物理教学中“动手实验”与“屏幕实验”的比较与选择

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  摘要:物理学是一门实验科学。在物理学中,每个概念的建立、每个定律的发现,都有其坚定的实验基础。物理实验是物理课程的内容之一,物理实验教学应是物理教学的重中之重。而随着多媒体辅助教学的综合运用,“屏幕实验”强有力地推进了传统教学的现代转换,充分发挥了多媒体技术的替代和再现功能、拓展和延伸功能。“屏幕实验”可以做到万无一失,并大大节省了老师们的“备实验”的时间。“屏幕实验”成了老师们的“最爱”。而“动手实验”成了辅助教学这样一个本末倒置的现状。本文从比较、分析两种实验的优缺点出发,结合实例简述根据教学需要灵活选择两种实验。
  关键词:物理教学;动手实验;屏幕实验
  高中物理实验及其教学是物理课程和物理教学的一个重要组成部分,它既是物理教学的重要基础,又是物理教学的重要内容、方法和手段,在培养学生科学素养的教育中具有独特的地位和全方位的功能。多媒体技术正渗透到社会的各个领域,改变着我们的教学方式以及教育观念,与以往任何一种教育手段的应用相比较,多媒体技术的引入,使传统的教育方式发生了更加深刻的变革。多媒体辅助教学已成为教育改革中十分重要的一个内容。多媒体技术在提高教育质量和教学效率方面所起的作用已被人们所公认。尤其是实验教学中,所有的实验都可以通过多媒体技术在屏幕展现出来,我们把这样的实验叫“屏幕实验”。但真实动手做的实验和屏幕实验给学生带来的效果就好比是坐在比赛现场看球赛和坐在电视机前看球赛。现场的那种激动人心、那份震撼、那样的紧张,在电视机前是无法体会到的,要不然人们也不会为了看一场精彩的赛事而不惜高价去比赛现场,可以选择在电视机前看,事實上,许多人由于受到时间、空间、经济的限制不得不选择在电视机前看,可见在物理教学中“动手实验”和“屏幕实验”两样都不可缺,关键在于我们老师如何将两种实验方式恰如其分地展现在物理课堂中。
  一、屏幕实验的出现与特点
  物理离不开实验,然而教材中有许实验因条件限制,无法用实验直接演示或演示效果不明显,借助多媒体“屏幕实验”可较好地解决这个难题,从而起到优化物理实验的效果。
  1.屏幕实验主要的优势表现在:
  如果能适时恰当地运用屏幕实验就可以克服传统教学的不足,充分发挥教师在课堂教学中的主导作用和学生的主体作用,从而使教师教得轻松,学生学得愉快,既达到突破重难点的目的,又优化了课堂教学结构,提高了教学质量。那么,屏幕实验在物理教学中有哪些积极作用呢?
  (1)提高实验的可见度,增强演示实验的效果。
  有些演示实验由于可见不高,或受环境条件的限制,观察仅仅是前排学生的专利而后排学生只能看看热闹而以,没有观察又怎么能唤起学生的注意,利用多媒体可提高演示实验的可见度,培养学生的注意品质。如:力学实验中游标卡尺、弹簧秤的读数,电学实验中电压表、电流表、欧姆表等各种仪表的读数,由于可见度小,在演示时均采用电子投影仪将实验直接投到屏幕上,影像清晰、稳定、可见度大、效果好。
  (2)模拟实验,突破时空环境的限制。
  物理教材中有一些因具有危害性、或无法在课堂上演示,学生因受知识水平、生活环境及认识上的不足,很难想象出的物理过程如:人体触电,天体的运动,感应起电,探究电容的决定因素等在空气湿度较大的环境中不能做成功的,又如波的干涉、衍射,多普勒效应等。比如在讲授“磁场对运动电荷的作用”这一节课时,由于教学内容的抽象性和实验的不易操作,难以定量测定等原因,可以考虑使用屏幕实验。运用多媒体计算机显示动画课件,并播放内容解说,模拟逼真,相得益彰,从而使学生顺利地从宏观安培力过渡到微观领域的洛仑兹力,并能进一步领会到洛仑兹力方向的判断方法与安培力方向的判断方法的一致性,顺利实现教学难点的突破,大大加深了学生对本节课的印象。
  (3)透视物理过程,建立物理模型。
  物理概念的建立,物理规律的理解,物理实验数据的分析和处理,在很大程度上取决于相应物理模型的建立。如运动学中的“质点”,静电学中的“点电荷”物理结构中的“分子”“原子”模型,万有引力这一章天体的运动等,单凭传统教学手段,学生一知半解,理解不深刻,我们可以通过屏幕实验解决这一问题,以其丰富的表现力将物理现象的物理过程生动、形象地呈现在屏幕上。比如在组织教学“人造地球卫星”这一节内容时,一方面通过课件模拟当年牛顿在高山顶上以不同速度平抛物体的场景,速度越大,落地点离抛出点越远;另一方面可以播放太阳系中九大行星的运行模拟图,使学生对很抽象的天体的运动倍感亲切,拉近了与学生学习心理间的距离。
  2.屏幕实验在物理教学中的劣势分析:
  辩证唯物主义认识论告诉我们,任何事物都具有两面性,屏幕实验是现代科技教育发展的必然结果,但它还是辅助教学处于从属地位它的劣势表现在:
  (1)过分追求直观形象的效果,不利于学生抽象思维能力的培养。
  物理教学中,教师根据学生思维能力的具体情况,运用多媒体为学生提供恰当的直观材料,帮助学生顺利进行物理思维活动。但如果教学过程处理得过分直观,过分形象,过分依赖多媒体的展示功能,长期如此会降低学生的思维水平,影响学生思维的发展,一味对学生思维活动的迁就、妥协不利于学生的可持续发展,容易让学生形成思维的惰性和单向性,教师不能只追求教学轻松,学生学得轻松,而丧失对其思维能力的全方位培养。
  (2)眼过千遍不如手过一遍,屏幕实验忽略了学生的动手能力的培养。
  物理学科是一门以实验为主的基础学科,它的概念的建立和规律的获取大都是以实验为基础的。这就决定的中学物理学科教学主要应该以真实的实验为基础,通过实验才能使学生观察到真实的现象进而总结出规律。多媒体课件所演示的屏幕实验毕竟是虚拟的经验,难以替代动手实验,更不能替代学生的动手过程和思考过程,经常地使多媒体课件摸拟物理实验可能会扼制学生的思维能力和想象能力。更重要的是可能使学生养成一味盲从前人的经验,而不尊重科学事实习惯。这才是我们物理学科教学更要警惕的现象。   (3)重理论轻实践,屏幕实验不能得到真实的实验数据和实验误差分析。
  虽然多媒体展示操作方便、可见度高,但它毕竟是人工化、科技化和理想化的产物,有别于现实中的客观事物。我们不能在屏幕实验中发现问题,里面的数据都是我们事先设计好的,实验肯定是会朝我们设计的方向发展。学生只能经历一个没有问题,不需要猜想与假设、不需要制订计划与自主设计实验,不需要思维的操作性实验与收集数据。这种人为简化的教学失去了过程性、探究性的特点,久而久之,形成了以知识与技能为本、以教师和课堂为中心的实验教学模式。这种不需要猜想、直觉、动手,不需要实验设计,不需要深层次思维过程的实验,失去了实验教学应有的意义和作用。
  二、动手实验的优势与克服
  当前实验大体可分为以下几类:演示实验、学生分组实验、边学边实验,其中学生分组实验是实验教学的主流形式。我们就以学生分组实验为主谈谈动手实验的优势:
  1.有利于培养学生的实验技能。
  物理实验即是了解、研究自然规律的重要方法,也是培养学生实验技能的最基本的途径。
  (1)实验的观察技能,如识别常用仪器的结构规格,观察实验的现象,特别是观察实验中的计量读数等。
  (2)实验操作技能,如常用仪器的使用,含实验装置的组装,有序操作,记录数据等。
  (3)数据处理技能,如能将实验中的某些实录内容转换成相应的数据和图形,并行进分析和处理等。
  (4)实验探究技能,如能根据要求设计实验方案选择器材并完成实验。
  2.有利于培养学生良好的实验习惯。
  良好的实验习惯既是每个学生应有的基本素养,也是每次实验应该达到的基本要求,好的习惯会影响学生的一生。
  (1)布列器材,把有关的实验器材有序地放置在实验桌上合适的位置便于实验操作。
  (2)取放仪器,取放实验仪器时,按操作规范动作轻取轻放,爱护实验仪器。
  (3)观察操作,指以严谨认真,实事求是的科学态度,有条不紊地进行实验操作。
  (4)整理复原,实验完毕后,将实验器材清点、整理、复原。
  3.挖掘探索性实验,培养创新能力。
  探索与创新本身就是一对孪生兄弟,探索性实验是在“提出问题——猜想与假设——制定计划与设计实验——进行实验与收集证据——分析与论证—→评估——交流合作。”这样一个过程中体现,它始终使学生处于不断探索的情境中,主动实验,仔细观察,积极思维、有效地培养学生创新思维能力。中学物理教材中的实验有不少是验证性的,这对培养学生的创造思维很不够,也不利于调动学生的积极性,应加以改进。
  例如在研究影响滑动摩擦力大小的因素的实验中,先介绍测量滑动摩擦力大小实验方法及测量时注意事项,并让学生自己动手实验,测量木块在水平长木板上的摩擦力,再提出影响滑动摩擦力大小的因素有哪些?学生根据经验自然会猜想:可能是压力、接触面积、接触面的粗糙程度、物体的运动速度。再请学生分别针对四种猜想设计实验,对上述各因素对滑动摩擦力大小的影响逐一验证,在设计实验中引导学生应注意控制变量。通过这种学生实验操作的研究性学习,从而形成对滑动摩擦力大小的因素正确认识,让学生通过亲身参与实验主动地获取知识,从而激发学生的创造性思维,培养学生的实验能力和创新能力。
  动手实验要克服的问题是:一、 教学过程中老师的“动口”和学生的“动手”同时进行,有许多学生对实验仪器很好奇,老师在上面讲的同时学生在下面动仪器,老师在讲什么根本就没听进去。二、老师“动口”的时间与学生“动手”的时间控制不好。老师讲得时间太多,学生动手做实验的时间就不充分。教材从实验目的、实验原理、仪器、操作步骤到注意事项,写得面面俱到,然而每次实验课老师还要花相当长的时间根据教材讲实验目的、原理、步骤、注意事项、误差分析等,这样不仅浪费时间而且又会降低学生的实验兴趣。如果老师讲得少,学生没法顺利完成实验。三、老师的讲得“度”没把握好,老师既不能讲不到点,也不能讲过头。整个过程过中老师始终要注意学生的动态,发现问题及时解决。一节动手实验课下来,要比一节屏幕实验课累得多。
  三、根据教学需要灵活选择两种实验
  实验教学中,如果我们能灵活选择好两种实验就可以使物理教学理论联系实际,引起学生学习兴趣,引导学生发现问题,激发求知欲,引导他们热爱科学。还可以通过实验培养学生的观察能力、思维能力、自学能力以及发现问题、分析问题和解决问题的能力;培养学生良好的实验方法以及基本的实验能力和动手能力。
  1.最大限度地创造条件让学生做动手实验。
  在逐渐引进先进手段技术的同时,应特别注重现有仪器设备的开发。目前大纲规定的实验,特别是学生实验的数量并不很多,与许多发达国家相比,我们的学生实践活动是少的。为了逐步增加学生实践活动在教学中的比重,除了切实做好规定的实验外,还应提高现有仪器的利用率,创造条件多做实验,做好实验。为了增加学生的动手机会,有的演示实验可安排为学生随堂实验,采取边教边实验的方式进行,以利于学生仔细观察现象,提高观察和实验能力。这类学生随堂实验,一般以定性观察为主,在定量方面不作过高要求。
  2、充分发挥屏幕实验的辅助作用,让动手实验和屏幕实验有机结合。
  (1)利用屏幕实验来增进动手实验的可视度。
  物理實验教学中的演示实验要求学生有目的地进行观察,然而有一些演示实验受环境条件的限制可见度不高,实验现象只有前面一部分同学能看见,影响实验效果,利用多媒体可提高演示的可见度。如在《多用表》这一节的教学中,由于多用表比较小,我们可以用课件先把多用表原理和读数加以演示,在具体的测量过程中学生不能观察清楚,用多媒体技术投影到屏幕上,学生可以看得清楚。
  (2)利用成功录像,让学生观察到不容易观察到的实验现象。   有许多物理现象从发生到结束都是很快的。在教学中要想获得良好的实验效果,就必须把这样的“快节奏”实验变为“慢镜头”实验,让学生有充裕的时间进行观察,从而掌握现象的本质。平抛运动实验就是一个典型的范例。先动手用粉笔头做个平抛运动,用多媒体模拟实验,可以通过改变物理的初速度来控制其运动的快慢,并随时用“暂停”键定格某一瞬间让学生仔细观察,还可以使学生清楚地看到物体运动的轨迹和它在水平方向和竖直方向上运动的情况。
  (3)用软件处理实验数据
  充分发挥现代信息技术给教学带来的便利,借用计算机来处理实验数据,既符合新课程的教学理念,又激发学生的学习兴趣。例如《探究自由落体运动的规律》利用Excel软件来处理数据,把S和t的数据填入相应的单元格中,由软件来得到S-t图像。学生根据图像很直观的得到S、t之间的关系是一条直线,从而得出正确的结论。
  3、巧用屏幕实验来模拟“理想实验”、“微观实验”、“航空实验”等无法动手的实验。
  利用屏幕实验的模拟功能,能够把一些抽象的理论内容,不易观察清楚,难于操作的或现实中不可能直接操作的实验内容,进行信息处理和图象输出,在显示屏幕上进行微观放大、宏观缩小、瞬间变慢。让学生获取动态图象、信息,从而形成鲜明的或感性的认识,为进一步形成物理概念,理解物理规律,上升为理性认识奠定基础。学生产生感性的认识后再理解相关的概念和原理就容易多了。如楞次定律中磁通量是看不见,摸不着。让学生去想象磁通量的增加、减少及感应电流的磁场反抗这种变化实行起来比较难,这也是教学中的一个难点,但如果用多媒体做逼真的模拟,就可以帮助学生摆脱这些认识障碍。这方面应用的例子还有原子弹爆炸、A粒子散射实验、磁悬浮列车、激光、卫星运动轨道等。
  让物理实验回归物理探索的本义,充分发挥“动手实验”和“屏幕实验”各自的优势,在实际物理教学中要有机结合才能更有效的帮助学生完成知识的主动构建及创新能力的培养。
  参考文献:
  [1]《普通高中物理课程标准(实验)》
  [2]张玉昌:《发挥多媒体作用,促進物理实验教学》 考试月刊
  [3]宋营弟:《让学生做实验学习的主人》 人民教育出版社
  [4]《正确定位多媒体技术在物理教学中的作用》
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