桑同常　解启荣

[摘要]本文阐述了创新性物理实验、常规实验、多媒体模拟实验、小实验、开放实验室等多种实验方法,加大了物理实验教学的力度,并在构建物理教学情境,培养具有严谨的科学态度和创新精神的人才等方面进行了探索。

[关键词]物理实验 素质教育 创新 构建

物理学是一门以观察和实验为基础的科学,观察和实验既是物理知识教学的基础,也是课堂教学中实施素质教育的主要渠道和有效手段。实践证明,只有运用多种有效的实验手段,才能构建物理学习情境,使学生在获取物理知识的同时,潜移默化地形成良好的科学素养、严谨的科学态度、实事求是的科学作风,才能培养出具有较强动手能力、富有创造精神的学生。

一、重视演示实验,提高教学质量

物理演示实验具有形象真实、生动的特点,能为学生在形成物理概念、得出物理规律前营造活生生的物理情景,使学生感受倍深。心理学研究表明,人的动作记忆效率比语言文字记忆效率要高出好多倍。经验告诉我们,一个成绩优秀的物理尖子对物理现象和物理过程具有很强的“悟性”。这种“悟性”源于日常活动丰富的感性认识。对物理学习有障碍的学生,其最大的障碍不在于智力因素,而在于缺少对日常生活的用心观察,头脑中缺少感性经验,而这些感性经验恰恰是物理思维的基础。因此,教师的首要任务就是尽一切可能,在教学中为学生展现出丰富多彩的物理现象、构建物理学习情境。

教师不仅要用好大纲规定的演示实验,甚至教材上的一段话、一幅插图、一道习题也可将它搬上“讲台”,进行演示。演示的形式可以是“教师演,学生看”,可以是“教师导,学生演”,也可以是师生同台演出。为更好地做好演示实验,教师还应不断研究实验,对实验进行改进、创新。

1.改进实验增强效果

随着科技进步,新技术、新材料、新产品层出不穷,我们可充分利用这一有利条件,选择合适的器材,改进实验和实验仪器,加强实验的可见性、科学性、趣味性,把那些原本比较困难的实验,变得容易实现,从而提高教学效果。例如:

普通电容器耐压低、容量小,用来演示充放电现象,效果不太好,利用彩电主电源滤波电容做实验,效果特好。如图1,D为1N5408二极管,A₁、A₂分别为“220V,40W”、“220V,15W”白炽灯,C为两只“400V,220μF”彩电主电源滤波电容并联。用白炽灯显示电容器的充放电过程,实验现象非常醒目。

高亮度发光二极管,亮度高、单色性、与自然环境的光线反差强烈,且寿命长、耗电少,又具有单向性,在电磁感应实验中有较多的用途。把数只发光二极管排成“L”或“F”形。在“测量凸透镜的焦距”实验中作光源,远优于用烛焰做光源。

2.挖掘配置仪器的潜在功能,使之更好地为教学服务

配置仪器由专家设计、定点生产,产品大多质量可靠、方便实用,在教学中起着重要的作用。挖掘其潜在功能,改进、创新实验,可更好地为教学服务。

在阐述麦克斯韦的电磁场理论时,我们可以准备如下实验:开启J2435型电磁波发送接收演示器,在附近放上甘肃天水长城生产J0402型演示电表,电表取交流10mA档,在两个接线柱上分别接入两条导线,但不接任何元件,不构成闭合电路的情况下,电表指针发生明显的偏转,说明电磁波中变化的电场是不依赖于闭合电路而存在的;如果把电表从交流档改成直流档,指针不偏转,说明电磁波中的电场是周期性变化的;如果把电表逐渐远离,指针偏转逐渐减小,说明电磁波随传送距离增大而减弱。

在原有器材上小小改进,拓宽了原实验的功能,也使抽象的电磁波变得“可见”。

二、充分发挥常规媒体的作用,解决疑难,拓宽视野

1.运用摄、录、放像,提高布朗运动的可见度

把600倍显微镜镜筒直立置于摄像平台上,目镜在摄像头镜头的正下方,距离尽量小些。有凹坑的载玻片、清水、吸管、英雄牌碳素墨水、牙签等备好待用。

用吸管往载玻片凹坑里滴适量水,用牙签蘸一点上层的墨水,在凹坑中跟清水调和均匀成为观察液。先移开摄像头,以常规方法在显微镜目镜视野中调出清晰的县浮微粒(小碳粒)在做无规则的布朗运动现象。再把摄像头移回显微镜目镜的上方。打开电源,调整摄像头焦距、光圈环,使电视屏幕上映出一群清晰的“浮游生物”——布朗运动现象。也可课前把布朗运动现象用摄像机拍摄下来,在电视机上播放,也能取得很好的教学效果。虽然不够直接,但可节省教学时间,使用方便。

2.运用摄、录、放像,化快为静,演示平抛运动规律

把平抛运动演示器固定在桌面上,用小锤打击弹性金属片,使球A向水平方向飞出,做平抛运动,同时球B被放开,做自由落体运动。用摄像机把两球的运动过程拍摄下来。用同样的方法拍摄两球以同样速度同时做平抛运动和匀速直线运动的过程。在电视机中播放时运用放像机的慢放和暂停功能,即可精细地研究两球的运动情况。从而容易得出做平抛运动的物体与做自由运动的物体在竖直方向的运动是相同的;做平抛运动的物体与做自由运动的物体在水平方向的运动是相同的。

3.利用视觉效应,观察水波的干涉、衍射图样

在投影器的载物玻璃上放一张边宽约25厘米的淡绿色吹塑纸(可提高观察效果),发波水槽放在吹塑纸上,槽中放入适量水。打开投影器开关,使其正常发光,调整发波水槽上的振动片、档板,用摄像机拍摄水波发生衍射的各种现象;用同样的方法可拍摄两列波发生的干涉图样。把拍摄的录像带在电视机中播放即可清晰的观察水波的衍射和干涉现象。

三、利用多媒体模拟物理实验,增加感性认识

物理中的一部分实验由于受设备、技术等因素的限制,也有些实验受实验特殊条件的制约无法进行实物实验,这种情况下适宜于运用计算机进行模拟实验。计算机三维动画不受物理设备、技术,实验时间和空间等因素的限制,能使一些枯燥、抽象难以理解的物理概念,复杂的物理变化,形态各异的运动形式,能使宏观或微观的物质世界、空间的变大或变小、时间的变长变短等直观地显示在学生面前。它逼真的表现力能极大地刺激学生的多种感觉,加深理解,增强记忆。

如楞次定律中的磁场线,重力场,原子核的人工转变,查德威克实验,链式反应等。传统的教学方法是老师在“黑板上做实验”或以挂图辅助。这种枯燥乏味的教学形式,难以提示物理概念和物理规律的真谛,而3DS制作的课件可轻而易举地弥补这一缺陷。例如:

1.动画模拟裂变,栩栩如生

在“链式反应”一节的教学中可设计如下动画。

动画一:中子向前运动撞击铀核。

动画二:被中子撞击的铀核,发生微小的爆炸现象。

动画三:被撞击的铀核分裂成两块并释放出3个中子。

动画四:释放出的3个中子继续运动,分别撞击其它铀核。

在教学过程中,可以根据需要随时调整中子的运动速度和裂变速度,观察到栩栩如生的逼真的爆炸画面。

2.动画模拟场,形象逼真

利用计算机的动画功能能模拟电场、磁场、重力场等,让客观存在的但看不见的东西变得形象逼真。例如,在研究“楞次定律”一节的教学,采用动画模拟磁通量的变化过程,并利用闪烁功能将磁感线、磁铁与线圈的相对运动及感应电流的形成显示得形象生动,让学生对“阻碍”这一关键词有深刻的理解。

四、发挥小实验的作用,训练学生动手制作的能力和创新意识

物理小实验、小制作题材广泛,内容丰富,贴近生活、直观明了、灵活性大,是一种激发学生兴趣,发挥学生创造性的有益活动。在教师的适当启发指导下,放手让学生自己干,充分发挥其积极主动性和各自的聪明才智,这样,小实验就可以搞得豐富多采、生动活泼,更有利于培养学生的创造性思维和能力。例如:在我们组织的每年一次的三小(小制作、小实验、小发明)活动中,同学们都能踊跃参与,每件成果都闪耀着创造的火花。“孔明灯”竟管是初中教材中的用以说明浮力的“古董”,但当今的师范生对其兴趣不减,当节日的夜晚几只“孔明灯”腾空而起,校园的气氛顿时热烈万分。潜望镜还是小学生自然教材中的用以说明光的反射的“小玩具”,师范生用自己制作的潜望镜来观看目标时,也显得特别投入,由衷的感叹“小小反光镜,懊妙显神奇”。近年来,学生在课外制作了潜望镜、望远镜、电铃、小电报机等近80多种小实验、小制作。

小实验不仅极大地培养、发展了学生学习物理的兴趣,而且还锻炼、提高了学生动手制作、独立操作的能力,增强了创造意识和奋发向上的意志品质。

五、开放实验室,培养学生设计实验的能力

由于人的个性差异,一些学生往往不满足于课堂上所看到的或书本上“接触”到的实验,他们往往表现出较强的动手欲,很多实验都想付诸一试。不定期、全方位地开放实验室,正好给这些学生创造了动手的机会。学生可自愿参加,根据兴趣爱好,一展才华。他们或复习旧实验的操作,或做些自已设计的小实验,或总结实验教训,或构思新的制作。通过让学生自己设计实验原理、寻找器材和装配仪器等,随心所欲地进行实验探索,不仅培养其动手操作能力,克服困难“用简单的仪器作出最好的成果”,还培养了学生大胆实践、团结协作的精神。

教材中安排的一些设计性小实验,应大力挖掘和完成。例如,高中物理第一册第23页习题6要求:“请你设计一个测量纸跟桌面之间动摩擦因素的方法。如有条件的话,请你实际测一测”。第二册第102页要求:“制作电池夹和滑动电阻器,设计使一个灯泡变暗,另一个灯泡变亮的电路”。这些设计性课外小实验,方法灵活,取材容易,并因所给的测量工具不同,而要求寻找不同的实验原理和方法,由学生独立寻找和操作,更易于发挥学生的主观能动性,锻炼其独立设计的工作能力。

课外小实验的内容也可以由教师启发、同学们共同讨论,分组各自独立设计和操作完成。如在“电阻定律”一节的教学中,让学生设计出验证“金属电阻率随温度的升高而增大”的实验。经老师的启发、鼓励和大家的热烈讨论后,学生共提出了四种方案。最后选中了两个用材料最少的实验方案:

方案一:用电流表测出通过对一段电阻丝用酒精灯加热前后的电流强度的变化。如温度升高,电流减小,则说明电阻增大,即电阻率增大。

方案二:用小灯泡串联于一段电阻丝上,加上一定的电压;通过观察用酒精灯对电阻丝加热前后的小灯泡的亮暗,来比较温度升高前后电阻的变化情况。如温度升高,小灯泡变暗,则说明电流变小,电阻增大,即电阻率增大。

当学生在开放的实验室中亲自选择出器材,把自己设计的实验方案变成具体的演示实验时,看到直观、生动的实验现象时激动不已,深深感受到成功的喜悦。

还可举办设计性小实验操作比赛等,以激发学生参与课外实验的积极性。设计实验是活化知识、运用发散性思维进行的创造性活动,对培养学生的想象力、情感、意志品质都有着非常重要的作用。

教学实践中我们认识到,要大面積地提高物理教学质量,全面提高学生的素质,必须加大实验教学力度,构建良好的物理学习情境,才能更好地培养学生学习物理的兴趣,提高学生动手、动脑的能力和勇于探索的科学精神。