漫谈演示实验的精心设计，本文主要内容关键词为：演示论文,精心论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
演示实验是课堂物理实验中的一种重要形式。通常用它来发现问题，引入课题，激发学生的学习动机；观察现象、获取数据，为形成概念和建立规律奠定事实基础；用现象展示问题情景，引导学生应用概念、规律解决问题或解释现象；为培养学生实验技能提供示范作用。它的特点是能够充分地发挥教师的指导作用。近年来，在强调学生主体作用时，似乎淡化了演示实验的作用，有些人提出要尽量变演示实验为学生实验。这种看法是片面的，加强演示实验与发挥学生的主体作用并不矛盾，因为我们并不主张用演示实验来替代学生实验，它是物理实验教学的一个组成部分，做好演示实验，需要考虑学生的主动性的发挥，这种主动性的发挥不是形式上的动手，而是把观察和思维紧密结合起来。
一、袁老师做色散实验的启示
2000年后，我有幸与上海市著名的中学特级教师袁哲诚合作参与了初中科学课程标准和教材的编写工作，我从他身上学到了许多好的思想和经验。在课程标准培训中，他做的阳光色散的实验给我留下极其深刻的印象：他用两个平面镜把阳光引入到演示讲台上，通过条形窄缝使光束照在三棱镜上，可以清晰地看到墙上出现彩色的条纹。通常，许多中学教师做到这样的效果已经很满意了，但袁老师没有就此停止演示，①他手拿一块白板，横向插入到色散的光路中，由远向近地分多次停住（图1），让观察者观察白板上的彩色光带；②他把白板剪出一个窄长条（宽度约1cm），把这个长条板插入到色散光束的顶端，可见条板上呈现红色条纹；③他把长条板逐次向下平移，让观察者陈述观察到的光的色彩，依次出现了橙、黄、绿、蓝、靛、紫的条纹；④他再把一块长的白板纵向插入到色散的光路中（图2），可以看到从三棱镜折射后的光束对不同的色光是以不同的折射角向前传播的。袁老师给了我们做演示实验的很好的示范。他把演示过程分解为许多步，而不是只让学生观察到结果，因为对初中学生来说，只是观察到墙上的色散光斑，学生很难对光的色散有一个完整的空间形象。经过精心设计的过程，学生不仅记住了阳光色散的结果，而且对“红光的偏折角小、紫光的偏折角大”有了深刻的印象，还发展了学生的空间想象能力。教师对学生的观察指导不是简单地停留在“注意看”、“你看到了什么”这些指示语上的，要提供给学生从整体和各个侧面观察事物的机会，不要轻易地放过将各种现象联系起来形成本质认识的重要环节。
二、从研究学生的认识心理出发选择和设计演示实验
早在上世纪60年代，著名物理教育家朱正元教授就非常通俗地提出“简单、明了、尺寸大”这一演示实验最基本的要求。他做了很多演示实验。都生动地体现了这些要求。例如，他用比黑板还长的木质斜槽模拟伽利略的斜槽实验，经过巧妙的调整后即开始演示：让节拍器发出“滴答、滴答……”声响，随即他与节拍声同步口报“4，3，2，1……”的数字。在数“0”时，他将小球从斜槽上端小旗处释放（下页图3），当报数为“1”时，小球正好经过他手指的位置—释放点后的第1小旗位置，随后又相继经过第2、3、4小旗的位置。小球滚下后，再测量一下由释放点开始的小旗杆间的距离之比，约为1∶3∶5∶7。再如，他用2米多长钢丝，挂在黑板上方的挂钩上，下挂落地磅秤的大砝码，并用杠杆放大的方法让细木条指针指示钢丝的伸长，形象地演示了胡克定律。
此外，关键还是要从学生的认知心理分析出发来选择和设计好实验。
对于不同功能的演示实验，设计考虑的侧重点是不一样的。如果演示是为引入课题服务的，则要考虑用刺激性强的、意想不到的现象来唤起学生的注意和学习动机；如果演示是为建立概念和认识规律服务的，则要考虑学生认知上存在的前概念，努力激发学生的认知冲突，逐步地实现认知建构；如果演示的目的主要是应用知识分析和解决问题，则要考虑多给学生观察发现问题和思考解决问题的机会。
下面举几个30年前我曾对学生做过的演示：
1.用鸡蛋下落做动量定理的引入实验
演示的目的是引起学生对学习动量定理的兴趣。用细线和胶带将一只生鸡蛋拴牢，再将细线跨过铁架台上的横杆，在铁架台下方放置一块软泡沫塑料垫，如图4，拉细线的一端，将鸡蛋缓缓地提升到离台面2米多高处，提醒学生注意观察后将细线释放，使鸡蛋从高处落下，可见鸡蛋落在塑料垫上反弹起来，反弹高度可超过半米，然后把鸡蛋捉住，并将它轻轻地在碗边一敲，鸡蛋即被打破。演示后提出问题再引入课题。学生的心理变化紧扣整个演示过程，使学生注意力处于高度集中和积极思维的状态。
2.用大墨水瓶做微小形变的实验
演示的目的是为了说明弹力是伴随着形变产生的，即使是很坚硬的物体也是如此，进而引入刚体的概念。一般学生总认为，橡皮筋、弹簧、弓箭等受力能产生形变，因此产生弹力，但他们怀疑石头、玻璃球、铁块等受力能产生形变和产生弹力。因此需要用实验来消除学生的怀疑。将一根内径约1mm～2mm的玻璃管通过橡皮塞塞在椭圆截面的大墨水瓶的瓶口，瓶中装满红色水，水面在玻璃管的中央。演示的步骤是：①首先用一支钢笔杆敲击墨水瓶壳，可听到瓶子发出清脆的声音，用声音表明它是一个玻璃的瓶子；②请学生注意观察墨水瓶上方玻璃管中的红色液柱及上端面的位置，再用手沿墨水瓶椭圆截面短轴向里挤压瓶子，学生惊讶地发现玻璃管中的红色液柱明显上升；③再用手沿墨水瓶椭圆截面长轴向里挤压瓶子，学生又惊讶地发现玻璃管中的红色液柱明显下降（图5）。
3.手触验电器导杆小球使指针张开的演示
演示的目的是应用静电的知识来解释奇怪的现象。实验步骤如下：①用挡板遮住学生的视线，做好实验的准备工作（后面将给学生再现）；②移开挡板，可见台上放着一个指针闭合的验电器，请学生思考：用手接触验电器导杆上的小球时，验电器的指针闭合还是张开？③用手接触导杆上的小球，学生惊讶地发现验电器指针张开了（下页图6），问：验电器小球接地，指针为什么会张开呢？④请学生观察开始时的准备过程：把验电器放在绝缘垫上，用感应带电的方法使金属盘带电，再用带电的金属盘与验电器的导杆小球接触，可见验电器的指针张开（下页图7a），表明小球带电，然后用带绝缘柄的金属杆将验电器小球与其金属外壳接通（下页图7b），此时验电器指针张角为零，问：为什么验电器指针张角回零？⑤用手指再次接触验电器导杆小球，可见验电器指针张开（图7c），问：此时你能回答指针张开的原因吗？⑥用手指接触验电器金属外壳，可见验电器指针张角几乎不变，问：你能解释这一现象吗？这是一个应用静电知识解释现象的演示实验，开始的一步像变魔术一样，制造了一个悬念，紧接着就出现一个学生意想不到的现象。手接触验电器小球，验电器指针张开，然后再展示实验的全过程，需要学生仔细观察、思考过程中验电器内电场的变化情况，用所学静电知识来解释这些奇妙的现象。实际上，金属外壳验电器可以等效为以外壳为一极和以导杆为另一极的电容器，给验电器的导杆带正电荷时，外壳内壁感应带负电荷，外壳外壁则带正电荷。验电器内腔存在电场，指针张开。用金属杆同时接触小球和外壳，则两者等电势，验电器内腔电场强度为零，因此指针张角为零，但小球和外壳都带有正电荷，电势大于零。当再次用手指接触验电器小球时，小球和导杆接地，电势为零，但外壳电势大于零，导杆与外壳间电场不为零，因此指针张开。由此可知，验电器本质上是测量导杆和外壳间电势差的。外壳接地时的指针验电器又称静电计。
许多年后，我遇到当年的学生，他们都能回忆起这些生动的实验，说明一个好的演示实验给学生的印象是深刻和久远的。下面再举一个帮助学生认识规律的演示实验。
4.演示力的作用的相互性
有作用力必有反作用力，力的作用是相互的。为了说明这个规律，老师们常用下面的实验：用两只弹簧测力计对拉；由两个穿旱冰鞋的学生对推（或由一个穿旱冰鞋的学生推墙壁）；将两只带静电的摆球靠近；让两个载有磁铁的小车靠近等。这些实验的现象是明显的，也能得出有关结论，但没有能考虑学生的认知前概念。学生在学习力的概念时有很强的前概念的影响，他们认为主动施力者能对受力者施力，而受力者却不会对主动施力者施以力的作用。为纠正学生的错误观念，教师应当有针对性地进行演示设计。例如，将两个穿旱冰鞋的学生对推的实验，改为让一个学生从另一个学生的背后推他，这样就有利于暴露和纠正学生的错误观点。又如，磁力的实验，选择磁铁和铁块，而不是两个磁铁；电动机拉车，将电动机固定在小车上，使其也能运动等；用一个带静电的摆球去接近一个原来不带电的摆球等。演示时，首先固定住主动施力的物体（如用手按住有电动机、磁铁的小车），观察被动受力物体的运动情况；再固定被动受力物体，让主动施力物处于自由状态，观察主动施力物的运动情况；然后使两个物体都处于自由状态，可见两个物体相向（或相背）运动起来。这样演示的目的就不仅是为了得出一个结论，而且还为了解决潜在的认知问题：一个物体在对另一物体施力时，是否受到另一个物体对它的作用？这样的演示设计就会有利于学生建构物理知识。
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