助学生解决心中的疑团，这是其他教学方式或教学手段都无法替代的.

俗话说，教师是学生的楷模与榜样，是学生的引路人.演示实验在实验中就起到“引路”的作用.演示实验是指在课堂上主要由教师示范操作，启发和引导学生对实验进行观察和思考，以达到一定教学目的的实验教学方式.演示实验为学生提供感性认识材料，并在此基础上引导学生思考，从而形成科学概念和规律.教师做好演示实验，对学生接受并理解物理知识很有帮助，对学生的课后动手实验操作也有一定的启发作用.演示实验要想取得成功或提高课堂教学效果，教师必须在演示前做好充分的准备，确保万无一失.

1演示实验的准备工作要充分

实验的设计要以科学的实验原理为依据，明确实验的目标，能预测整个实验过程中可能会生成的一些问题，使实验现象直观、明显，使整个实验过程具有可操控性.

1.1实验原理的阐释

实验原理是整个实验的灵魂.只有理解了实验原理，才会避免实验过程中的随意性、盲目性，才会更好地掌握实验的操作流程，才会进行真正的探究性实验.否则，一切操作都是徒劳，劳而无功，既没有学到知识，又浪费了宝贵的时间.所以，教师一定要阐释清楚每个实验的原理，并让学生弄清楚各个原理之间存在的联系.

1.2实验目标的明确

从知识与技能、过程与方法等方面明确实验的目标，这对完成教学任务、提高教学效率有着重要的作用.当然，这对学生形成敏锐的观察力、把握思维的层次性、培养学生的操作能力也很有帮助.

1.3实验问题的预设

在做演示实验前，精心备课的教师肯定会对每个演示实验中可能出现的问题都会提前一一罗列出来，能对产生的问题做出相应的解释.到底是由于实验器材的不够精密产生的问题，还是由于操作过程的不严密产生的问题，都要在教师的掌控之中.这样，在面对学生扑面而来的问题时，才会应对自如，做到胸有成竹.

例如，在苏科版八年级物理下册课本第六章“测量水的密度”实验中，尽管实验数据尽可能地精确，计算水的质量与体积的比值(即水的密度)并不是“1.0×103kg/m3”.这是怎么回事？如果有的教师真的不知道这个原因，凭他的教学智慧，会告诉学生可能是由于实验误差导致的结果，这样也能消除学生心中的疑惑.其实，真正的原因并不是这样.水具有这样的特性：在一个标准大气压下，等质量的水在4℃时体积最小，密度最大；水温在4℃以上时，体积变大，密度变小，叫热胀冷缩；水温在4℃以下时，体积也变大，密度变小，叫热缩冷胀.在实验过程中，温度会影响水的体积，使水的密度发生一定的变化，所以水的密度不是1.0×103kg/m3那就不足为奇了.教师这样给学生阐述理由时，才会真正地解决学生心中的疑惑.

总之，只有充分理解并掌握实验原理，明确实验的目标，能从容不迫地应对学生提出的问题，才能充分发挥实验者在科学实验过程中的主体作用.

2演示实验的器材设计要巧妙

在做演示实验时，实验器材是映入学生眼帘的第一要素.该演示实验能否激发学生的求知欲，培养学生学习的兴趣，实验器材功不可没.所以，教师在选“材”上要多花功夫.

2.1器材的选取和设计要简洁

演示实验器材选取得当，不仅可以降低操作过程的繁琐性，还可以让学生一目了然地观察到实验现象，再细致入微地深入观察、研究.否则，实验操作麻烦，程序繁多，会让学生看得眼花缭乱，找不出关键的现象和主题，使学生逐渐地对实验失去兴趣，甚至对物理的学习产生排斥心理.

例如，在苏科版九年级物理上册课本第十三章“探究并联电路特点”实验中，可以选择图1和图2的两个电路图去研究开关的作用，而不选择图3.

初三学生刚刚接触电路方面的知识，对电路只有很浅显的认识.将开关先按图1电路接在干路中，开关通断时会看到很明显的现象；再将开关按图2电路接在某一支路中，开关通断时也会看到很明显的现象.可是，如果直接根据电路图3进行探究，他们会觉得电路图很复杂，操作起来也很困难，实验现象也容易发生错乱.可见，器材的选取和设计非常重要.

2.2创造性地设计、改进实验器材

通过实验，学生能获取感性知识，并能培养学生观察力、创新能力.如果教师在课本实验的基础上，再创造性地设计或改进实验器材，会使学生的创新思维能力得到更好地发展，使学生逐步变成创新型人才.

图4

譬如，在苏科版八年级物理下册课本第十章“大气压强”实验中，可以利用图4所示实验来代替课本中的“覆杯实验”.首先，用手指封住瓶盖上的小孔，倒过来，装上部分水.然后，用一张纸贴在底部，用另一只手托住，倒转过来，松开这只手，会发现纸和水都没掉下来.这就证明了大气压强的存在.最后，再将封住小孔的那只手指移开时，纸和水迅速掉下来了，再次说明了大气压强的存在.松开封住小孔的那只手指时，有空气进入了瓶内，向下的大气压强和向上的大气压强相互抵消，纸和水在重力作用下运动而下落.这个实验改进后的好处在于，可以有效地消除学生头脑中“由水的粘性吸住纸”的这个想法.当然，我们也可以将课本中的玻璃瓶改成塑料瓶，再在塑料瓶的底部戳一个小孔，重复上面的实验，也能起到一样的效果.教师改进教学器材后，既能利用演示实验验证真理，又通过一个巧妙的设计环节进行验证实验，更有利于学生科学概念的建构.

2.3取“材”源于生活，贴近生活

图5

笔者在备“动能与势能之间相互转化”的作业时，发现有一道题目是这样的：“为探究能量转化，小明将小铁块绑在橡皮筋中部，并让橡皮筋穿入铁罐，两端分别固定在罐盖和罐底上.实验装置做好后让它从不太陡的斜面上滚下，发现橡皮筋被铁块卷紧了，接着铁罐居然能从斜面底部自动滚上去！其中能量是怎样转化的？”这是一道知识应用题，学生要有一定的知识迁移能力，否则，很难将动能、重力势能和弹性势能三者之间的相互转化情况弄得非常清楚.如果不进行实验操作，仅凭借抽象思维和逻辑推理，很难分析透彻三个能量之间是如何相互转化的.在课堂上评讲这道题目时，笔者就利用自己动手设计的实验装置(如图5所示)，当场操作了一下这个实验，实验现象很明显，实验刚结束，学生就把这道题做出来了.学生们很受启发，都纷纷向笔者“取经”，问是怎么做的？笔者告诉他们：用一个易拉罐(两底掏空)、两根橡皮筋和一把小锁，就做成了这个“魔力罐”.同时，笔者还鼓励学生尽量用生活中的一些物品进行改造，变“废”为宝，对于学生理论联系实际、开发智力，提高动手能力和增加学习物理的兴趣都有很大的促进作用.

所以，创造性地设计或改进实验器材，不拘泥于课本中的实验器材，可以提高实验的可操作性，不仅增加了实验的趣味性，还会引起学生强烈的探究欲望，使学生从对实验的感性认识上升到理性认识，培养学生的创新意识、创新思维、创新能力，为向社会输送全面发展的人才做好铺垫.

3演示实验的方法要得当

在不同实验教学中，我们可以采用不同种教学方法.在演示实验时，教师的实验方法是否得当至关重要，直接影响着学生知识的建构过程，甚至影响着学生的发展.

3.1学生演示

对于一些较简单的实验，可以让学生到教室前面进行演示，一个人或两个人合作演示，其他人注意观察.通过实验，学生学会正确地测量、观察、读数或记录.学生参与到实验中，始终保持着主动学习的状态，既培养了学生实验的技能和思维能力，又培养了学生的科学态度和实事求是的精神.

3.2教师演示

对于一些较复杂的或安全性不高的实验，教师要讲解清楚本实验有哪些危害，并劝诫学生课后尽量不要模仿.比如，在讲酒精灯的正确使用时，为什么不能用一个酒精灯去引燃另一个酒精灯，万一酒精洒到桌面上并燃烧了起来，该怎么办？这些实验操作，教师一定要亲力亲为，否则会造成不良后果.

3.3师生互动演示

师生互动演示实验是教师与学生实验相结合的一种方式，主要由教师操作，学生参与到实验中，体验实验的乐趣.学生会从被动学习转变为主动学习，利于知识的生成、各种学习能力的培养.比如，在讲《电磁感应》这一节时，利用旋转微风扇的叶片进行发电，可以将发光的二极管取下，让学生用手指接触微风扇插头的两脚.胆大的学生“试触”之后，会有“触电”的感觉.这种零距离的接触，会给学生留下非常深刻的印象，满足了学生的好奇心，增强了他们学习物理的兴趣.

3.4利用现代教育技术演示

(1) 利用多媒体演示

教育心理学研究表明：人获取的外界信息中，83%来自视觉，11%来自听觉，3.5%来自嗅觉，1.5%来自触觉，1%来自味觉.显然，增加视觉、听觉信息量是获取信息最可取的方法，多媒体手段恰好在视觉、听觉效果方面有其独特的优势.

在物理实验教学过程中，难免有些实验很难操作、可视性不强，教师就可以因地制宜地利用课件中的Flash动画等展示这些实验过程.

有些实验器材体积很小，教师在演示过程中，坐在教室中间靠后的学生根本无法看清实验现象.教师可以利用展台将实验过程进行全程投影，在放大实验器材的基础上，照顾到了全班所有的学生，让每个学生都能同时看到实验现象，根据看到的实验现象进行下一步的分析与研究.

另外，教师在讲解光学知识时，还可以利用投影仪的灯光做一些与“光”有关的实验.譬如：在讲《光的直线传播》这一节时，可以利用投影灯光在屏幕上做出不同形状的影子，来帮助学生理解“光在同种均匀介质中是沿着直线传播的”.在做“光的色散”实验时，可以将太阳光经过三棱镜折射出的多种色光投射到屏幕上.不仅弥补了演示实验的缺陷或不足，还拓宽学生的知识层面，陶冶学生情操，大大地提高了教学效率.

(2) 利用DIS实验演示

DIS结合传感器、数据采集器和计算机技术，通过各类传感器采集到的各种具有模拟特征的实验量转换成能被计算机接受的数字量.那些想做而没法做的实验、实验现象几乎无法捕捉得到的实验，完全可以利用DIS实验系统进行探究.

例如，在探究“作用力与反作用力”实验中，课本中的实验有几个很有意思.其中一个实验是这样的：一个小孩穿着旱冰鞋推墙壁，墙没动，小孩反而被反推出去了.墙壁受到小孩的推力但没动，小孩动了，是因为受到墙壁对他的推力.这样，只能知道两个力方向是相反的，很难知道两个力的大小是相等的及作用力与反作用力的其他特点.所以，我们就可以利用DIS实验，很清楚地反映作用力与反作用力的所有特点.

如图6所示，两个力可以分别用两列曲线来表示.作用力与反作用力的大小、方向关系，两个力是同时产生、同时消失的特性一目了然.

图6

当然，DIS实验还有其他功能，如图像的拟合，或针对其中一部分图像进行数据的分析等等.由于DIS实验在数据采集和分析处理方面具有强大的功能，因而可以节省时间，并进行对比或跟踪观察，了解某一物理量的变化过程.通过DIS实验，既可以拓展演示实验的深度，又增加了演示实验的说服力和可信度，提高了教学效率，更重要的是给教师和学生提供了探究科学的良好环境，为学生今后更好的发展创造了有利条件.

4规律的得出要科学

通过对实验数据的统计、对实验现象的分析，能够很自然地得到所要的物理规律.通过演示实验，从观察到的实验现象出发，分析与归纳，再进行适当的数据处理，最终得到科学规律.不仅是对刚刚实验的肯定，又为接下来的实验或探究提出的新问题做好铺垫.

著名教育家波利亚曾指出：“获取知识的最佳途径是自己的体验，因为自身体验最清楚，也最容易得出其中的内在规律、性质和联系.”亲历实验的演示，既给自己一个锻炼的机会，又给他人一个学习的机会.在初中物理实验教学中，演示实验的科学设计不仅会提高教学效果，而且还会激发学生的求知欲，增强学生的学习物理的积极性和学习兴趣.要使演示实验能在课堂上成功地进行，除了在课前做好充足的准备，教师还必须掌握科学的演示实验的基本技能和基本方法，具备实验演示的科学素养，认真进行物理实验的探究与设计.

参考文献：

[1] 蔡铁权,藏文彧,姜旭英.科学实验教学与研究[M].上海：华东师范大学出版社,2008:12-14.

[2] 卢海果.创新思维在物理实验中的应用.学园,2010,28(4).

[3] 周顺丰.创造性思维训练在物理实验教学中的实践.物理通报,2004,30(4).