演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的輔助作用

王玉生，宋納紅

(1.華北水利水電學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450011;2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南鄭州450002)

演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的輔助作用

王玉生1，宋納紅2

(1.華北水利水電學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院，河南鄭州450011;2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南鄭州450002)

分析了演示實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的積極作用和地位，總結(jié)出演示實(shí)驗(yàn)中教師應(yīng)注意的事項(xiàng)，指出了演示實(shí)驗(yàn)中存在的一些問(wèn)題。演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)具有重要的輔助作用，是大學(xué)物理教學(xué)中不可缺少的環(huán)節(jié)，教師應(yīng)認(rèn)真對(duì)待，利用演示實(shí)驗(yàn)啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的方法。

演示實(shí)驗(yàn);大學(xué)物理;教學(xué)

一、引言

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是探索物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科。通過(guò)實(shí)驗(yàn)抽象和總結(jié)出來(lái)的物理規(guī)律、物理概念是大學(xué)物理課堂上講授的主要內(nèi)容。大學(xué)物理和中學(xué)物理的教學(xué)目的不同，通過(guò)大學(xué)物理課堂講授，不僅要使學(xué)生真正理解和掌握物理規(guī)律，而且應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及良好的思維能力和實(shí)踐能力。

近年來(lái)，全國(guó)各高校對(duì)物理演示實(shí)驗(yàn)都十分重視，投人了大量的資金進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和改造。演示實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理教學(xué)的重要輔助內(nèi)容，主要是任課教師來(lái)演示，學(xué)生來(lái)觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律的表演示范實(shí)驗(yàn)。它不僅是理解和掌握物理知識(shí)不可缺少的環(huán)節(jié)，而且還能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力、思維能力、探索精神以及良好的學(xué)習(xí)方法［1－5］。演示實(shí)驗(yàn)是深受學(xué)生歡迎的教學(xué)形式，是物理教學(xué)中最能激發(fā)學(xué)生發(fā)散性思維的部分，是學(xué)生與老師近距離交流的途徑。演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程突出了實(shí)踐對(duì)理論知識(shí)的檢驗(yàn)，能夠化抽象為具體，把枯燥的公式推導(dǎo)和定理證明生動(dòng)地展示給學(xué)生，把有趣的現(xiàn)象和物理定理、物理規(guī)律緊密地聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察，進(jìn)行積極思考，配合教師適當(dāng)?shù)闹v解，使學(xué)生能夠深刻地理解物理概念，清楚地掌握物理規(guī)律，達(dá)到事半功倍的效果［6－8］。

二、演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的作用

(一)演示實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在理論教學(xué)中，物理定理的證明及應(yīng)用大多數(shù)是公式推倒，而且微積分知識(shí)較多，學(xué)生感到枯燥，容易厭倦，很難對(duì)物理這門(mén)課產(chǎn)生興趣。如果在其中適當(dāng)?shù)卮┎逡恍┯腥さ难菔緦?shí)驗(yàn)，或者放映一些具體應(yīng)用物理知識(shí)的錄像，效果明顯不同。比如角動(dòng)量守恒定律這一節(jié)，在課堂上推導(dǎo)出來(lái)的結(jié)論學(xué)生不容易理解，大多數(shù)學(xué)生以前沒(méi)有接觸過(guò)角動(dòng)量這個(gè)全新的概念，甚至想象不出來(lái)是什么現(xiàn)象，很迷茫。在演示實(shí)驗(yàn)中通過(guò)角動(dòng)量守恒轉(zhuǎn)臺(tái)和“如可夫斯基凳”的演示，讓學(xué)生親自站在轉(zhuǎn)臺(tái)上或者坐在凳子上來(lái)體會(huì)角動(dòng)量守恒的過(guò)程。在角動(dòng)量守恒轉(zhuǎn)臺(tái)上，演示者、轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)所受外力矩為零，所以系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)軸的角動(dòng)量守恒。開(kāi)始時(shí)系統(tǒng)靜止，角動(dòng)量為零。演示者讓轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)起來(lái)便產(chǎn)生了對(duì)轉(zhuǎn)軸的角動(dòng)量，為了保持該系統(tǒng)的總角動(dòng)量仍然為零，演示者必須與轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)軸的反方向角動(dòng)量。同學(xué)們親眼看到轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，甚至親自參與其中，印象很深。在“如可夫斯基凳”上，學(xué)生可以通過(guò)調(diào)整啞鈴的位置來(lái)改變自身的轉(zhuǎn)速，從而掌握影響剛體角動(dòng)量的三個(gè)因素。這樣學(xué)生親身體會(huì)到角動(dòng)量守恒的過(guò)程，對(duì)定理的內(nèi)容理解也更加深刻，學(xué)生普遍反映較好。

(二)演示實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力

人類有90%以上的信息獲取來(lái)自眼睛，只有善于觀察才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)積極思考才能解決問(wèn)題。在大學(xué)物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力是一項(xiàng)重要的任務(wù)，利用演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芨行У貛?dòng)學(xué)生集中注意力觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析物理過(guò)程。在物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師應(yīng)讓學(xué)生親手參與操作，引導(dǎo)學(xué)生觀察。讓學(xué)生與實(shí)驗(yàn)儀器零距離接觸，學(xué)會(huì)排除儀器故障，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這些實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)創(chuàng)新思維。讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)，這是從書(shū)本上所不能學(xué)到的。比如光的偏振和雙折射的演示實(shí)驗(yàn)，貼在特殊玻璃板的蝴蝶和飛機(jī)模型，在白光下看是透明的，當(dāng)把他放在偏振光中就變成彩色的了。學(xué)生很好奇，接下來(lái)老師把模型從儀器中取出來(lái)，展示給大家看，讓每個(gè)同學(xué)都能看清楚模型的結(jié)構(gòu)。很快就有同學(xué)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)蝴蝶和飛機(jī)模型各部分的厚度是不一樣的。那么為什么厚度不一樣就會(huì)出現(xiàn)不同的顏色呢?學(xué)生都積極思考，很快就會(huì)聯(lián)想到光學(xué)部分的折射率與雙折射等內(nèi)容。再比如在超導(dǎo)磁懸浮的演示實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)觀察，的確看到了小車(chē)懸浮的現(xiàn)象，接下來(lái)就會(huì)分析為什么會(huì)這樣，怎樣通過(guò)電磁場(chǎng)理論中的法拉第電磁感應(yīng)定律來(lái)解釋這種個(gè)現(xiàn)象，在什么條件下才有超導(dǎo)現(xiàn)象，怎樣來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)極低的溫度等等。原理弄明白了接下來(lái)就要?jiǎng)邮謱?shí)踐，來(lái)驗(yàn)證自己的結(jié)論。通過(guò)觀察現(xiàn)象、分析原理、動(dòng)手操作等過(guò)程，不僅對(duì)所學(xué)的電磁場(chǎng)理論加深了理解，而且也提高了分析問(wèn)題和動(dòng)手實(shí)踐的能力。

(三)演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了物理學(xué)科同其他學(xué)科的聯(lián)系，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力

大學(xué)物理是工科專業(yè)的基礎(chǔ)課，有的學(xué)生不夠重視。如果演示實(shí)驗(yàn)?zāi)芙Y(jié)合各專業(yè)的特點(diǎn)，把大學(xué)物理和學(xué)生所學(xué)專業(yè)聯(lián)系起來(lái)，就能更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。比如在演示飛機(jī)升力原理的試驗(yàn)中，通過(guò)改變飛機(jī)模型方位來(lái)觀察升力的變化，可以使學(xué)生聯(lián)想到流體力學(xué)的伯努力原理，加深對(duì)原理的理解。有一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生還聯(lián)想到法拉利跑車(chē)車(chē)尾的設(shè)計(jì)，以前很難理解設(shè)計(jì)原理，通過(guò)飛機(jī)升力的演示很容易就理解了。再比如材料專業(yè)，通過(guò)演示偏振光在不同材料里面的雙折射現(xiàn)象，學(xué)生會(huì)把這個(gè)光學(xué)現(xiàn)象和自己所學(xué)的材料力學(xué)的應(yīng)力概念結(jié)合起來(lái)，加深理解。因物理演示實(shí)驗(yàn)大多數(shù)比較有趣，且和現(xiàn)代高科技聯(lián)系緊密。由此，學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，從而可以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新精神和動(dòng)手實(shí)踐的能力。

三、如何教好大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)

演示實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理教學(xué)中的重要輔助手段，教師應(yīng)該充分利用演示實(shí)驗(yàn)來(lái)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣。所以演示實(shí)驗(yàn)是教師備課的重要內(nèi)容之一，每位教師需要認(rèn)真研究和準(zhǔn)備。對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理要分析透徹，對(duì)于操作過(guò)程和步驟要很熟悉，最好能自己提前操作演示，確保演示過(guò)程順暢，避免意想不到的事情發(fā)生。演示實(shí)驗(yàn)的原理講解、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、演示過(guò)程等對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)和學(xué)習(xí)科學(xué)方法都有重要意義。教師在備課的過(guò)程中應(yīng)該從以下幾個(gè)方面著手，從而達(dá)到演示實(shí)驗(yàn)與課堂講授相結(jié)合的目的。

(一)要有明確的目的

教師應(yīng)當(dāng)明確每個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的目的，要知道演示實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證什么規(guī)律或什么定理，在具體試驗(yàn)中應(yīng)該突出哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，重點(diǎn)示范學(xué)生容易忽略的內(nèi)容，如何啟發(fā)學(xué)生積極觀察、思考、得出結(jié)論。教師應(yīng)根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和要求選擇合適的實(shí)驗(yàn)，演示的時(shí)間也應(yīng)當(dāng)配合教學(xué)內(nèi)容，在合適的時(shí)間進(jìn)行演示，有的需要課前演示，有的需要課后演示，以便讓學(xué)生更加深刻的理解概念和規(guī)律。比如，在剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)這一章開(kāi)始前，可以給學(xué)生演示陀螺的轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)動(dòng)，讓學(xué)生對(duì)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)有初步的了解，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且教師對(duì)定理的講解也不再顯得枯燥無(wú)味。避雷針的演示實(shí)驗(yàn)可以放在靜電場(chǎng)這章內(nèi)容的最后來(lái)演示，此時(shí)學(xué)生對(duì)靜電場(chǎng)的內(nèi)容已基本掌握，已經(jīng)知道了導(dǎo)體中電荷分布是由導(dǎo)體形狀決定的這一事實(shí)，而且在課堂上已經(jīng)推導(dǎo)出電場(chǎng)強(qiáng)度與電荷密度的關(guān)系。學(xué)生對(duì)尖端放電現(xiàn)象已經(jīng)有了理解，只是這種現(xiàn)象在平時(shí)很難觀察到，所以此時(shí)來(lái)演示避雷針的實(shí)驗(yàn)學(xué)生目的很明確，知道重點(diǎn)觀察什么現(xiàn)象。

(二)演示實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程應(yīng)簡(jiǎn)明

演示實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是讓學(xué)生來(lái)觀察現(xiàn)象，可以說(shuō)演示實(shí)驗(yàn)的一切功能都不能離開(kāi)觀察。只有認(rèn)真的觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象才能思考其中的原因和相應(yīng)的物理規(guī)律。因?yàn)閷W(xué)生是在老師演示的現(xiàn)象基礎(chǔ)上進(jìn)行觀察的。所以，演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象應(yīng)明確，操作要簡(jiǎn)便，最好能和實(shí)際應(yīng)用有所結(jié)合。否則學(xué)生容易失去興趣，產(chǎn)生抵觸心里。比如“光學(xué)幻影”、“液體的表面張力”、“光柵立體圖像”等實(shí)驗(yàn)都是操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯而且很有趣味的實(shí)驗(yàn)。

(三)演示實(shí)驗(yàn)要有啟發(fā)性

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)可以很好地啟發(fā)學(xué)生去思考，變抽象為形象，使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，培養(yǎng)興趣，發(fā)展能力。因此演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)有一定的啟發(fā)性，不能過(guò)于簡(jiǎn)單。通過(guò)演示吸引學(xué)生的注意力，對(duì)于出乎意料的現(xiàn)象學(xué)生會(huì)積極去思考，認(rèn)知的矛盾將上升為思維的動(dòng)力。演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象與原理之間的聯(lián)系要有一定的深度，給學(xué)生充分的想象空間。比如椎體的上滾實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察到的是椎體自動(dòng)由低向高的地方滾動(dòng)，和預(yù)料的結(jié)果完全不同。接下來(lái)學(xué)生就會(huì)仔細(xì)觀察，來(lái)找原因，最終找到剛體質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)這一概念加深理解。再比如普氏擺的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生戴眼鏡和不帶眼睛看到的結(jié)果完全不同，而且必須在只戴一個(gè)鏡片的時(shí)候才能看到現(xiàn)象。學(xué)生對(duì)于意料之外的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生濃厚的興趣，很自然地去思考其原理。教師再引導(dǎo)學(xué)生用光程差的知識(shí)來(lái)解釋這種現(xiàn)象，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)以前所學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)的聯(lián)系，從而達(dá)到了啟發(fā)式教學(xué)的目的。

(四)在演示的過(guò)程中要適當(dāng)講解

演示實(shí)驗(yàn)是引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象、思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程。所以在演示的同時(shí)教師應(yīng)適當(dāng)?shù)刂v解，如果只有手動(dòng)，而無(wú)講解，就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生觀察不仔細(xì)，不知道該觀察什么，難以達(dá)到演示的目的。由于學(xué)生缺乏觀察的準(zhǔn)確性和目的性，所以很難撲捉到反映本質(zhì)規(guī)律的現(xiàn)象，或不會(huì)把幾個(gè)現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)思考，這時(shí)就要求教師給以講解，明確演示實(shí)驗(yàn)的目的，猜想可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，讓學(xué)生把注意力集中在相應(yīng)的目標(biāo)上。當(dāng)然，教師在演示過(guò)程中的講解和提示應(yīng)適當(dāng)，不能過(guò)早或過(guò)多地提示演示結(jié)果，否則，就會(huì)扼殺學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

(五)要注意安全性

演示實(shí)驗(yàn)要確保人身和儀器安全，不違反安全操作規(guī)程，操作過(guò)程要細(xì)心，提示學(xué)生安全注意事項(xiàng)。比如，超導(dǎo)磁懸浮演示實(shí)驗(yàn)中，液氮的溫度很低，如果不小心濺到皮膚上會(huì)凍傷。所以在演示過(guò)程中教師應(yīng)該小心，帶上手套，并向?qū)W生強(qiáng)調(diào)其危險(xiǎn)性，提示學(xué)生應(yīng)按照要求操作。再比如，在靜電場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)中，電壓高達(dá)幾十萬(wàn)伏，所以危險(xiǎn)性很大，教師應(yīng)該強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)、演示步驟、如何放電等，切不可因粗心大意造成不必要的事故。

四、演示實(shí)驗(yàn)存在的一些問(wèn)題

近年來(lái)，很多高校為了應(yīng)付評(píng)估，在演示實(shí)驗(yàn)硬件上做了不少投入，而在教學(xué)上沒(méi)有重視演示實(shí)驗(yàn)的合理安排，教學(xué)效果得不到提高。有些學(xué)校甚至把演示實(shí)驗(yàn)純粹作為一種道具、一種擺設(shè)，即浪費(fèi)資源，又影響演示實(shí)驗(yàn)在學(xué)校中的形象。另外有些演示實(shí)驗(yàn)儀器質(zhì)量差、容易損壞，學(xué)校后續(xù)經(jīng)費(fèi)不夠，儀器得不到很好的維護(hù)，使用壽命大大縮短。在演示實(shí)驗(yàn)中學(xué)生參與度不夠、儀器使用率偏低等都是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中有待解決的問(wèn)題。

［1］王文好.演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的地位和作用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，(2).

［2］吳小林，趙克波.演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用及設(shè)計(jì)要求［J］.物理教學(xué)探討，2007，(10).

［3］梁竹健.努力提高物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平［J］.大學(xué)物理，1999，(6).

［4］梁法庫(kù)，路峻嶺，汪榮寶.演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的積極作用［J］.物理與工程，2002，(2).

［5］路峻嶺，陳信義，王延吉.強(qiáng)化演示實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展大學(xué)物理研究型教學(xué)［J］.大學(xué)物理，2008，(5).

［6］蔡洪濤，張?zhí)旖?，姜衛(wèi)粉.演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，(1).

［7］陶小平，黃環(huán)，孫臘珍.力學(xué)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建設(shè)與作用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2011，(7).

［8］郭力，石少波.演示實(shí)驗(yàn)制作促進(jìn)動(dòng)手動(dòng)腦的大學(xué)物理探索式學(xué)習(xí)的改革嘗試［J］.大學(xué)物理，2010，(3).

The Study of the Demonstration Experiments Supplementary Role in the College Physical Teaching

WANG Yu-sheng1，SONG Na-hong2

(1.College of Mathematics and Information Science，North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China;2.College of Computer and Information Engineering，Henan University of Economics and Law，Zhengzhou 450002，China)

Firstly，the active role of the demonstration experiments in physics teaching is analyzed.Then the questions that should be noticed in teaching are summarized.At last，the problems in the demonstration experiments are pointed out.It is pointed that the demonstration experiments play a supplementary role and are important content in the college physics teaching.Teachers should prepare carefully and use demonstration experiments to inspire students take active attitudes to think and train their science thinking.

Demonstration experiments;College physical;Teaching

G642

A

1008—4444(2012)01—0183—03

2011－11－03

王玉生(1979—)，男，河南新鄉(xiāng)人，華北水利水電學(xué)院數(shù)學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院講師，碩士，鄭州大學(xué)博士研究生。

(責(zé)任編輯:董紅克)