演示實(shí)驗(yàn)在高師物理教學(xué)中的設(shè)計(jì)與實(shí)施

孟慶國 付淑芳

摘要：文章通過研究演示實(shí)驗(yàn)在高師物理教學(xué)中的設(shè)計(jì)與實(shí)施，結(jié)合不同教學(xué)環(huán)節(jié)中演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，全面分析了演示實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)原理的探究、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)過程中如何與物理理論教學(xué)結(jié)合起來，為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、探究能力及物理思維提供有效的科學(xué)平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)原理探究;實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析;實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)

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

一、 高師物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用及意義

高師院校授課的對(duì)象大多是將來的物理教師，他們對(duì)物理現(xiàn)象及本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，物理規(guī)律的應(yīng)用在很大程度上會(huì)在將來的物理教學(xué)中傳承下去。尤其是我們國家的中學(xué)物理教學(xué)，許多實(shí)驗(yàn)還是在教師講實(shí)驗(yàn)，學(xué)生背實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式下完成的。學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)理念的實(shí)際應(yīng)用還有哪些，學(xué)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(xué)生。這正是我們國家自然科學(xué)落后的一個(gè)重要原因，學(xué)生探求知識(shí)的本質(zhì)，認(rèn)清物理規(guī)律的意識(shí)都被完全同化了。什么是正確的？學(xué)生認(rèn)為教師講的、書上寫的、考試考的這就是他們?cè)搶W(xué)的。至于本質(zhì)、創(chuàng)新都與他們無關(guān)！這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的瓶頸可以通過課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)得到改善。這就需要物理教師具備設(shè)計(jì)、研究物理演示實(shí)驗(yàn)的能力，而這種能力的培養(yǎng)與大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的課程開設(shè)情況是密不可分的。

高師物理演示實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的作用及意義主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1.演示實(shí)驗(yàn)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感知到物理知識(shí)的奇妙，清楚所學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系。充分認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)的實(shí)效性，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.演示實(shí)驗(yàn)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的意識(shí)。演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是參與性更高，一些演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)施環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生親自參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過這種親身體驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理過程、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)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(shí)效性要長得多，學(xué)生更容易長時(shí)間掌握。

3.演示實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)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(shè)計(jì)完成，學(xué)生掌握的不僅是物理現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)許多學(xué)生和教師都認(rèn)為是研究光的干涉特性的物理實(shí)驗(yàn)，但其實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)本質(zhì)卻是長度測(cè)量的一個(gè)裝置，換句話說這個(gè)儀器是利用光學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)微小位移的測(cè)量。

二、高師物理教學(xué)中實(shí)施演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效途徑

演示實(shí)驗(yàn)是高師物理中重要的教學(xué)手段，他不僅可以豐富教學(xué)環(huán)節(jié)，而且可以培養(yǎng)與鍛煉學(xué)生認(rèn)知物理本質(zhì)的能力。通過合理科學(xué)的有效途徑實(shí)施這種教學(xué)，可以在課堂上達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

1.演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析是認(rèn)識(shí)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(rèn)識(shí)物理原理、規(guī)律的有效手段。在大學(xué)物理理論教學(xué)中一些較為抽象的理論學(xué)生理解起來較為困難。例如光的偏振原理，學(xué)生可能知道偏振的產(chǎn)生是光路材料對(duì)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(dòng)方向的優(yōu)勢(shì)。但他們對(duì)左右旋光的理解卻是很困難的，因?yàn)檫@個(gè)現(xiàn)象不容易直接觀測(cè)到。這時(shí)演示實(shí)驗(yàn)就可以發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，教師可以利用磁光現(xiàn)象進(jìn)行演示左右旋光的存在與區(qū)別。一束平行于磁場(chǎng)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(duì)于磁場(chǎng)方向而言的，如果磁場(chǎng)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(gè)圓偏振光的旋轉(zhuǎn)電矢量，又恢復(fù)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中我們即可觀測(cè)到檢偏器會(huì)因?yàn)樽笥倚獾拇嬖诙a(chǎn)生不同方向的偏轉(zhuǎn)角度θ。這樣一來學(xué)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(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)原理分析是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的有效手段

演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往我們更關(guān)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(shè)計(jì)的，為什么要這樣設(shè)計(jì)。其實(shí)這樣的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的仍然是驗(yàn)證性或者展示性，沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)性、探究性的教學(xué)目的。更談不上培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。通過分析演示實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)原理，既可以讓學(xué)生掌握相關(guān)的物理理論知識(shí)還可以培養(yǎng)他們創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力。例如：望遠(yuǎn)鏡演示實(shí)驗(yàn)儀，大家都清楚望遠(yuǎn)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(yuǎn)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?cè)谥v解這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀的原理時(shí)可將其望遠(yuǎn)過程簡化為：成像——放大——成像?？吹竭@個(gè)原理后學(xué)生就可以將小孔成像與透鏡成像結(jié)合起來設(shè)計(jì)一個(gè)單透鏡小孔望遠(yuǎn)鏡。圖示如下：

無窮遠(yuǎn)處物體經(jīng)透鏡成像在近焦點(diǎn)處，借助小孔成像的原理將中間像放大。嚴(yán)格來說小孔并沒有“成像”，只是通過幾何關(guān)系實(shí)現(xiàn)“放大”功能。通過對(duì)望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)原理的分析實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。

三、科學(xué)利用演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)促進(jìn)高師院校科普教育的全面實(shí)施

高師院校除了承擔(dān)物理本科教學(xué)以外還應(yīng)更好的發(fā)揮其科普教育的社會(huì)功能。目前國家對(duì)科普教育高度重視，要求高校及全國各級(jí)科技館要定期對(duì)社會(huì)及中小學(xué)開放進(jìn)行科普教育，發(fā)揮科學(xué)普及的引領(lǐng)作用，國家在這方面有相應(yīng)的文件及資金支持。

1.利用演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)在校本科學(xué)生開展科學(xué)普及講座

目前高師教育要求培養(yǎng)具備承擔(dān)中小學(xué)教育的全科教師人才，而在高師院校還沒有針對(duì)文科學(xué)生開展這樣的科普講座，將來他們回到中小學(xué)任教師時(shí)這方面的知識(shí)就顯得非常缺乏，不能更好地完成中小學(xué)的科學(xué)知識(shí)普及，針對(duì)這種情況在高師院校利用演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)他們進(jìn)行科普講座就非常必要。

（1）選擇合適的演示實(shí)驗(yàn)題目是開展文科科學(xué)普及的前提

由于文科學(xué)生對(duì)物理知識(shí)及一些物理現(xiàn)象知之甚少，選擇什么樣的演示實(shí)驗(yàn)題目就很重要。我們應(yīng)該選擇一些生活中常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行演示，這樣會(huì)增加他們的認(rèn)知感，同時(shí)也會(huì)調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)熱情，而且這些實(shí)驗(yàn)所需要的物理知識(shí)也相對(duì)簡單。例如：海市蜃樓、避雷針、光學(xué)散射與色散、彩虹與霓、生物靜電等。

（2）選擇科學(xué)的教學(xué)手段是開展科普教育的有效保障

由于文科學(xué)生沒有進(jìn)行過這樣的物理實(shí)驗(yàn)，他們對(duì)如何完成實(shí)驗(yàn)，如何操作實(shí)驗(yàn)儀器一無所知，所以要針對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)科學(xué)合理的教學(xué)手段。教師首先要對(duì)這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解，包括現(xiàn)象演示、操作過程、注意事項(xiàng)、物理理論。其次，教師要針對(duì)這些實(shí)驗(yàn)科學(xué)利用現(xiàn)代教學(xué)手段展示比如利用計(jì)算機(jī)模擬、PPT講解等教學(xué)手段，先讓學(xué)生熟悉了解演示實(shí)驗(yàn)的基本過程，尤其是實(shí)驗(yàn)操作注意事項(xiàng)，在保證安全的前提下，讓學(xué)生親自體驗(yàn)物理現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)中完成對(duì)物理知識(shí)的理解與掌握。

2.利用演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)承擔(dān)面向中小學(xué)科普及國培教育任務(wù)

高師院校不僅承擔(dān)在校生的教學(xué)任務(wù)，還要承擔(dān)培訓(xùn)中小學(xué)科普及一定的國培任務(wù)。

（1）在中小學(xué)科學(xué)普及任務(wù)的實(shí)訓(xùn)中要充分有效地利用演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中小學(xué)科學(xué)普及教育目前得到了國家及各省市的充分重視，習(xí)主席也在不同場(chǎng)合強(qiáng)調(diào)大學(xué)要合理利用學(xué)校有限的資源實(shí)現(xiàn)對(duì)中小學(xué)免費(fèi)開放。百年大計(jì)教育為本，而科學(xué)素養(yǎng)及科學(xué)探究意識(shí)的培養(yǎng)要從孩子抓起。在實(shí)施中小學(xué)科學(xué)普及教育活動(dòng)時(shí)我們要制定科學(xué)有效的運(yùn)營方式，讓孩子們從小養(yǎng)成探究知識(shí)，感受知識(shí)在生活中的應(yīng)用。在實(shí)施這項(xiàng)活動(dòng)中首先要制定適合孩子們研究的演示實(shí)驗(yàn)題目，建立有序的活動(dòng)制度，配備精良的物理教師隊(duì)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(yàn)式教學(xué)方式，在保證絕對(duì)安全的前提下，讓孩子們體驗(yàn)身邊的物理知識(shí)，科學(xué)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(xí)慣，為將來養(yǎng)成科學(xué)的探究能力打下良好的基礎(chǔ)。

（2）充分利用演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成對(duì)中小學(xué)教師的國培任務(wù)

目前一些高校承擔(dān)著對(duì)中小學(xué)教師培訓(xùn)的國培任務(wù)，這樣工作不僅是對(duì)他們知識(shí)上的補(bǔ)充，更重要的是要讓他們建立一種科學(xué)探究式的物理教學(xué)模式。目前在中小學(xué)教育中許多實(shí)驗(yàn)還是躺在實(shí)驗(yàn)室及在教師的PPT中，孩子們根本不能親自體驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)知識(shí)理解的作用。在實(shí)施國培活動(dòng)中要充分利用演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓教師感受到實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中的作用，這種感官及體驗(yàn)式的教學(xué)方式可以達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。首先，要通過演示實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)讓中學(xué)教師真正感受到演示實(shí)驗(yàn)的重要性。其次，鼓勵(lì)大家設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教具，在實(shí)驗(yàn)教具的設(shè)計(jì)與制作中真正體會(huì)到創(chuàng)新設(shè)計(jì)與物理講授存在的差別，也能在很大程度上調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

總之，通過設(shè)計(jì)科學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，合理運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)式教學(xué)方式。這會(huì)在很大程度上提高大學(xué)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(huì)作用，為培養(yǎng)合格的中學(xué)物理教師搭建有效的平臺(tái)。