物理演示實驗平臺可視性研究

熊俊雄+潘碧霞

摘 要：物理演示實驗中學生可視性及影響其的因素，解決的對策，物理前輩低成本實驗思想及當今的思考。

關(guān)鍵詞：演示實驗；可視性；影響因素；對策；互聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）12-0055-3

1 問題的提出：物理演示實驗中學生可視性及影響因素是什么？

如圖1所示，這是通常教師在教室中講臺上做凸透鏡成像演示實驗時的場景，由于光沿直線傳播，學生在有的區(qū)域容易看清楚實驗現(xiàn)象（如前排），有的區(qū)域難看清（后排學生為能看見實驗本能地站起來），通過長期的教學實踐，筆者發(fā)現(xiàn)存在以下的情況：

（一）最佳區(qū)——學生基本能看清演示實驗（這種情況占全體學生總數(shù)的1/5）；

（二）缺陷區(qū)——學生只能模糊地看清演示實驗（這種情況占全體學生總數(shù)的2/5）；

（三）盲區(qū)——學生無法看清演示實驗（這種情況占全體學生總數(shù)的2/5）。

學生的可視性就是能觀察到實驗現(xiàn)象的清晰、完整程度，根據(jù)上面的分析可知，在平面結(jié)構(gòu)的教室中，大約有4/5的學生不能看清楚演示實驗，可視性不佳。

如圖2，在平時的教學中影響學生觀察最佳位置的一般有以下四個因素，因素1：觀察距離L；因素2：實驗平臺的高度h；因素3：實驗器材空間尺寸大??；因素4：實驗器材相對學生的空間角度（上下方向夾角β、水平方向夾角θ，以下簡稱θ、β）。如果對學生自主實驗，實驗平臺和學生的位置自己可隨時調(diào)整，學生隨時可以取得最佳的位置。但教師演示實驗時，這幾個參數(shù)對講臺下的學生來說是固定的，學生一般只是本能地站起來（如圖1）。后排的學生，改變夾角β， 來提高觀察效果，但效果仍不理想。

2 問題的解決：提高物理演示實驗可視性的對策

教師建立演示實驗平臺（以下簡稱平臺）的思想及巧妙運用，能使學生盡量獲取最佳的觀察位置。

對策1：提高平臺的高度h。

在提高平臺高度h的思想下，有以下幾種巧妙的方案：

方案1：對于比較輕的掛圖等可以在圖紙的反面粘點清水直接按在黑板上就行，簡單環(huán)保。缺點是持續(xù)的時間不長，一般5～10分鐘內(nèi)掛圖就會掉下來（水干后），但這個時間基本能把掛圖的內(nèi)容講完。

方案2：利用大小合適的浴室中用的吸盤固定在黑板上，再把器材固定在上面，適合懸掛滑輪和杠桿等實驗。

方案3：比較可行、可靠的方法是將演示平臺建立在鐵皮黑板上（這種綠色的鐵皮黑板已普遍應(yīng)用）一般在實驗器件上或小支架上加裝強磁鐵（用螺栓或502等膠水固定），可以解決電學、光學實驗的器材上黑板的問題。（如圖3）杠桿和滑輪也可以做類似的解決。

方案4：還有種更簡單、更徹底的方法，利用可折疊支架，在黑板上搭建凸出平臺，如圖4是折疊支架及展開的情況。還有水的沸騰實驗也可以在平臺上演示，有的實驗平臺用強磁鐵可以至少承重達4 kg，能解決所有原放在講臺上的初中物理演示實驗高度h的提高問題，能較好地解決實驗可視性。

兩點說明：

1.老師擔心多次使用可能會損壞黑板，但注意動作輕巧，如先把沒有磁鐵的部分靠上黑板，再把有磁鐵的部分旋轉(zhuǎn)吸附上去，這樣對黑板就幾乎沒有影響。

2.老師擔心磁鐵吸附在電表上，對電表的精度有影響，筆者做過對比實驗，精度一樣的電流表一個裝磁鐵，一個不裝磁鐵，串聯(lián)電路中讀數(shù)是一樣的，至少人眼看不出差別。

對策2：提高平臺的高度h的同時又能通過旋轉(zhuǎn)平臺，改變θ、β角。

前面對策1的實驗平臺不能改變學生的觀察角度，有的實驗不僅要有恰當?shù)母叨?，還要改變θ、β的角度才能取得觀察結(jié)果。例如：平面鏡成像實驗，凸透鏡成像實驗， 我們可以利用生活中常見的器材通過巧妙的組合，稍做改造，就可以解決這類問題。

方案1：利用可旋轉(zhuǎn)提籃，制作過程是將4個萬向輪用螺絲分別固定在實驗室常用的提藍四角上，然后把提藍倒置就可使用了，在上面演示平面鏡成像，可以使學生在不同角度觀察。

方案2：利用相機支架，如圖5，在光具座下加塊木板，中間鉆孔，正好利用相機支架上的螺栓固定，再利用相機上的兩個高度調(diào)節(jié)和左右調(diào)節(jié)的扶手，在豎直方向調(diào)節(jié)高度和水平方向改變θ，可以把實驗的不同側(cè)面現(xiàn)象展現(xiàn)在學生眼前，這個實驗可以用一只手控制演示實驗的平臺的水平方向夾角θ。

光的反射定律中反射光線、法線、入射光線（以下簡稱“三線”）共面問題在各種版本的教材中是間接通過反射面后折后看不到反射光線間接證明的，而光折射規(guī)律中折射光線、法線、入射光線（以下也簡稱“三線”）共面問題在各種版本教材中沒有提供實驗方法而直接得出結(jié)論，甚至一個版本的教材刪除了折射時三線共面的結(jié)論，而采用下列方法可以讓學生直接觀察得出光的反射定律和光折射規(guī)律中“三線共面”的結(jié)論，采用以下方案可以直接解決這個問題。

方案3：利用人們?yōu)榉奖阍谏钪谐Ｓ玫氖謾C支架（可以旋轉(zhuǎn)θ角和旋轉(zhuǎn)β角），用一塊從教室里的簸箕上剪下來的白鐵皮輕輕敲平后固定在手機支架的手機固定面上，一大塊有機玻璃通過磁體吸附在白鐵皮上，兩個高功率強激光電筒也通過磁體吸附在白鐵皮上（可以在明亮的環(huán)境下實驗）。其中，法線用一激光電筒射出的光線替代，入射光用一激光電筒射出的光線替代。

這樣有機玻璃、兩個高功率強激光電筒在白鐵皮上的位置可以任意根據(jù)需要調(diào)節(jié)，而手機支架可以任意調(diào)節(jié)空間β角、θ角，直接讓學生從側(cè)面看見光反射時“三線”共面（可以看見“三線”合成一條光線），光的折射及通過旋轉(zhuǎn)恰當?shù)摩陆?，θ角，直接看見光折射時“三線”共面（可以看見“三線”合成一條光線）。

說明：使用這套器材前，可先問學生如何證明一張平整的紙是在一個平面上，引導得出，同學們閉上一只眼，從側(cè)面看這張紙，看到的紙是一條直線時，說明這張紙是一平面。

3 器材來源、成本、物理前輩的思想及現(xiàn)今的思考

以上提到的吸盤、不同型號的強磁鐵、照相機支架、手機支架、強激光筆都可以通過淘寶搜索購買，方便、快捷，上述所有實驗成本在三百到四百元左右?，F(xiàn)在物理實驗需要的器材基本都能在淘寶找到，把它們巧妙的組合，就能提高物理演示實驗可視性，幫助初中學生解決由形象思維到抽象思維的過渡。

上個世紀中期，蘇州大學朱正元教授曾提出過“瓶瓶罐罐做器材，拼拼湊湊做實驗”的思想，這個思想在當時物質(zhì)匱乏的情況下是對的，筆者認為在當今生活富裕的時代下也是對的。

因為這個思想能降低我們做實驗的物質(zhì)條件門檻，同時能讓我們老師有更多的選擇、創(chuàng)造的可能性，當今的“瓶瓶罐罐”不再是當初視力能及的周邊范圍的物體，在互聯(lián)網(wǎng)時代，利用強大的搜索引擎和電子購買手段使我們能在廣闊而又狹小的中國村甚至地球村尋找當今的“瓶瓶罐罐”，同時借助互聯(lián)網(wǎng)迅速地了解廣大教育工作者（不僅是物理教師，我們的眼光應(yīng)更廣）“拼拼湊湊”的想法，這些為我們自己的“拼拼湊湊做實驗”提供靈感，前輩們的思想和現(xiàn)在的物質(zhì)條件有機組合，為如今的物理教學提供了更廣闊的發(fā)展天地。

編者按：

在物理教學中提高物理實驗的可視性，是領(lǐng)導和物理教師都十分關(guān)心的問題。為此，一些著名的中學和大學物理系，都建設(shè)有便于進行演示實驗的專用教室，專用教室的地面是階梯狀的，后排學生的坐位高度是逐階上升的，教師的講桌又長又寬，便于進行演示實驗。演示實驗的教室旁設(shè)有實驗儀器的保管室，便于教師和實驗員布置實驗設(shè)施。

在近二十年來，一些先進的學校，又投資建設(shè)了多媒體教室，在演示實驗教室中引入多媒體設(shè)施，包括多媒體投影儀和實物展示儀，實驗展示的條件得到進一步完善[1]。

而國內(nèi)外教育專家則大力倡導小班上課，學生獨立地操作實驗儀器，一面操作，一面思考。通過“做中學”在實驗過程中培養(yǎng)學生對科學探索的興趣……

參考文獻：

[1]王柏廬.走進中學IT教學[M].北京：高等教育出版社，2003.

（欄目編輯 王柏廬）