演示實驗在高師物理教學中的設計與實施

孟慶國 付淑芳

摘要：文章通過研究演示實驗在高師物理教學中的設計與實施，結合不同教學環(huán)節(jié)中演示實驗的特點，全面分析了演示實驗在實驗原理的探究、實驗現(xiàn)象的分析、實驗過程的設計過程中如何與物理理論教學結合起來，為培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力、探究能力及物理思維提供有效的科學平臺。

關鍵詞：演示實驗;實驗原理探究;實驗現(xiàn)象分析;實驗過程設計

目前演示實驗已在許多高等院校作為選修課進行開設，這門課程可以讓學生更直觀地感受物理知識的奧秘，更好地理解物理理論知識，因此受廣大師生的喜愛。但在物理演示實驗教學中還存在著許多不足，例如許多學生還僅僅通過演示感受物理現(xiàn)象，對物理本質(zhì)并不十分清楚，而對于演示實驗的設計原理更不關心。同時一些工科院校開設的物理演示實驗課大多與科技館式的講解相類似，學生對于物理現(xiàn)象的分析以及應用原理并不清楚。作為高等師范院校的演示實驗教學來說鍛煉、培養(yǎng)學生的從師技能更加重要，他們對演示實驗的認知程度會直接影響到將來中學物理教學，因此在高師院校開設物理演示實驗非常必要。本文將結合高師物理教學中演示實驗教學的作用、方法、手段及意義進行研究。

一、 高師物理演示實驗教學的作用及意義

高師院校授課的對象大多是將來的物理教師，他們對物理現(xiàn)象及本質(zhì)的認識，物理規(guī)律的應用在很大程度上會在將來的物理教學中傳承下去。尤其是我們國家的中學物理教學，許多實驗還是在教師講實驗，學生背實驗的教學方式下完成的。學生對實驗現(xiàn)象能夠說得很清楚，但物理本質(zhì)是什么，為什么這樣設計實驗，這種設計理念的實際應用還有哪些，學生知之甚少。原因很簡單——高考不考，好多教師覺得沒有必要去弄清楚，更沒必要去講給學生。這正是我們國家自然科學落后的一個重要原因，學生探求知識的本質(zhì)，認清物理規(guī)律的意識都被完全同化了。什么是正確的？學生認為教師講的、書上寫的、考試考的這就是他們該學的。至于本質(zhì)、創(chuàng)新都與他們無關！這些實驗教學中的瓶頸可以通過課堂演示實驗教學得到改善。這就需要物理教師具備設計、研究物理演示實驗的能力，而這種能力的培養(yǎng)與大學物理演示實驗的課程開設情況是密不可分的。

高師物理演示實驗在教學中的作用及意義主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.演示實驗可以調(diào)動學生的學習興趣。通過演示實驗讓學生感知到物理知識的奇妙，清楚所學內(nèi)容與實際應用的聯(lián)系。充分認識到物理知識的實效性，調(diào)動學生的學習興趣。

2.演示實驗可以調(diào)動學生積極主動參與學習的意識。演示實驗的特點是參與性更高，一些演示實驗的實施環(huán)節(jié)可以讓學生親自參與到實驗教學中，通過這種親身體驗培養(yǎng)學生對物理過程、實驗條件、實驗現(xiàn)象的感知理解，而這種理解要比通過講解、背誦的記憶實效性要長得多，學生更容易長時間掌握。

3.演示實驗可以培養(yǎng)學生探究物理本質(zhì)的能力。許多物理規(guī)律、物理原理都可以通過物理演示設計完成，學生掌握的不僅是物理現(xiàn)象、實驗條件，更要掌握物理的本質(zhì)問題。例如：邁克爾遜干涉演示實驗，這個實驗許多學生和教師都認為是研究光的干涉特性的物理實驗，但其實驗的設計本質(zhì)卻是長度測量的一個裝置，換句話說這個儀器是利用光學性質(zhì)實現(xiàn)微小位移的測量。

二、高師物理教學中實施演示實驗教學的有效途徑

演示實驗是高師物理中重要的教學手段，他不僅可以豐富教學環(huán)節(jié)，而且可以培養(yǎng)與鍛煉學生認知物理本質(zhì)的能力。通過合理科學的有效途徑實施這種教學，可以在課堂上達到最佳的教學效果。

1.演示實驗現(xiàn)象分析是認識物理本質(zhì)的有效手段

物理原理、規(guī)律大都可以通過物理現(xiàn)象展示出來，分析物理現(xiàn)象是認識物理原理、規(guī)律的有效手段。在大學物理理論教學中一些較為抽象的理論學生理解起來較為困難。例如光的偏振原理，學生可能知道偏振的產(chǎn)生是光路材料對光波電矢量E產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生在某一方向上出現(xiàn)振動方向的優(yōu)勢。但他們對左右旋光的理解卻是很困難的，因為這個現(xiàn)象不容易直接觀測到。這時演示實驗就可以發(fā)揮它的優(yōu)勢，教師可以利用磁光現(xiàn)象進行演示左右旋光的存在與區(qū)別。一束平行于磁場方向傳播的線偏振光，可以看作是兩束等幅左旋和右旋圓偏振光的迭加。這里左旋和右旋是相對于磁場方向而言的，如果磁場的作用是使右旋圓偏振光的傳播速度 C/nR和左旋圓偏振光的傳播速度 C/nL不等，于是通過厚度為d的介質(zhì)后，便產(chǎn)生不同的相位滯后。相位滯后不同，旋轉(zhuǎn)方向也不同，在出射界面上，兩個圓偏振光的旋轉(zhuǎn)電矢量，又恢復一致，我們又可以將它們合成起來考慮，即仍為線偏振光。通過控制材料的nR與nL，從演示實驗現(xiàn)象中我們即可觀測到檢偏器會因為左右旋光的存在而產(chǎn)生不同方向的偏轉(zhuǎn)角度θ。這樣一來學生不僅能理解偏振產(chǎn)生的原理，還能更好地掌握旋光的產(chǎn)生。

2.演示實驗儀器的設計原理分析是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的有效手段

演示實驗教學中往往我們更關注它給我們展示了什么物理原理、或者物理現(xiàn)象以及他為什么是這樣的。很少有教師去研究或者分析它是怎么設計的，為什么要這樣設計。其實這樣的演示實驗教學目的仍然是驗證性或者展示性，沒有實現(xiàn)設計性、探究性的教學目的。更談不上培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。通過分析演示實驗儀器的設計原理，既可以讓學生掌握相關的物理理論知識還可以培養(yǎng)他們創(chuàng)新能力、設計能力。例如：望遠鏡演示實驗儀，大家都清楚望遠鏡種類繁多，但基本上都是由雙透鏡或多透鏡組成的，究其本質(zhì)都是將遠處的物體通過透鏡成像后再通過透鏡或透鏡組將其放大成像。我們在講解這個實驗儀的原理時可將其望遠過程簡化為：成像——放大——成像?？吹竭@個原理后學生就可以將小孔成像與透鏡成像結合起來設計一個單透鏡小孔望遠鏡。圖示如下：

無窮遠處物體經(jīng)透鏡成像在近焦點處，借助小孔成像的原理將中間像放大。嚴格來說小孔并沒有“成像”，只是通過幾何關系實現(xiàn)“放大”功能。通過對望遠鏡設計原理的分析實現(xiàn)對學生創(chuàng)新能力、設計能力的培養(yǎng)。

三、科學利用演示實驗平臺促進高師院?？破战逃娜鎸嵤?/p>

高師院校除了承擔物理本科教學以外還應更好的發(fā)揮其科普教育的社會功能。目前國家對科普教育高度重視，要求高校及全國各級科技館要定期對社會及中小學開放進行科普教育，發(fā)揮科學普及的引領作用，國家在這方面有相應的文件及資金支持。

1.利用演示實驗平臺對在校本科學生開展科學普及講座

目前高師教育要求培養(yǎng)具備承擔中小學教育的全科教師人才，而在高師院校還沒有針對文科學生開展這樣的科普講座，將來他們回到中小學任教師時這方面的知識就顯得非常缺乏，不能更好地完成中小學的科學知識普及，針對這種情況在高師院校利用演示實驗教學對他們進行科普講座就非常必要。

（1）選擇合適的演示實驗題目是開展文科科學普及的前提

由于文科學生對物理知識及一些物理現(xiàn)象知之甚少，選擇什么樣的演示實驗題目就很重要。我們應該選擇一些生活中常見的物理現(xiàn)象進行演示，這樣會增加他們的認知感，同時也會調(diào)動他們的學習熱情，而且這些實驗所需要的物理知識也相對簡單。例如：海市蜃樓、避雷針、光學散射與色散、彩虹與霓、生物靜電等。

（2）選擇科學的教學手段是開展科普教育的有效保障

由于文科學生沒有進行過這樣的物理實驗，他們對如何完成實驗，如何操作實驗儀器一無所知，所以要針對他們設計科學合理的教學手段。教師首先要對這些實驗進行講解，包括現(xiàn)象演示、操作過程、注意事項、物理理論。其次，教師要針對這些實驗科學利用現(xiàn)代教學手段展示比如利用計算機模擬、PPT講解等教學手段，先讓學生熟悉了解演示實驗的基本過程，尤其是實驗操作注意事項，在保證安全的前提下，讓學生親自體驗物理現(xiàn)象，在實驗中完成對物理知識的理解與掌握。

2.利用演示實驗平臺承擔面向中小學科普及國培教育任務

高師院校不僅承擔在校生的教學任務，還要承擔培訓中小學科普及一定的國培任務。

（1）在中小學科學普及任務的實訓中要充分有效地利用演示實驗平臺

中小學科學普及教育目前得到了國家及各省市的充分重視，習主席也在不同場合強調(diào)大學要合理利用學校有限的資源實現(xiàn)對中小學免費開放。百年大計教育為本，而科學素養(yǎng)及科學探究意識的培養(yǎng)要從孩子抓起。在實施中小學科學普及教育活動時我們要制定科學有效的運營方式，讓孩子們從小養(yǎng)成探究知識，感受知識在生活中的應用。在實施這項活動中首先要制定適合孩子們研究的演示實驗題目，建立有序的活動制度，配備精良的物理教師隊伍，最大程度滿足孩子們的探究欲望。其次，要制定安全可行的體驗式教學方式，在保證絕對安全的前提下，讓孩子們體驗身邊的物理知識，科學解釋物理現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過通俗易懂的語言講解給孩子們，讓他們養(yǎng)成探究事物現(xiàn)象及本質(zhì)的良好習慣，為將來養(yǎng)成科學的探究能力打下良好的基礎。

（2）充分利用演示實驗平臺，完成對中小學教師的國培任務

目前一些高校承擔著對中小學教師培訓的國培任務，這樣工作不僅是對他們知識上的補充，更重要的是要讓他們建立一種科學探究式的物理教學模式。目前在中小學教育中許多實驗還是躺在實驗室及在教師的PPT中，孩子們根本不能親自體驗物理實驗對知識理解的作用。在實施國培活動中要充分利用演示實驗平臺，讓教師感受到實驗教學在物理教學中的作用，這種感官及體驗式的教學方式可以達到事半功倍的教學效果。首先，要通過演示實驗室平臺讓中學教師真正感受到演示實驗的重要性。其次，鼓勵大家設計實驗教具，在實驗教具的設計與制作中真正體會到創(chuàng)新設計與物理講授存在的差別，也能在很大程度上調(diào)動學生學習的積極性。

總之，通過設計科學的演示實驗教學方式，合理運用演示實驗平臺，實現(xiàn)物理實驗體驗式教學方式。這會在很大程度上提高大學生探究能力、科研能力。充分利用高師院校的資源，更好地發(fā)揮其社會作用，為培養(yǎng)合格的中學物理教師搭建有效的平臺。