中學物理實驗教學
演示實驗教學
演示實驗在中學物理教學實驗中占有很大的比重，而且是一種深受學生歡迎的實驗形式．它是教師施展教學藝術的獨特手段，它能夠化枯燥為生動，化抽象為具體．演示實驗的內容和方法有很大的靈活性．同一課題，教師可以用現成的儀器設備，也可以用自製教具進行演示．同一個演示儀器，教師可用於引入課題，也可用以鞏固新課．為更好地發揮其功能，必須深入研究演示實驗教學的基本要求．
一、演示實驗教學的基本要求
1．要有明確的目的
演示實驗運用於課堂教學的不同環節，有不同的目的，因此有不同的要求．有無必要演示，選擇什麼樣的演示，怎樣進行演示，都必須首先從具體的目的出發．
例如，我們在學習平拋和斜拋的內容時，可供選擇的演示實驗很多，拋出粉筆頭就是一個最簡單的演示，還有如圖7-5所示的“三球相碰”的演示，水流噴射的演示，以及利用閃光照相等等．
顯然，在運用演示引入課題或鞏固所學知識時，教師總要力圖增加實驗的趣味性，以更好地調動思維積極性．拋粉筆頭的演示雖然簡單，但在引導學生通過觀察定性地描述平拋運動的特征這一點上卻很好，好就好在它稍縱即逝，活躍課堂氣氛，並可較好地訓練學生的觀察能力．如果需要讓學生認識“平拋運動可以看成是水平勻速運動和自由落體運動的合成”，可用如圖7－5所示的“三球演示器”，並配合使用閃光照相圖片（或投影），效果就很好．原因就在於它們能夠清楚地顯示拋體運動的本質特征．
由上可知，我們不能離開演示的具體功能來評價演示的好壞，演示實驗隻有和一定的教學過程結合起來，才能發揮它的作用．
2．要明顯和直觀
可以說，演示實驗的一切功能都離不開觀察，觀察者隻能在演示者所給觀象的基礎上進行觀察，因此演示實驗的直觀是最起碼的要求．
（1）演示的現象要明顯
一人演示，眾人觀察，所以現象必須明顯．能否使每個學生都看到要演示的現象，是教師心目中有無學生的表現．為使現象明顯，儀器的尺寸要足夠大，測量儀表的刻度線要適當粗些，聲、光及觀察物體與背景的對比度要強，過程中的變化要顯著．必要時，可以借助投影、機械放大、光杠杆、放大電路等手段增強現象的明顯性．其次要注意放置儀器的位置，有足夠的高度，不平攤在桌麵上，運動體所在的平麵應與黑板麵平行．必要時，可借助演示小桌、演示墊凳、演示板、演示支架和磁性黑板等．
（2）儀器簡單，過程明瞭
我們力求演示儀器簡單，過程明瞭，其目的在於突出要觀察的物理現象和過程，降低無關因素的幹擾，特別是在一些為建立、鞏固物理概念的定性演示中，沒有必要選擇精密複雜的實驗裝置．例如，用前麵介紹的橢圓墨水瓶演示微小形變的現象，效果就比用複雜的光杠杆係統裝置好．又如，用如圖7-6所示的鐵絲軌道對比小球靜止和運動時對凸橋、凹橋橋麵的壓力時，把小球放在凸橋頂端，小球恰巧能從兩橋臂之間掉下去，但讓小球從斜麵上滾下，再經過凸橋頂端時，小球便不再從兩臂之間落下，而是沿橋麵驚過．把凹橋下方的搭鉤脫開，讓小球靜止地放在四橋的中心，顯示小球的壓力不足以將兩鐵絲橋臂擠開而下落，然後讓小球從斜軌上滾下，當小球經過凹橋底端時，小球即從兩軌道之間掉了下去．由上可見，這種凸橋、凹橋的裝置，可以說是簡單的出奇，然而演示說明的卻是學生平時將信將疑的一個難題．我們提倡用簡單的方法做演示，不僅有利於突出物理原理，而且易於引起學生學習物理的興趣，激發學生的創造意識．
（3）視聽感官並用
有關資料表明：“在接受知識方麵，單靠聽覺一般隻能記住15%左右；單靠視覺，從圖象獲得知識，隻能記住25%左右；如果兩者結合起來可記住65%”．因此，調動學生各部分感官的協同作用，比用單一渠道要好．還應考慮學生對各種感覺信息的分辨本領，以強化有用刺激．例如，用下麵的方法幫助學生理解加速度的概念：
在一輛沿斜麵滾下的小車後麵，拖一條長約2米的磁帶，磁帶上錄有一段不變的樂音（如風琴的c調），把錄音機的放音磁頭用導線接出來，裝在斜麵的一定位置上，用貼有細氈的薄彈性金屬片將磁帶輕輕壓在磁頭上．當小車沿斜麵向下運動時，小車拖著磁帶運動，使錄音機發聲．這樣就可以使學生用視覺觀察到的速度變化為聽覺感受到的音高變化，用音高來理解速度，用音高變化的快慢來理解速度變化的快慢，即加速度的大小．由於人耳對音高的感受靈敏，而且對“變”的感受，比視覺更直接，因而對變化率的概念比較容易建立．
3．要安全、可靠
課堂上的教學時間是極其寶貴的．如果教師在演示中出現失誤和差錯，不僅會貽誤時間，而且會引起學生對所得結論的懷疑，因此，教師在課堂上的演示實驗必須確保成功．
（1）做好充分的準備工作
這是確保演示成功的關鍵．教師在課前要選擇好所需的儀器和材料，仔細地進行檢查，並按照課堂上的實際程序預做一遍（甚至數遍），熟悉儀器的使用性能，了解實驗的準確程度，估計實驗的時間，觀察教室裏即將演示的環境等等．並在教案中寫明演示所需的每一件物品，以免課堂上演示失敗或失去良機．
（2）課堂演示時必須確保安全
演示時，教師必須按照安全操作規程去做，認真仔細，確保人身安全和儀器設備的保全．可能存在不安全因素的實驗，一定不要讓學生上台來操作．例如需要用到220V或380V市電的實驗，或者用高壓感應圈、水銀的實驗，應當由教師自己操作，並做到萬無一失．
（3）正確對待課堂演示中的失誤，切忌弄虛作假
備課中做好充分準備，可以提高演示的成功率，但不能保證課堂上一定不出問題．出了問題怎麼辦？一是要鎮靜，切忌手忙腳亂，應認真思考和分析，盡可能及時找出原因，迅速排除故障；二是要實事求是．萬一不能及時排除故障，也不可用“儀器不行”來搪塞過去，更不可編造數據，弄虛作假．應當向學生如實說明實驗失敗的原因，並聲明在下節課重做．這樣的負責精神和科學態度，必將對學生產生良好的影響．
4．要有啟發性
演示實驗能夠提供豐富的感性材料，變抽象為形象，但它的最終目的是要通過觀察啟發思維，使學生更好地認識客觀規律，發展能力，培養興趣．因此，在設計和編製演示程序時，必須在啟發性上下功夫．
演示中的啟發性，首先在於以趣激疑．當生動的演示現象出乎學生意外之時，認知的矛盾將轉化為思維的動力．例如，在“彈性碰撞”教學開始時，讓學生觀察用兩個等質量的玻璃小球做成的兩個雙線擺：如圖7－7，先將左邊的擺球拉開，右邊的球靜止於平衡位置，再釋放左邊的小球，兩球相碰後，左球靜止，而右球彈起；當右邊的球返回碰撞後，右球又靜止，而左球彈起．如此兩球反複碰撞，圖7－7在碰撞聲中，動靜交替．麵對這一有趣的情景，問題油然而生．
運用演示引發問題，隻是啟發思維的起點，雖然它是學生開展積極思維的突破口，但要推進思維活動的展開，仍須有教師不斷的引導．這樣，演示才能成為推進思維的向導．因此演示教學的啟發性應體現在演示程序的精心設計之中．
例如，在高中學生學過氣體定律之後，教師用如圖7-8所示的浮沉子演示來訓練學生的思維．
（1）用手壓容器上方的薄膜，原來浮在液麵上的浮沉子開始下沉，當下沉到某一深度時鬆開壓膜的手指，浮沉子上升[圖
7－8（a）（b）]，試解釋這一現象．
這是許多初中學生曾經見到過的實驗，當時對這個現象的解釋是很粗略的，隻需要說明，壓膜時水進入浮沉子內，重力增大，浮力小於重力，於是浮沉子就下沉，鬆膜時，水從浮沉子內排出，重力減小，浮沉子就上浮．
（2）繼續壓膜使浮沉子下沉到更深的位置放手，見到浮沉子仍可上升．似乎上麵的解釋還是完善的．
（3）繼續壓膜，使浮沉子達到比上一步更深的某一位置鬆開，出現了浮沉子不再上升的現象，並且一直沉到容器的底部[圖7－8（C）（d）］，這突然出現的現象，使學生感到意外，於是不得不重新審查以往解釋的不足之處．看來浮沉子中氣體的體積，不僅與容器上方氣體的壓強有關（這是由帕斯卡定律所決定的），而且還與浮沉子所處的深度有關．
（4）打開容器上方的橡皮膜，使液體上方的氣壓不變，用一根棒把浮沉子逐漸下壓至不同的深度，觀察浮沉子中氣體體積的變化，說明浮沉子所以在一定的深度不再上浮，是由於在下降過程中液體內部壓強這個因素造成的．
（5）在浮沉子沉至容器底部以後，打開容器下的出水閥門，或用虹吸管使水緩緩流出．可以看到，當液麵下降到一定深度時，浮沉子就從底部浮了起來［圖7－8（e）]．
從上述的程序設計可以反映出教師對學生思維的引導作用，它既調動了學生的積極性，又使觀察和思維緊密結合起來，從而使學生的認識由表及裏逐步深化．
二、演示實驗教學中的觀察指導
在演示方案確定以後，要想達到演示的目的，關鍵在對學生的觀察進行指導．同時，對演示觀察的指導又是培養學生觀察能力的一個重要途徑．因此，在演示教學中應十分重視觀察指導．這裏所說的觀察指導，有兩層含義：一是演示本身應能吸引學生的觀察注意；二是教師在演示過程中及時指導，教給觀察方法．所謂指導，絕對不是說教師指到哪裏，學生就看到哪裏．
1．明確觀察目的，做好觀察的思想準備
草率從事是新教師在演示教學中常犯的毛病當學生還沒有思想準備時，演示已經結束，因而達不到演示目的．在演示之前，一定要讓學生明確為什麼要做這個實驗，以及打算怎樣進行；出示的儀器應當有所交待，例如，在演示液體內部壓強規律時，應當使學生帶著兩個問題進行觀察：一是液體內部壓強與深度的關係；二是液體內部在各方向是否都有壓強（特別是向上的壓強）及它們的關係；同時還應使學生在認識U形管壓強計的構造及功能的基礎上進行觀察．因為此時學生還不理解U形管壓強計的原理，所以應當用直覺的方法，如在橡皮膜上用手或重物壓，使學生了解U形管兩側液麵高差越大，表示壓強差越大．
又如，在自感現象的教學中，觀察接通電路的自感現象，首先必須帶著“如果線圈自身的電流發生變化，那麼線圈自身是否也會產生感生電動勢？”的問題，並認清演示電路的特點，才能把觀察的注意力集中到接通電路瞬間所發生的現象上．我們曾經對20名高一的學生和高二的學生分別進行演示．由於高一的學生還沒有學過法拉第電磁感應定律，正確記錄觀察現象隻有75%，而高二學生剛學過電磁感應定律，正確記錄觀察現象的達到了95%，可見，觀察的目的性對於觀察效果起了很重要的作用．
2．突出觀察重點，排除無關因素的幹擾
例如，通常教材中介紹斷路時自感現象的電路裝置，都選用一隻燈泡與電感線圈並聯的電路．設想按這一裝置進行演示時，學生會看到開關斷開後燈泡並不立即熄滅．但由於時間常數L/R太小，這種延時現象無法看到．而燈泡突然一閃的現象卻十分明顯，它給學生建立自感的概念帶來困難．如果在開始演示時隻給出一個簡單的電感線圈、燈泡、開關與電源的串聯電路（圖7－9），提出“在斷開開關的瞬間線圈中是否有感生電動勢產生”的問題，然後與學生共同設計實驗電路來驗證感生電動勢的存在．一種簡單的方案就是觀察開關拉斷時閘刀與閘刀座之間的火花放電現象證明感生電動勢的存在；另一種方案就是將示波器或者是高內阻的電壓表並聯在電感線圈兩端，觀察其電壓的變化；還有第三種方案就是將一隻氖泡並聯在線圈兩端，開關接通時氖泡不導通，其電阻為無窮大，可視為它對電路沒有影響，切斷開關時，線圈中的電流迅速減小，原串聯的燈泡熄滅，而並聯在線圈兩端的氖泡起輝了，它的起輝電壓比電池電壓要高許多，由此說明感生電動勢的存在．這個實驗還可以在後麵的教學中說明日光燈的起輝原理．