教学论文浅谈中学物理演示实验的设计与研究.doc

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1、浅谈中学物理演示实验的设计与研究摘要：物理学从根本上来说是一门实验科学。物理理论是从实验现象中抽象总结出来并要受到实践检验的。物理演示实验是指密切配合物理课堂教学内容由教师操作并引导学生观察的实验教学方式。它能够起到激发兴趣、加深理解、巩固记忆、促动思考、培养水平的作用，是物理教学的重要组成部分。通过观察实验来学习物理是一条十分有效的学习途径，能够起到事半功倍的效果。随着中学课程改革的实施，物理实验教学得到了越来越多的注重和重视。本文以现代教育教学理论为基础，以对中学物理演示实验教学现状的调查分析为依据，根据课程改革的要求，利用物理专业知识，对中学物理演示实验实行实践探索，并用电磁学实验举例说

2、明。将中学物理演示实验的相关理论、方法、设计及实践做系统的探讨，旨在改进中学物理实验教学设计。关键词：中学物理，演示实验，设计要求，实验探究目 录摘要11 引言22 中学物理演示实验在物理教学中的作用33 中学物理演示实验的设计要求33.1 演示实验的设计要求33.2 对教师的演示要求34 中学物理演示实验的设计探究44.1 利用演示实验引入物理新课题44.2 对中学物理演示实验的改进64.2.1 用顺手拈来的物品，设计改进演示实验64.2.2 利用新材料，新产品设计改进演示实验64.2.3 充分利用多媒体技术，设计改进演示实验74.3 引导学生参与演示实验设计及操作95 总结12参考文献14

3、1 引言物理理论都是从实验现象中抽象总结出来并要受到实践检验的。物理演示实验是指密切配合物理课堂教学内容由教师操作让学生观察的实验方式。它能够起到激发兴趣、加深理解、巩固记忆、促动思考、培养水平的作用，已经成为物理教学的重要组成部分。但因为“应试教育”的影响，演示实验与理论教学相比，仍存有很多问题，不利于充分发挥演示实验在物理教学中的作用，也影响了教学质量的提升。课堂演示实验，是在课堂上主要由教师操作，并通过教师的启发引导，协助学生对实验实行观察与思考，达到一定教学目的的实验教学方式。中学教师应充分提升对演示实验重要性的理解，增强对演示实验理论与实践的研究，更好地实施教学和创新。所以，在这将“

4、中学物理演示实验的方法研究与设计实践”作为研究课题，将物理演示实验的相关理论、方法、设计及实践做了系统的探讨。增强物理教学中的演示实验，是当前提升中学物理教学质量的一个重要问题，对提升整个中学物理教学质量具有重要意义。2 中学物理演示实验在物理教学中的作用物理学演示实验教学是把各种事物的现象以直观的手段显现出来的课堂教学形式，演示的现象清晰生动，演示的内容不受时空的限制。各种稍纵即逝或缓慢变迁的现象，通过演示的手段直观生动地作用于学生感官，为他们提供大量的感性材料。本研究侧重于课堂演示实验，其在物理教学中的作用表现有：一、能激发学生学习物理的兴趣和求知欲；二、能够创设适当的环境，直观形象地为学

5、生提供感性理解，是学生形成物理概念、理解物理规律的基础；三、演示实验是学生学习使用物理实验仪器，学会准确操作实验的示范；四、有助于培养学生科学的学习方法。3 中学物理演示实验的设计要求3.1 演示实验的设计要求1 效果明显，说服力强2 可见度大，误差小3 演示实验仪器要设计得“简单、明了”4 实验操作要规范3.2 对教师的演示要求1 实验用语要准确2 实验目的要明确3 实验准备要充分4 中学物理演示实验的设计探究4.1 利用演示实验引入物理新课题一个成功的导入应该达到一定的效果，该紧紧抓住学生的眼睛和注意力，引导学生把思维和兴趣指向新的学习课题，引起学生对课题的注重使其心理活动集中于要掌握的内

6、容，这也是导入的主要功能。例如，在实行电生磁一节的教学中，首先播放了一段2006年4月30日我国首辆自主知识产权磁悬浮列车实地运行试验成功的录像资料。此时，向学生提问“这列火车自重十八吨，还载有60人，它为什么能够浮起来？并且最高时速可达500千米每小时。”学生回答：“肯定有力把它托起来。”继续引导：“力是谁给的呢？”就这样，顺利的导入到新课内容。最具体、最理想的调动学生积极思维的方法是学生观察到清晰的物理现象而又无法解释时，他们的思维活动必然是积极的。所以，实验在这方面起的作用是最生动的，口头表达也难于比拟的。同时，学生通过演示实验，一开始就获得感性材料，为理解和掌握好教学内容准备了条件。例

7、如，“静点屏蔽”是学生难于理解的概念。讲课前，教师可先放图一（a）、(b)、(c)所示的演示实验。通草球靠近带电体时，因为通草球（电介质)在电场中产生极化现象，通草球靠近带 图一 静电屏蔽实验 电体的一端处，带上了与带电体相异的电荷，通草球受带电体的吸引而摆动。而放主金属网中的草球靠近带电体时，通草球并不受带电体的吸引而摆动。此时，教师提出“静电屏蔽”的课题，学生的思维就积极起来，他们急于想了解当金属网移入电场后，金属网的内部引起了一些什么变化。案例:“千人震” (一种断电自感现象)实验实验设计：利用日光灯的镇流器、一节旧的普通干电池和四根长导线可连成如图所示的电路，让学生双手各握A、B导线两

8、端，突然在C端断开电源，学生将会有明显的被电击的感觉，此实验有惊无险，在学生为一节旧干电池的“威力”而疑惑不解时顺利进入“自感现象”的教学。教师：大家看，这是一节旧干电池，大家知道它的电压是多少伏吗?学生:1.5V。教师:对。这是一个在日光灯上使用的镇流器，我们把它与干电池并联起来，现在我们找一名勇敢的同学，让他握住并联电路的两端教师:有什么感觉?学生:没有感觉。教师:没有电击的感觉吗?(说的同时将干路C处断开。)图二 实验示意图（该生立即大叫一声跳起，其余学生都十分惊异和好奇。）教师:刚才有什么感觉？学生:（心有余悸地)麻了一下，好像被电打了。教师:真的吗?教师:还有哪些同学愿意试一试?（让

9、学生几个人一组重复做这个实验，尽量使每个学生都有被电击的体验。)教师:这个实验叫做“千人震”实验，不夸张吧？的确，在刚才的实验中，我们会有被电击的感觉，一节干电池的电压只有1.5V，怎么会有这么大的威力?大家猜想一下，问题可能出在哪儿?学生甲:对，我注意到当老师的手不动时，我没有感觉，可当老师的手一动，我立刻就被震了一下。教师:这位同学观察得很仔细。同学们还有什么问题吗?学生已:老师，我感觉那个镇流器很有效，它的里面到底是什么?教师:问得好。我们现在就把它拆开。原来里面是一只带铁心的线圈。今天我们要来学习的一种现象，就与这只线圈有关，等这节课结束时，要求大家能画出这个实验的电路图，并且能够自己

10、去揭示这个实验的奥秘。分析：在本节课的演示实验中教师巧妙的用自制教具设计了一个有趣的实验，并能在演示过程中让学生参与体验，这用在引入新课阶段，能激起学生强烈的好奇心和求知欲，能顺利的达到本演示实验的教学目的。另外在教师的启发指导下，学生能够由实验现象中发现问题、搜集信息并加以简单地处理，渗透物理科学思维方式，促进新旧知识之间的同化与顺应，有利于学生进行意义的建构。这样的实验的设计才是有效的。4.2 对中学物理演示实验的改进4.2.1 用顺手拈来的物品，设计改进演示实验为弥补实验仪器不足所造成的缺憾，在设计演示实验时实验仪器器材的选取要因陋就简、就地取材、废物利用，充分利用学生顺手拈来的物品做演

11、示实验，来丰富学生的视野。例如做瓶吞蛋的实验体会大气压的存在;鸡蛋握不破但可以敲破做压强与受力面积关系的实验;易拉罐烧热排出部分气体后，用面团封口，冷却后大气压将罐压扁;手在桌面上推动，体会摩擦力的存在;玩手影的游戏，体会光的直线传播原理;粉笔头可以演示自由落体，抛体运动;也可以利用粉笔从中间折断再对接来演示分子间存在引力等。利用这些随手可得的材料做演示实验，可以将学生的注意力集中到对实验现象的观察上，而不是将注意力分散到对复杂演示实验仪器结构的认识上，容易使学生抓住事物的本质，并且可以大大丰富学生的视野。4.2.2 利用新材料，新产品设计改进演示实验随着时代的发展，许多新材料、新工艺、新产品

12、不断进入我们的生活。只要运用得法，就可以使之成为又一个取之不尽的小实验宝藏。如利用日光灯的镇流器、一节旧的干电池和四根导线可连成如图所示的电路，让学生双手各握A、B两端，突然将C端与电源断开，学生会有明显的被电击的感觉，此实验有惊无险，在学生为一节干电池的“威力”而疑惑不解时顺利进人“自感现象”的教学。又如，手机的使用现在已经普遍，可以将手机置于真空杯中，用另一手机拨号可见杯内手机振动，但听不见声音，可见电磁波在真空和介质中都能传播，而声音在真空中不能传播;也可以将手机置于不锈钢杯中，用另一手机拨号，提示:您所拨打的手机暂时无法接通，可见金属壳对电磁波有屏蔽作用。由此可见，选择设计演示实验所用

13、的材料要不拘一格，有利教学，调动学生学习积极性的东西都要去尝试。4.2.3 充分利用多媒体技术，设计改进演示实验利用多媒体技术优化中学物理演示实验教学是今后中学物理课改的一个趋势和方向，物理演示实验是物理教学中不可缺少的组成部分，是学习物理的基础，也是培养学生科学的学习方法的重要途径，但有些实验只能水平演示，不易使所有的同学都能同事看到，借助计算机则可将物理过程中看不见的东西通过形象的仿真和模拟来展现，起到化无形为有形，化抽象为形象，转换思维方式，降低理解难度的作用，收到良好的效果。物理新课程课改中为了避免由于测量方法、仪器、环境和测量者自身素质引起的误差，引进了计算机辅助实验系统。这里以DI

14、SLab为例，它是一种将传感器、数据采集器和计算机组合起来，共同完成对物理量测量的装置，名为DIS(digital information system)实验。是Digital Information system三个词的缩写，是“数字化信息系统实验室”的简称，它是一种用于实时采集数据的智能化系统，由传感器、数据采集器、计算机系统及配套软件构成。DISLab系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合，它配备的各种传感器可以实时采集各类被测量的数据，几乎涵盖了高中物理教材中所有实验的被测量，并可以同时测量多个物理量，通过相应的软件对被测信息进行各种数据处

15、理，从而构建了一个现代化的数据测量和处理平台。使用DISLab，能够完成力学、运动学、电磁学、光学、热学及原子物理实验数百个。本文结合DISLab，主要介绍它在电磁学方面的改进。借助dislab能测定电池的电动势，直接测量磁感应强度，微电流等，使这些在传统实验条件下难于测量的物理量轻松容易的得以测量，大大扩展了高中物理实验探究的内容。案例：利用DISLab改进自感现象实验在自感现象中，我们以往只能通过实验现象通过小灯泡亮度的变化知道自感现象的存在, 至于电压如何随时间变化,不能直接呈现在学生面前。断电时,尽管学生可以看到小灯泡的闪亮,但是此时灯泡两端的电压与原来电压方向相反却无法看到，而借助D

16、ISLab 则可以很好的解决上述问题自感现象传统实验的局限性，自感现象是一种特殊的电磁感应现象，自感现象比较抽象，学生对自感现象缺乏感性认识，为此，教材先通过演示实验来介绍自感现象，然后再分析这一现象，所以这节课的关键在于做好演示实验，分析好实验现象，现行通过图三和图四来演示通电和断电自感现象。 图三 通电自感实验电路图 图四 断电自感实验电路图图三中，在电路接通的瞬间，因灯泡A2与电阻R串联的电路是纯电阻电路，所以A2立刻正常发光；而灯泡A1与线圈L串联，线圈中的电流从无到有时，要产生自感电动势，阻碍其电流的增加，所以通过灯泡A1的电流只能逐渐增大，灯泡A1比灯泡A2会“滞后发光”，但由于“

17、滞后发光”的时间极短，实验现象可能不是很明显。 在图四中，将开关S突然断开，这时电路中已经没有了外电源，但由于通过线圈的电流减小，产生自感电动势来维持电路中的电流，这时线圈L与灯泡A组成回路，灯泡A会“延续发光”，如果线圈中的原电流大于灯泡A中的电流，小灯泡还会在瞬间闪亮，在断电自感实验中，由于缺少了对比实验，用肉眼根本无法观察到灯泡A的“延续发光”；另外通过灯泡A的电流方向发生了变化，在传统实验中也无法演示出来16。利用DISLab的演示实验 ：为了使实验结果更加直观、全面，可以把DISLab技术应用于自感现象实验，利用电流(电压)传感器、数据采集器和计算机信息处理系统，进行实验数据采集、数

18、据处理，并把实验结果直接用图像的形式呈现出来进行分析，图三中，在灯泡A1两端并上一个电压传感器，在闭合开关S的瞬间，同时启动数据采集器采集灯泡A两端电压信号，选用“示波”方式，在窗口中呈现t图像，如图五所示，可以直观地看出，小灯泡A两端的电压慢慢增大，也就是通过小灯泡A1和线圈的电流是慢慢增大的。 图五 通电自感实验图像 图六 断电自感实验图像图四中，在灯泡A两端并上一个电压传感器，在断开开关S的瞬间，同时启动数据采集器采集灯泡A两端电压信号，同样选用“示波”方式，在窗口中呈现t图像，如图六所示，可以直观地看出，小灯泡A两端的电压先反向，然后再慢慢减小，也就是通过小灯泡A的电流先反向，然后再慢

19、慢减小，另外，在一小段时间内，加在小灯泡A两端感应电压比原来电压更高，图像显示，小灯泡A的最大感应电压约为原电压的4倍，所以小灯泡会闪亮一下。 通过与传统实验比较可以发现，利用DISLab不仅可以结合现有的实验器材进行原有的实验， 还可以弥补原有实验的不足之处。利用软件的示波显示功能，清楚的显示出电阻支路、电感支路电压随时间的变化情况，增强实验的直观性。断电时，电感和两个电阻组成的回路中有电流通过，但是电阻支路的电压方向与通电时相反。这一现象在图像中得到了很好的体现，与传统中灯泡的瞬间闪亮相比，更有助于学生对断电自感现象的理解。 我们不难发现利用DISLab 进行自感现象的实验，不仅将定性分析

20、改进成定量分析，还增强了实验的可观性和可信度。除此这外，DISLab在数据记录、数据处理上还有传统实验无法比拟的优势。计算机辅助实验系统可以为我们的物理教学提供更多的帮助，使我们取得更好的教学效果。4.3 引导学生参与演示实验设计及操作 在演示实验中提高学生的参与程度。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、

21、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，可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，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、总结出感应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。图七 “楞次定律”实验图线圈内磁通量增加时的情况图号磁场方向感应电

22、流的方向感应电流的磁场方向甲磁场方向向下磁通量增加逆时针（俯视）向上乙磁场方向向上磁通量增加顺时针（俯视）向下表一 线圈内磁通量增加时的情况线圈内磁通量减少时的情况图号磁场方向感应电流的方向感应电流的磁场方向磁场方向向下磁通量减少磁场方向向上磁通量减少表二 线圈内磁通量减少时的情况案例：法拉第电磁感应定律奥斯特实验架起了一座连通电和磁的桥梁，此后人们对电能生磁已深信不疑，但磁能否生电呢？在磁可否生电这个问题上，英国物理学家法拉第坚信，电与磁决不孤立，有着密切的联系为此，他做了许多实验，把导线放在各种磁场中想得到电流需要一定的条件，他以坚韧不拔的意志历时10年，终于找到了这个条件，从而开辟了物理

23、学又一崭新天地 向学生展示著名物理学家的图片，定格在奥斯特的画像，向学生介绍其重要贡献：电生磁，并做演示实验（利用视频展示台，实验结果在大屏幕上显示）。教师：在导线中通电后，小磁针发生偏转，说明电能生磁。通过电能生磁现象，我们能有什么猜想？学生：磁能生电吗？（通过对奥斯特实验的演示和介绍，使学生自然地提出探究的课题，启发学生思考。）教师:要实现磁生电，需要哪些实验器材？学生：要有磁场、导体、开关，导线等。教师：怎样知道电路中有电流产生呢？学生1：用小灯泡。学生2：用电流表是更直接的方法。在电路中产生电流了吗？（没有）你怎么知道的？（电流表的指针没有偏转。）学生：我认为电路中可能有电流，不过电流

24、太小，电流表测不出而已。教师：你有什么建议？学生：换一个更精确的电流表。教师：我们换一个灵敏电流计。再做实验，有电流吗？（没有。）电流表已换了更精确的，指针还是没有偏转，你们还有什么想法？就这样教师依次换了条形和蹄形磁铁，灵敏电流计指针还是没有偏转。教师：电流表我们换成了更精确（灵敏）的，磁体换成了磁性更强的。还是没有看到指针的偏转，看样子磁不能生电，收拾器材（教师无奈地把磁铁缓慢的取起了）。学生（一阵躁动）：动了。学生：刚刚你把磁铁从线圈中抽出时，电流表指针动了起来。（老师装不理解，学生也像法拉第那样，以有准备的头脑抓住了机遇。）教师：我们再来试一次，当我把磁铁从线圈中抽出时，电流表指针的确

25、动了，我们再多做几次。（学生很兴奋地发现：当磁铁插入和拔出时，电流表指针动了。）这说明了什么？学生：磁能生电。教师：我们终于有了伟大的发现。法拉第经历了整整10年无数次失败，最后才偶然地捕捉到这令人激动的瞬间，他为人类从蒸汽时代跨入电气时代作出了巨大贡献。图八 法拉第电磁感应图示分析：案例中的演示实验设计重现了物理学家对“磁生电的探索过程”，师生通过协商，提出实验方案，大家自然想到了法拉第等起初的想法，即认为“磁生电”是一种稳态现象，可以通过“感应”的方式实现，但实验的结果否定的，以及当教师“遗憾”地抽出磁铁时，学生惊奇地发现：灵敏电流计的指针偏转了!大家精神为之一振，初步认识到“磁生电”的瞬

26、时性。老师一步步地启发引导学生提出不同的方案，实际上是引导学生重走法拉第等物理学家的探究之路，随着实验方案的变更，及时演示实验现象与得出结果，让学生体会法拉第等人的探究思路。5 总结演示实验是物理教学中必不可少的一部分内容，在物理教学中占据着极其重要的地位；也是教师备课的重要内容。需要教师们认真研究和反复推敲、仔细揣摩。教师是实验的操作者，具有实验主体的主动性；学生，是演示实验的观察者，具有观察主体的被动性。而课堂演示实验的教学效果主要是以学生是否达到了预期的学习效果来衡量的。因此课堂演示实验的教学效果并不仅仅取决于实验的本身，还取决于演示实验的设计。设计的是否合理，直接影响着教师的教学效果和

27、学生的学习成绩，但合理的设计在教学过程中应用不合适依然起不到其应有的效果。成功的演示实验能化枯燥为生动，化抽象为具体，帮助学生建立和理解物理概念和规律，并培养学生的思维和提高学生的实验技能，从而获得很好的教学效果。本研究对当前中学物理演示实验的分析与前人的研究基础上，以教学理论为指导、探讨在当前的新课改背景下，提出了开展中学物理课堂中演示实验教学的方法与策略，从演示实验仪器的选择、实验的设计和在课堂上演示实验的演示方面进行了阐述，提供了几个的演示实验教学案例并进行了分析，最为切实提高演示实验的教学作了进一步的思考，提出了一些自已的建议。本研究还不成熟，还有许多需要进一步探索和完善的地方，如由于

28、笔者个人时间和水平有限，没有研究出演示实验有效的设计与研究，对于演示实验的设计教学，没有研究出有效的方案，这些都会在以后的教学实践中作进一步的研究. 参考文献l 刘育锋.论我国中高职衔接的模式J.职业技术教育，2002，(10).2 陆怀平，杜娟.浅议中高职教育的衔接间题IJ.卫生职业教育，2005，(14).3 何连春.中学物理演示实验的方法研究与设计实践D. 教育硕士学位论文，山东师范大学，2006.4.4 李美芬.中学物理演示实验设计的基本要求J.课程教材教学研究，20085徐在菊.新课标高中物理教材物理实验教学的分析与研究D，济南:山东师范大学.2009.4.6 胡卫平,等.中学科学演

29、示教学的心理分析J.学科教育,2002.7 许国梁.中学物理教学法M.高等教育出版社,1997.8 肖发新.物理演示实验教学设计的研究D. 硕士论文.9 张冬梅.中学物理演示实验的设计方法研究与实践D.硕士论文.10 陈春丽.改进实验方法 增强实验效果J.中小学实验与装备，2007.1.11 刘允良，浅谈中学物理演示实验，赤峰学院学报，2005.2,21(1)12许文龙，朱铁成.新课程背景下物理演示实验创新的探讨J1.大学物理(教育专刊)，2008.13郗丽，浅析如何做好初中物理演示实验J，科技创新导报，2011，(6).14罗兴祥，如何提高物理演示实验的有效性J，贵州教育，2011，（22）.16李渝翔.利用DISLab进行物理实验设计与拓展的研究.D云南师范大学,2005,21(3):17-18.