充分利用物理演示实验培养学生探究未知的能力
——大学物理教学设计之六

陆汝杰 宋志怀 吴於人

（同济大学物理系，上海 200092）

充分利用物理演示实验培养学生探究未知的能力
——大学物理教学设计之六

陆汝杰 宋志怀 吴於人

（同济大学物理系，上海 200092）

在大学物理课程中，充分利用物理演示实验，是培养学生探究未知能力的必要途径.我们利用演示实验，培养学生实践意识；精心设计演示教学，提高学生探究能力；提供实践条件，营造探究环境，帮助学生探究创新.

大学物理；演示实验；探索

科技部长万钢指出：我们的工程教育有成绩，当然也有问题，其中有一条，价值取向缺乏工程特色，培养目标定位不准，由此导致研发和教学实践的“工程软化”.［1］在工科学生的重要基础课——大学物理课程中，也应防止一味“软化”；在适当引入数字模拟的同时，也应充分利用物理演示实验，强调探究性实践环节，这是培养学生探究未知、理论联系实际能力的必要途径.演示实验教学的设计、实施和实验设备、实验条件的建设，均应有利于对学生探索实践的引导.本文将结合我们的研究与实践，讨论演示实验与探索教学的关系.

1 利用演示实验培养学生实践意识

“探索”是演示的灵魂，它使演示实验富有生命力.如果仅仅在课堂上演示现象，说明规律所在，那么多媒体（包括实验录像）课件替代真实的实验演示，节约时间和精力，也未尝不可.但是演示实验最根本的生命力恰恰在于其具有不可替代的教学效果！当活生生的实验设备放在同学们的面前，在教师的引导下，同学们看着自己的学习伙伴在实践操作，眼睛搜索着实验过程中的点点细节信息，脑中思索着大家七嘴八舌提出的问题和意见，专注、兴奋，这样的过程，是学习的过程，也是合作交流和增进研究兴趣的过程.在实践中感悟知识，在探索中体验成功，可使学生感受实践的重要，勇于实践，善于探索.

利用演示实验，引导实践探索，可成为教师研究性教学精神贯彻的重要载体.比如电流的磁效应，讲课中必然涉及奥斯特实验.奥斯特基于哲学倾向，一直坚信电与磁之间一定有某种关系，电一定可以转化为磁.经过近十年几种努力失败的经历，到最后“1820年4月某天晚上，奥斯特在讲课中突然来了‘灵感’，在讲课快结束时，他说：‘让我把导线与磁针平放位置来试试看’，果然发现电流接通时附近的小磁针动了一下……”［2］.我校教师通过这一过程的介绍和奥斯特实验的演示相结合，引导学生体验物理理论建立过程中的哲理、方法和精神，效果很好.

演示探索使教学生动，它帮助同学自主建构知识，帮助同学乐于发现问题，乐于尝试思索.

2 设计演示教学 提高学生探究能力

如何提高演示实验教学效果，创造良好的实践探究环境，是我们一直研究的问题.

1）鼓励教师演示创新

由于课时、经费、实验管理人员、授课地点以及教师习惯等因素，制约了演示实验的建设与应用.其实各校可因地制宜，设计出系列得心应手的实验项目.往往一套貌似简单的设备，却有出奇制胜的效果.

很多老师知道有这样一个演示角动量的实验（图1左），这是我们学校最受任课教师欢迎的课堂演示实验之一，实验现象明显，学生讨论也很热烈.但是如果没有条件，也可以更加简单化，效果也很好.只要一个废光盘，一支圆杆笔就可以请同学上讲台表演.请同学拿着笔的一端，同时笔杆穿过光盘中心圆孔（图1右）.拨动光盘使其在竖直平面里转动，待转动平稳后，胳膊在水平面内向一个方向快速扫过一个角度，再重复实验，仔细观察，寻找规律，同学自己可以体会到角动量叠加了.

图1 角动量叠加演示

利用生活中常见的物品而精心设计的实验，可使学生感觉亲切，探究奥秘的动机更为强烈.利用电磁灶的工作原理也可以设计很多实验，只要200元左右买个电磁灶即可，经济实惠.电磁灶上放一卷电线，电线两端抽出，连接一个灯泡，打开电磁灶“大火”，可以看见灯泡因为涡电流而一明一暗一明一暗.往电磁灶上扔几片铝箔，打开电磁灶“大火”后，铝箔会跳起来.

图2 电磁灶上放上铝箔，打开“大火”后，铝箔会发生间歇性跳动

我校课堂教学计划中规定了演示实验，有现成的设备供教师取用，另还有不少教师自制仪器，并拿到教研室交流共享.

2）引导学生提出问题

演示实验一般都是验证一个物理规律.但如果在演示现象的时候，先引导学生观察现象，然后提出有意思、费思量的问题，激发学生思考的积极性，将会事半功倍.

静电乒乓实验中，为什么两块导体板直接连接高压电两极后，导体板中间的乒乓球会撞击两板乒乓作响？如果将一块介质板挡在一块导体板前，乒乓球会如何？当介质板大小和绝缘性能不同时，乒乓球可能出现不同状况.……这些问题可引导学生全面分析.

玩具饮水鸟不停低头抬头，学生往往感兴趣的是周期性低头的原因.我们引导学生讨论作为一个热机，何为低温热源，何为高温热源？学生对热机的理解更为深刻.

好的演示实验是值得回味和思索的实验，这样的实验往往下课后同学还要围上来亲手尝试，再一次讨论.

3）尽量让学生亲身体验

演示实验往往是教师做，学生看.我们开设了开放性的物理探索实验室，供学生亲历亲为探索实践.即使课堂上，也提倡教师演示让位于学生.

改装后的自行车轮可以演示进动，也可以请学生抓住加长的车轴两端向不同角度摆动车轴，比较车轮不转和转动时不同的感觉，思考改变物体角动量“艰难”的原因.

被丝绸摩擦过的玻璃棒如何使易拉罐滚动，而且如何使它滚得快？这里面涉及电学、力学等知识.不妨来个比赛和讨论.

提供若干吸管，用撕开的红色塑料包扎带把牙签装饰起来，然后看谁用吸管把牙签吹得远.同样的力，要使牙签获得较大的动量，必须使牙签受力有较长的作用时间.所以想到将吸管连接起来加大长度的学生，获胜的可能性大.

3 提供实践条件帮助学生探究创新

我们为学生提供实践探索的条件，营造探究的环境.有同学对电光魔球感兴趣，我们另买一个，允许他拆开电光魔球研究；同学们对燃料电池感兴趣，我们想方设法购来元件供他们研究.参与演示探索的同学都体会到，演示的过程就是探索的过程，就是深入学习提高能力的过程，就是体验努力后成功的过程.

同济大学驻波演示的发展历程就是一个很好的例子.同学们看实验、做实验、改进实验，继而分析研究，总结成果.演示探索实验的建设与同学们研究性学习同步发展.

图3 便携式驻波发生器

我们课堂演示的驻波装置有两种，一种是外形像手电筒的便携式驻波发生器（图3），主要部件为偏心马达、一根松紧带和两节电池.该装置携带使用方便，松紧带上的横驻波很明显，驻波的特点几乎一目了然.还有一种是仅用一根松紧带即可：一端固定，手有节奏地拍打松紧带的另一端，效果也很好.教师演示后同学很愿意上来尝试.

开放的物理探索实验室中有可调节频率（波长）的几种横驻波、纵驻波，其传播媒质或松紧带、或弹簧、或金属片、或空气、或液体，表现为单纯驻波或叠加谐波，反射端为波节或波腹，学生开了眼界，也会产生各种问题和研究欲望.为了引导学生思索.我们也在相关实验上配有思考题.

一根横着的昆特管，里面装有木屑，对管口大喊一声，木屑分布会出现驻波影响的痕迹.一位同学看到效果不明显，便想到又轻又好看（有各种颜色）的泡沫塑料填充小颗粒.于是一套新设备在他手中诞生了（图4）.但是如果管子竖起来会怎样？该同学在老师指导下经过尝试和查资料，做出了驻波声悬浮实验（图5）.另一同学受启发，在老师帮助下实现了超声悬浮苍蝇（死的）.实验研究的过程中同学们对驻波的特性有了更为深入的了解，也了解到声悬浮的现代研究与应用.

图4 声驻波

图5 声悬浮

声驻波还有许多意想不到的作用.有同学从外文资料上获悉空气中声驻波引起的能量输运可引起空气温度变化，由此而产生热声效应.该同学将其作为同济大学物理竞赛项目着手研究，并取得了成功.由同学研制的声制冷设备，引起很多参观者的兴趣，现已作为定型的演示实验产品被全国许多大学购买.其论文“热声效应及其实验”发表在“声学技术”杂志上.［3］

学生从简单现象到深入研究，并不是每一次研究都有值得发表的成果，但是都有不同程度的收获，都是每一位学生不可忽视的经历.从演示到探索，从好奇到自觉，从找答案到完整的研究过程，同学们的学习在升华，我们的教学模式也在升华.

［1］ 万钢.现代工程教育面临的若干问题及解放思想.大学生创新教育的研究与实践［J］，上海：同济大学出版社，2007

［2］ 吴翔等.文明之源物理学［M］.上海：上海科学技术出版社，2001.9第1版

［3］ 马彬等.热声效应及其实验［J］.声学技术，2005，（1）

2010－00－00）