陸汝杰 宋志懷 吳於人

（同濟大學物理系，上海 200092）

充分利用物理演示實驗培養(yǎng)學生探究未知的能力
——大學物理教學設(shè)計之六

陸汝杰 宋志懷 吳於人

（同濟大學物理系，上海 200092）

在大學物理課程中，充分利用物理演示實驗，是培養(yǎng)學生探究未知能力的必要途徑.我們利用演示實驗，培養(yǎng)學生實踐意識；精心設(shè)計演示教學，提高學生探究能力；提供實踐條件，營造探究環(huán)境，幫助學生探究創(chuàng)新.

大學物理；演示實驗；探索

科技部長萬鋼指出：我們的工程教育有成績，當然也有問題，其中有一條，價值取向缺乏工程特色，培養(yǎng)目標定位不準，由此導致研發(fā)和教學實踐的“工程軟化”.［1］在工科學生的重要基礎(chǔ)課——大學物理課程中，也應(yīng)防止一味“軟化”；在適當引入數(shù)字模擬的同時，也應(yīng)充分利用物理演示實驗，強調(diào)探究性實踐環(huán)節(jié)，這是培養(yǎng)學生探究未知、理論聯(lián)系實際能力的必要途徑.演示實驗教學的設(shè)計、實施和實驗設(shè)備、實驗條件的建設(shè)，均應(yīng)有利于對學生探索實踐的引導.本文將結(jié)合我們的研究與實踐，討論演示實驗與探索教學的關(guān)系.

1 利用演示實驗培養(yǎng)學生實踐意識

“探索”是演示的靈魂，它使演示實驗富有生命力.如果僅僅在課堂上演示現(xiàn)象，說明規(guī)律所在，那么多媒體（包括實驗錄像）課件替代真實的實驗演示，節(jié)約時間和精力，也未嘗不可.但是演示實驗最根本的生命力恰恰在于其具有不可替代的教學效果！當活生生的實驗設(shè)備放在同學們的面前，在教師的引導下，同學們看著自己的學習伙伴在實踐操作，眼睛搜索著實驗過程中的點點細節(jié)信息，腦中思索著大家七嘴八舌提出的問題和意見，專注、興奮，這樣的過程，是學習的過程，也是合作交流和增進研究興趣的過程.在實踐中感悟知識，在探索中體驗成功，可使學生感受實踐的重要，勇于實踐，善于探索.

利用演示實驗，引導實踐探索，可成為教師研究性教學精神貫徹的重要載體.比如電流的磁效應(yīng)，講課中必然涉及奧斯特實驗.奧斯特基于哲學傾向，一直堅信電與磁之間一定有某種關(guān)系，電一定可以轉(zhuǎn)化為磁.經(jīng)過近十年幾種努力失敗的經(jīng)歷，到最后“1820年4月某天晚上，奧斯特在講課中突然來了‘靈感’，在講課快結(jié)束時，他說：‘讓我把導線與磁針平放位置來試試看’，果然發(fā)現(xiàn)電流接通時附近的小磁針動了一下……”［2］.我校教師通過這一過程的介紹和奧斯特實驗的演示相結(jié)合，引導學生體驗物理理論建立過程中的哲理、方法和精神，效果很好.

演示探索使教學生動，它幫助同學自主建構(gòu)知識，幫助同學樂于發(fā)現(xiàn)問題，樂于嘗試思索.

2 設(shè)計演示教學 提高學生探究能力

如何提高演示實驗教學效果，創(chuàng)造良好的實踐探究環(huán)境，是我們一直研究的問題.

1）鼓勵教師演示創(chuàng)新

由于課時、經(jīng)費、實驗管理人員、授課地點以及教師習慣等因素，制約了演示實驗的建設(shè)與應(yīng)用.其實各?？梢虻刂埔?，設(shè)計出系列得心應(yīng)手的實驗項目.往往一套貌似簡單的設(shè)備，卻有出奇制勝的效果.

很多老師知道有這樣一個演示角動量的實驗（圖1左），這是我們學校最受任課教師歡迎的課堂演示實驗之一，實驗現(xiàn)象明顯，學生討論也很熱烈.但是如果沒有條件，也可以更加簡單化，效果也很好.只要一個廢光盤，一支圓桿筆就可以請同學上講臺表演.請同學拿著筆的一端，同時筆桿穿過光盤中心圓孔（圖1右）.撥動光盤使其在豎直平面里轉(zhuǎn)動，待轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后，胳膊在水平面內(nèi)向一個方向快速掃過一個角度，再重復實驗，仔細觀察，尋找規(guī)律，同學自己可以體會到角動量疊加了.

圖1 角動量疊加演示

利用生活中常見的物品而精心設(shè)計的實驗，可使學生感覺親切，探究奧秘的動機更為強烈.利用電磁灶的工作原理也可以設(shè)計很多實驗，只要200元左右買個電磁灶即可，經(jīng)濟實惠.電磁灶上放一卷電線，電線兩端抽出，連接一個燈泡，打開電磁灶“大火”，可以看見燈泡因為渦電流而一明一暗一明一暗.往電磁灶上扔幾片鋁箔，打開電磁灶“大火”后，鋁箔會跳起來.

圖2 電磁灶上放上鋁箔，打開“大火”后，鋁箔會發(fā)生間歇性跳動

我校課堂教學計劃中規(guī)定了演示實驗，有現(xiàn)成的設(shè)備供教師取用，另還有不少教師自制儀器，并拿到教研室交流共享.

2）引導學生提出問題

演示實驗一般都是驗證一個物理規(guī)律.但如果在演示現(xiàn)象的時候，先引導學生觀察現(xiàn)象，然后提出有意思、費思量的問題，激發(fā)學生思考的積極性，將會事半功倍.

靜電乒乓實驗中，為什么兩塊導體板直接連接高壓電兩極后，導體板中間的乒乓球會撞擊兩板乒乓作響？如果將一塊介質(zhì)板擋在一塊導體板前，乒乓球會如何？當介質(zhì)板大小和絕緣性能不同時，乒乓球可能出現(xiàn)不同狀況.……這些問題可引導學生全面分析.

玩具飲水鳥不停低頭抬頭，學生往往感興趣的是周期性低頭的原因.我們引導學生討論作為一個熱機，何為低溫熱源，何為高溫熱源？學生對熱機的理解更為深刻.

好的演示實驗是值得回味和思索的實驗，這樣的實驗往往下課后同學還要圍上來親手嘗試，再一次討論.

3）盡量讓學生親身體驗

演示實驗往往是教師做，學生看.我們開設(shè)了開放性的物理探索實驗室，供學生親歷親為探索實踐.即使課堂上，也提倡教師演示讓位于學生.

改裝后的自行車輪可以演示進動，也可以請學生抓住加長的車軸兩端向不同角度擺動車軸，比較車輪不轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動時不同的感覺，思考改變物體角動量“艱難”的原因.

被絲綢摩擦過的玻璃棒如何使易拉罐滾動，而且如何使它滾得快？這里面涉及電學、力學等知識.不妨來個比賽和討論.

提供若干吸管，用撕開的紅色塑料包扎帶把牙簽裝飾起來，然后看誰用吸管把牙簽吹得遠.同樣的力，要使牙簽獲得較大的動量，必須使牙簽受力有較長的作用時間.所以想到將吸管連接起來加大長度的學生，獲勝的可能性大.

3 提供實踐條件幫助學生探究創(chuàng)新

我們?yōu)閷W生提供實踐探索的條件，營造探究的環(huán)境.有同學對電光魔球感興趣，我們另買一個，允許他拆開電光魔球研究；同學們對燃料電池感興趣，我們想方設(shè)法購來元件供他們研究.參與演示探索的同學都體會到，演示的過程就是探索的過程，就是深入學習提高能力的過程，就是體驗努力后成功的過程.

同濟大學駐波演示的發(fā)展歷程就是一個很好的例子.同學們看實驗、做實驗、改進實驗，繼而分析研究，總結(jié)成果.演示探索實驗的建設(shè)與同學們研究性學習同步發(fā)展.

圖3 便攜式駐波發(fā)生器

我們課堂演示的駐波裝置有兩種，一種是外形像手電筒的便攜式駐波發(fā)生器（圖3），主要部件為偏心馬達、一根松緊帶和兩節(jié)電池.該裝置攜帶使用方便，松緊帶上的橫駐波很明顯，駐波的特點幾乎一目了然.還有一種是僅用一根松緊帶即可：一端固定，手有節(jié)奏地拍打松緊帶的另一端，效果也很好.教師演示后同學很愿意上來嘗試.

開放的物理探索實驗室中有可調(diào)節(jié)頻率（波長）的幾種橫駐波、縱駐波，其傳播媒質(zhì)或松緊帶、或彈簧、或金屬片、或空氣、或液體，表現(xiàn)為單純駐波或疊加諧波，反射端為波節(jié)或波腹，學生開了眼界，也會產(chǎn)生各種問題和研究欲望.為了引導學生思索.我們也在相關(guān)實驗上配有思考題.

一根橫著的昆特管，里面裝有木屑，對管口大喊一聲，木屑分布會出現(xiàn)駐波影響的痕跡.一位同學看到效果不明顯，便想到又輕又好看（有各種顏色）的泡沫塑料填充小顆粒.于是一套新設(shè)備在他手中誕生了（圖4）.但是如果管子豎起來會怎樣？該同學在老師指導下經(jīng)過嘗試和查資料，做出了駐波聲懸浮實驗（圖5）.另一同學受啟發(fā)，在老師幫助下實現(xiàn)了超聲懸浮蒼蠅（死的）.實驗研究的過程中同學們對駐波的特性有了更為深入的了解，也了解到聲懸浮的現(xiàn)代研究與應(yīng)用.

圖4 聲駐波

圖5 聲懸浮

聲駐波還有許多意想不到的作用.有同學從外文資料上獲悉空氣中聲駐波引起的能量輸運可引起空氣溫度變化，由此而產(chǎn)生熱聲效應(yīng).該同學將其作為同濟大學物理競賽項目著手研究，并取得了成功.由同學研制的聲制冷設(shè)備，引起很多參觀者的興趣，現(xiàn)已作為定型的演示實驗產(chǎn)品被全國許多大學購買.其論文“熱聲效應(yīng)及其實驗”發(fā)表在“聲學技術(shù)”雜志上.［3］

學生從簡單現(xiàn)象到深入研究，并不是每一次研究都有值得發(fā)表的成果，但是都有不同程度的收獲，都是每一位學生不可忽視的經(jīng)歷.從演示到探索，從好奇到自覺，從找答案到完整的研究過程，同學們的學習在升華，我們的教學模式也在升華.

［1］ 萬鋼.現(xiàn)代工程教育面臨的若干問題及解放思想.大學生創(chuàng)新教育的研究與實踐［J］，上海：同濟大學出版社，2007

［2］ 吳翔等.文明之源物理學［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2001.9第1版

［3］ 馬彬等.熱聲效應(yīng)及其實驗［J］.聲學技術(shù)，2005，（1）

2010－00－00）