试论物理演示实验的教学改革
物理学是一门以观察和实验为基础的科学。课堂演示实验是中学物理实验教学的重要组成部分，它不仅是建立物理概念和规律、理解和掌握物理知识不可缺少的环节，还能培养学生的观察能力、思维能力、探索精神以及良好的学习方法。也是变应试教育为素质教育，提高人才科学素质的重要手段之一。那么，如何改革物理演示实验教学以适应社会主义市场经济对人才的需要。本文就此谈谈自己的肤浅体会和作法，与同行们研讨。
一、为什么要改革物理演示实验教学
物理实验教学，从18世纪德国、法国建立了学校的演示实验室，教师经常用昂贵的仪器演示生动的现象，从此便开始了世界上的物理实验教学，成为物理教学中重要的教学手段和有效的教学形式。
近年来高考物理试卷对实验的考查，不仅从学生实验发展到演示实验，而且已从简单的背诵实验知识转向考查对实验的思想、原理、方法的理解上，重在考查学生的实验能力和综合分析能力。例如，1993年是用干涉法检查平面的实验，1994年是简谐振动图象的演示实验，1995年是光电效应演示实验，1996年是运用静电计研究平行行板电容器电容量的决定因素，1998年有关光电效应的演示实验和LC振荡电路的演示实验。但是实验题的得分率都不高，反映了目前在中学物理教学中，实验教学是一个薄弱的环节。许多物理教师都不同地只重视理论的讲授和解题能力的培养，而忽视了对学生动手能力的培养。不少学校教学经费不足，仪器设备陈旧简陋，地方陕小拥挤，严重制约了实验教学的正常开展，对于大纲规定的实验，不仅开出率低，而且演示实验的作用和地位还在低水平下徘徊，使学生实验动手能力普遍较低。近几年我国中学生实验素质较差。又如1990～1995年期间，国家教委仪器研究所对一万余名学生进行实验能力测试，结果是我国中小学生实验动手能力几乎都不及格。说明了我国中小学生实验动手能力普遍较差。因此，为了培养学生的实验技能、观察能力、思维能力和科学的思维方法，提高他们发现问题、分析问题和解决问题的能力，进一步提高学生学习物理的兴趣和爱好，调动他们的学习积极性，发挥非智力因素的能动作用，引导他们从小爱科学、学科学，激发他们树立敢于攀登科学高峰的雄心壮志，缩小与世界先进国家实验教学的差距，我们应进一步改善实验条件，改革演示实验教学，直观形象地为学生提供感性认识。
二、怎样改革物理演示实验教学
1、重视演示实验教学，加强能力培养。
目前，学生普遍感到物理“难学”，其原因之一就是物理教学中缺乏实验。而一些经济发达的国家，他们非常重视物理实验教学和研究问题的方法，如日本初中物理的课时数只有75课时，但安排的学生实验却有20个，演示实验有130个，并且绝大多数都是研究性实验，基本形成以实验为中心的课堂体系。可见，他们的学生在实验方面得到训练和能力培养比我国的学生多得多，他们学生的实验心理素质比我国中学生强。因此，在当前我国中学教育由应试教育向素质教育转变过程中，我们对物理实验教学，必须引起高度的重视，为了研究好这些课题，教师必须研究教材中哪些地方学生感到抽象、容易混淆、接受困难，并结合教学实际，研究解决的方法，努力开发一些直观的演示，同时在教学中引进近代物理学的某些思想方法和现代科学的新成就，例如：用激发演示光的干涉和衍射，用发光二极管演示电磁感应中机械能与电能的相互转化等。在实验教学中，可在规定的实验中，适当增加相关演示项目，使教学内容更加丰富，使学生的眼界更加开阔。例如“分子间作用力”的演示，可在两只乒乓球间夹上一段弹簧，球的外侧套上橡皮筋，平衡时，引力等于斥力；增大球距时，引力大于斥力；缩小球距时，引力小于斥力。这样不仅培养学生对物理的学习兴趣，更多地拓宽学生视野丰富他们的想象，而且能有效地提高了学生的观察能力、分析问题和解决问题的能力。
2、在演示实验中增加学生的参与。
演示实验是教师利用课堂时间为学生演示，在操作的同时又引导学生对实验进行观察、思考和分析的一种物理实验教学方式。传统的课堂教学，演示实验通常教师演示，学生看，但是很多实验学生根本看不清，特别是后边的学生。不同程度的限制和阻碍了学生智能和潜能的发展，直接影响学生实验心理素质的提高。因此，在演示实验中，应积极引导学生观察、猜想、分析、归纳总结，甚至在实验操作上让学生积极参与，让学生充分了解实验的内容，多次重复，加深印象，巩固记忆。例如：在“楞次定律”一节的教学中，笔者变原来的课堂演示实验为边做边讲实验，每两位学生发一套实验器材（干电池、电流表、原线圈、条形磁铁、导线），实验中让学生首先观察电流方向与电流表指针偏转方向的关系，再观察原线圈的电流方向与磁铁运动方向的关系，把直观的材料作为培养学生知觉、观察力的材料，引导学生仔细、准确地进行观察，然后引导学生讨论、研究、对比、总结出感生电流所引起的磁场方向与磁铁运动方向的关系，最后训练学生用科学的语言描述，并解释所观察到的现象，从而顺理成章地写出楞次定律。可见，演示实验在教师指导下让学生参与，不仅有显示学生实验技能的机会，又能得到科学方法的训练及能力的培养，加深理解和掌握物理概念和规律，同时可领略物理学的思想，培养科学态度和科学方法。
3、变验证性实验为探索性实验。
中学物理课堂演示实验可分为验证性实验和探索性实验，而大部分是验证性实验。验证性实验是对知识的正确与否加以验证，巩固和加深对基本规律和基本原理的认识。但是，对学生在学习物理的科学方法和科学态度方面不能得到锻炼，也不利于培养学生主动探索物理规律的能力，而探索性实验对培养学生思维能力、创造能力、自学能力、观察实验能力及解决实际问题的能力有独到的作用。正如爱因斯坦所说：“对真理的探索比占有更加宝贵”。
因此，在教学中可把一些验证性的实验变为探索性的实验。在实验教学中，要尽量再现实验的设计过程，多让学生想想：“为什么要这样做？”“换种方法行不行？”以此渗透物理思想，启迪学生思路。例如在“牛顿第二定律”一节的教学中，笔者将这个验证性实验变为探索性实验。其研究方法：①边学边做实验：首先让学生按照自己设计好的实验方案做实验，使学生从实验中初步认识物体的加速度a与物体的质量m及它所受外力F有关。然后，笔者再演示课本上的实验，规范操作，这样，不仅使学生掌握科学的实验方法，而且让学生观察实验过程，注意发现研究对象引起变化的原因和条件以及在实验中出现的现象，使学生对a和F、m的关系获得感知。②探索知识：指导学生对问题进行具体研究，处理实验数据、列表、画出a－F、a－1／m的图象。③归纳总结：师生共同分析、归纳、总结出牛顿第二定律。这样，让学生用实验探索和理论探研两种方法自我进行推证，在推证过程中学生就自然而然地对核定的研究对象、成立条件、使用范围、注意事项搞得一清二楚。让学生由学知识变为主动探索自然规律，对知识学得更扎实更牢固，同时使学生受到科学方法的熏陶。
4、合理运用多媒体，优化演示实验教学。
利用常用仪器、教具进行演示是一种最基本的手段，而利用多媒体教学，是教学现代化的重要标志，是教学改革的重要组成部分。因为多媒体教学是指在教学过程中运用系统科学的观察和方法，组织多媒体信息，形成合理的教学结构，以实现教学优化，使学生真正体会到物理学科的学习方法，提高学生观察及分析问题的能力。如应用多媒体展示课堂实验无法演示的宏观的、微观的、极快的、极慢的物理过程，从而突破时间以及空间的束缚，进行逼真的模拟，灵活地放大或缩小物理场景，将物理过程生动形象地展现于学生眼前，使学生认识加强，理解透彻。例如，对于“LC电磁振荡电路”的振荡过程分析，笔者应用电子计算机的动画功能，展现了随着电容充放电的进行，LC回路中的电场能和磁场能之间的周期性变化，振荡电路的大小和方向变化的全过程，安全逼真，激发学生学习兴趣，使学生在学习过程中保持精力高度集中，思维高度活跃，求知欲高度旺盛的状态。对于可见度小，不易观察，且只能水平演示、观察的内容，例如水波的干涉、衍射现象，用发波水槽借助投影仪演示，既起放大作用，又使其有动感，使学生看到清晰的干涉条纹，对学生脑子里形成正确概念有极大的帮助。但是还有部分同学对波的叠加原理难以理解，又缺乏想象力，为此笔者又用计算机模拟制作了一条直线上两传播方向相反的两列波的叠加，可十分形象直观地表现波的叠加，学生也容易理解，并取得了良好的效果。
利用多媒体进行物理实验教学，不但为教和学增添了信息的传输和接收通道，而且为教学创设了良好的情境，师生们置身于“情”、“景”中，以“物”思“理”，又以“理”认“物”，这对物理的各种题型的实验教学有着积极的意义，对提高物理课的素质教育教学有着广泛的前景。
总之物理课堂演示实验要与学生的分组实验有机地结合起来，努力培养学生的下面几个方面的基本实验要素：一是仪器使用的一般知识；二是测量误差与数据处理的知识，其中特别是图线处理数据中，区分已知规律与未知规律的不同方法；三是间接测量的基本知识，要从测量出发理解实验装置、原理、方法、条件保证、操作步骤以及数据的记录与处理；四是验证性实验的验证思想，特别是要懂得将理论结论与实验结论比较的思想。同时加强学生对基本实验方法的迁移和灵活运用能力的训练，多角度、全方面地让中学物理实验教学提高到一个新的水平。
《试论物理演示实验的教学改革》
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一、为什么要改革物理演示实验教学
物理实验教学，从18世纪德国、法国建立了学校的演示实验室，教师经常用昂贵的仪器演示生动的现象，从此便开始了世界上的物理实验教学，成为物理教学中重要的教学手段和有效的教学形式。
近年来高考物理试卷对实验的考查，不仅从学生实验发展到演示实验，而且已从简单的背诵实验知识转向考查对实验的思想、原理、方法的理解上，重在考查学生的实验能力和综合分析能力。例如，1993年是用干涉法检查平面的实验，1994年是简谐振动图象的演示实验，1995年是光电效应演示实验，1996年是运用静电计研究平行行板电容器电容量的决定因素，1998年有关光电效应的演示实验和LC振荡电路的演示实验。但是实验题的得分率都不高，反映了目前在中学物理教学中，实验教学是一个薄弱的环节。许多物理教师都不同地只重视理论的讲授和解题能力的培养，而忽视了对学生动手能力的培养。不少学校教学经费不足，仪器设备陈旧简陋，地方陕小拥挤，严重制约了实验教学的正常开展，对于大纲规定的实验，不仅开出率低，而且演示实验的作用和地位还在低水平下徘徊，使学生实验动手能力普遍较低。近几年我国中学生实验素质较差。又如1990～1995年期间，国家教委仪器研究所对一万余名学生进行实验能力测试，结果是我国中小学生实验动手能力几乎都不及格。说明了我国中小学生实验动手能力普遍较差。因此，为了培养学生的实验技能、观察能力、思维能力和科学的思维方法，提高他们发现问题、分析问题和解决问题的能力，进一步提高学生学习物理的兴趣和爱好，调动他们的学习积极性，发挥非智力因素的能动作用，引导他们从小爱科学、学科学，激发他们树立敢于攀登科学高峰的雄心壮志，缩小与世界先进国家实验教学的差距，我们应进一步改善实验条件，改革演示实验教学，直观形象地为学生提供感性认识。
二、怎样改革物理演示实验教学
1、重视演示实验教学，加强能力培养。
目前，学生普遍感到物理“难学”，其原因之一就是物理教学中缺乏实验。而一些经济发达的国家，他们非常重视物理实验教学和研究问题的方法，如日本初中物理的课时数只有75课时，但安排的学生实验却有20个，演示实验有130个，并且绝大多数都是研究性实验，基本形成以实验为中心的课堂体系。可见，他们的学生在实验方面得到训练和能力培养比我国的学生多得多，他们学生的实验心理素质比我国中学生强。因此，在当前我国中学教育由应试教育向素质教育转变过程中，我们对物理实验教学，必须引起高度的重视，为了研究好这些课题，教师必须研究教材中哪些地方学生感到抽象、容易混淆、接受困难，并结合教学实际，研究解决的方法，努力开发一些直观的演示，同时在教学中引进近代物理学的某些思想方法和现代科学的新成就，例如：用激发演示光的干涉和衍射，用发光二极管演示电磁感应中机械能与电能的相互转化等。在实验教学中，可在规定的实验中，适当增加相关演示项目，使教学内容更加丰富，使学生的眼界更加开阔。例如“分子间作用力”的演示，可在两只乒乓球间夹上一段弹簧，球的外侧套上橡皮筋，平衡时，引力等于斥力；增大球距时，引力大于斥力；缩小球距时，引力小于斥力。这样不仅培养学生对物理的学习兴趣，更多地拓宽学生视野丰富他们的想象，而且能有效地提高了学生的观察能力、分析问题和解决问题的能力。
2、在演示实验中增加学生的参与。
演示实验是教师利用课堂时间为学生演示，在操作的同时又引导学生对实验进行观察、思考和分析的一种物理实验教学方式。传统的课堂教学，演示实验通常教师演示，学生看，但是很多实验学生根本看不清，特别是后边的学生。不同程度的限制和阻碍了学生智能和潜能的发展，直接影响学生实验心理素质的提高。因此，在演示实验中，应积极引导学生观察、猜想、分析、归纳总结，甚至在实验操作上让学生积极参与，让学生充分了解实验的内容，多次重复，加深印象，巩固记忆。例如：在“楞次定律”一节的教学中，笔者变原来的课堂演示实验为边做边讲实验，每两位学生发一套实验器材（干电池、电流表、原线圈、条形磁铁、导线），实验中让学生首先观察电流方向与电流表指针偏转方向的关系，再观察原线圈的电流方向与磁铁运动方向的关系，把直观的材料作为培养学生知觉、观察力的材料，引导学生仔细、准确地进行观察，然后引导学生讨论、研究、对比、总结出感生电流所引起的磁场方向与磁铁运动方向的关系，最后训练学生用科学的语言描述，并解释所观察到的现象，从而顺理成章地写出楞次定律。可见，演示实验在教师指导下让学生参与，不仅有显示学生实验技能的机会，又能得到科学方法的训练及能力的培养，加深理解和掌握物理概念和规律，同时可领略物理学的思想，培养科学态度和科学方法。
3、变验证性实验为探索性实验。
中学物理课堂演示实验可分为验证性实验和探索性实验，而大部分是验证性实验。验证性实验是对知识的正确与否加以验证，巩固和加深对基本规律和基本原理的认识。但是，对学生在学习物理的科学方法和科学态度方面不能得到锻炼，也不利于培养学生主动探索物理规律的能力，而探索性实验对培养学生思维能力、创造能力、自学能力、观察实验能力及解决实际问题的能力有独到的作用。正如爱因斯坦所说：“对真理的探索比占有更加宝贵”。
因此，在教学中可把一些验证性的实验变为探索性的实验。在实验教学中，要尽量再现实验的设计过程，多让学生想想：“为什么要这样做？”“换种方法行不行？”以此渗透物理思想，启迪学生思路。例如在“牛顿第二定律”一节的教学中，笔者将这个验证性实验变为探索性实验。其研究方法：①边学边做实验：首先让学生按照自己设计好的实验方案做实验，使学生从实验中初步认识物体的加速度a与物体的质量m及它所受外力F有关。然后，笔者再演示课本上的实验，规范操作，这样，不仅使学生掌握科学的实验方法，而且让学生观察实验过程，注意发现研究对象引起变化的原因和条件以及在实验中出现的现象，使学生对a和F、m的关系获得感知。②探索知识：指导学生对问题进行具体研究，处理实验数据、列表、画出a－F、a－1／m的图象。③归纳总结：师生共同分析、归纳、总结出牛顿第二定律。这样，让学生用实验探索和理论探研两种方法自我进行推证，在推证过程中学生就自然而然地对核定的研究对象、成立条件、使用范围、注意事项搞得一清二楚。让学生由学知识变为主动探索自然规律，对知识学得更扎实更牢固，同时使学生受到科学方法的熏陶。
4、合理运用多媒体，优化演示实验教学。
利用常用仪器、教具进行演示是一种最基本的手段，而利用多媒体教学，是教学现代化的重要标志，是教学改革的重要组成部分。因为多媒体教学是指在教学过程中运用系统科学的观察和方法，组织多媒体信息，形成合理的教学结构，以实现教学优化，使学生真正体会到物理学科的学习方法，提高学生观察及分析问题的能力。如应用多媒体展示课堂实验无法演示的宏观的、微观的、极快的、极慢的物理过程，从而突破时间以及空间的束缚，进行逼真的模拟，灵活地放大或缩小物理场景，将物理过程生动形象地展现于学生眼前，使学生认识加强，理解透彻。例如，对于“LC电磁振荡电路”的振荡过程分析，笔者应用电子计算机的动画功能，展现了随着电容充放电的进行，LC回路中的电场能和磁场能之间的周期性变化，振荡电路的大小和方向变化的全过程，安全逼真，激发学生学习兴趣，使学生在学习过程中保持精力高度集中，思维高度活跃，求知欲高度旺盛的状态。对于可见度小，不易观察，且只能水平演示、观察的内容，例如水波的干涉、衍射现象，用发波水槽借助投影仪演示，既起放大作用，又使其有动感，使学生看到清晰的干涉条纹，对学生脑子里形成正确概念有极大的帮助。但是还有部分同学对波的叠加原理难以理解，又缺乏想象力，为此笔者又用计算机模拟制作了一条直线上两传播方向相反的两列波的叠加，可十分形象直观地表现波的叠加，学生也容易理解，并取得了良好的效果。
利用多媒体进行物理实验教学，不但为教和学增添了信息的传输和接收通道，而且为教学创设了良好的情境，师生们置身于“情”、“景”中，以“物”思“理”，又以“理”认“物”，这对物理的各种题型的实验教学有着积极的意义，对提高物理课的素质教育教学有着广泛的前景。
总之物理课堂演示实验要与学生的分组实验有机地结合起来，努力培养学生的下面几个方面的基本实验要素：一是仪器使用的一般知识；二是测量误差与数据处理的知识，其中特别是图线处理数据中，区分已知规律与未知规律的不同方法；三是间接测量的基本知识，要从测量出发理解实验装置、原理、方法、条件保证、操作步骤以及数据的记录与处理；四是验证性实验的验证思想，特别是要懂得将理论结论与实验结论比较的思想。同时加强学生对基本实验方法的迁移和灵活运用能力的训练，多角度、全方面地让中学物理实验教学提高到一个新的水平。
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