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（原载：《给学生的20把钥匙》第三章第3节）
无论是物理科学还是生物科学，结构、状态、过程，都是非常重要的三个范畴。大的概念称为范畴。一个系统状态的变化，是过程。同样，一个系统结构的变化，也是过程，而且是更重要的过程。科学，主要指物理科学和生物科学，实验都是基础。做实验，是通过测定系统的状态，去认识系统变化的过程，去了解系统的本身的结构。所以，我认为学习科学的关键是：理解结构，探索过程，重在实验。
1. 接受老师的引领
我之所以在大学选择了物理学，与小学、中学接受的教育密切相关，与老师的教导引领密切相关。
小学5年级，我们开始学《自然常识》，给我留下深刻印象，影响了我的职业选择。学校定期举行科学实验的演示，有老师演示，也有同学演示。例如，演示“大气压”的存在，演示“日食和月食”，演示“光的折射”，演示“发电机和电动机”，还有许多有趣的化学实验和生物学的实验。
新来一位教《自然常识》的年轻的男教师晏以心老师，我就问他“太阳系有哪九大行星？”他一一地说出来。2007年，晏老师还对我说：“你想考我，我刚到附小，你就问我九大行星。”我想，当时不是考老师，而是，爱问问题。这都是成师附小的老师们提倡的。现在，世界天文学家开会，同意太阳系只有八大行星了！
1963年，我成为了一位中学物理学教师。我在教初中学生时，几乎把高中物理学的有趣的实验，都给初中学生演示了。目的是让学生对于学科学，有很大的兴趣。这完全是从成师附小的老师们那里学来的。我在教学中还进一步要求学生与老师一起做演示实验，这大大提高了学生学习物理学的兴趣。
高中一年级，戴良平老师教我们班的物理学一段时间。他让我们理解了：实验是物理学的基础；要建立正确的物理概念；物理学的理论要接受实践的检验。我在物理学的学习方面下了相当大的功夫。后来，也成为中学物理教师。2003年11月27日，我写了一首短诗怀念我的老师：
戴良平老师
他的讲课非常有神韵
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2. 实验在物理学中的作用
我建议：学习物理，一定要高度重视物理实验。我主张物理实验，包括“演示实验”，学生都应当主动积极参与。
物理实验在中学物理学中的作用，可以从以下六方面来说明：
(1) 丰富感性认识，提高学习兴趣
学生还没有学习物理学之前，虽然接触了不少自然现象：太阳的升落，月亮的圆缺，物体的下落，河水的流动，风、云、雷、电、雨、雾、冰、雪……等等，而且，在小学里还学习了自然常识，具备了一些感性认识和初浅概念。但是，学生仍然还有许多必须具备的感性知识是缺乏的。应当通过实验来丰富感性知识，提高学习兴趣。例如：惯性球的实验、大气压存在的实验、沸点与压强的关系的实验、晶体溶解和凝固的实验、光的干涉和衍射的实验、共振现象的实验、流体空吸作用的实验、电荷在导体上分布的实验、光通过棱镜发生色散的实验、阴极射线管的各种实验……等等，通过这些实验，一方面丰富学生感性知识，使理解物理概念和规律变得容易，同时，这会极大地提高学生学习物理学的兴趣。
热爱是一位最好的教师。通过实验能激发学生学习的兴趣，从而喜爱学习物理，这是十分重要的。对于提高物理教学质量，将起到很大的推动作用。学习的最好刺激是什么？是兴趣，是学生明确所学知识的重大意义，从而兴趣盎然地去学习。
(2) 突破重点难点，理解物理概念
物理教学中的许多重难点知识，一经配合好恰当的实验，即可化难为易，使学生开门见山地把握信物理概念。例如，液体内部压强的实验、帕斯卡定律的实验、全反射的实验、光的色散实验、牛顿运动定律的实验、电磁感应的实验、楞次定律的实验、感抗和容抗与交流电频率的关系的实验……等等，实践表明，有了实验就容易使学生理解概念和掌握物理定律；相反，如果不配合以恰当的实验，许多物理知识就很难理解和掌握。
教材中有的重难点知识，如果增加恰当的实验，对教与学，都是大有好处的。例如，合力的大小随两个分力的夹角的变化而变化的关系，如果不演示实验，学生在直觉上难于接受。如果演示了这个实验，再强调力的矢量性，学生易于接受；同时，对力的矢量性的理解也会更深一步。再如，平行板电容器的电容，大纲要求不推导公式，但又要求了解和掌握平行板电容器的电容同哪些因素有关，这就必须配合演示实验来说明，否则学生是难于了解的。
(3) 形成物理图像，认识物理过程
通过实验有助于学生形成正确的物理图像，认识物理过程。例如，气体、液体的扩散实验，有助于学生想象分子无规则运动的图像；横波和纵波的形成的演示，有助于学生理解机械波的图像；光的干涉、衍射的实验，有助于学生形成光的波动图象……再如，晶体和非晶体的熔解的演示实验，以及画出萘的熔解和凝固曲线的学生实验，就是要使学生认识熔解和凝固的物理过程，这对于理解熔解热这一概念是十分重要的。
(4) 启发学生思维，增强探索精神
成功地演示一个实验，这本身就富有启发性。例如，自由落体和平抛物体同时落地的实验，以及平抛物体运动的水平分运动即匀速直线运动的实验，能启发学生思考许多问题：运动的独立性原理、牛顿第一定律和牛顿第二定律。指南针的演示实验，无疑会促进一些学生思考地球为什么是一个磁体呢？对于这个问题虽然已有许多假说，但至今未能完满解决。我们不能这样来教学生：仿佛什么真理都被前人认识了，没有什么可以再发现了。这样的“顶峰”观点，是不利于培养人才的。
要引导学生正确地思考，增强探索精神。十六岁的爱因斯坦在读中学时，就开始了对相对论的思考。他回忆说：“在阿劳这一年中，我想到这样一个问题：尚使一个人以光速跟着光波跑，那末他就处在一个不随时间而改变的波场之中。但看来不会有这种事情！这是同狭义相对论有关的第一个朴素的理想实验。”经过十年的探索，爱因斯坦终于创立了著名的相对论。可见，早期建立志愿并思考和探索科学中悬而未决的问题是多么重要！
(5) 培养观察能力，掌握实验技能
无论是演示实验或学生实验，都能起到培养观察和实验能力的作用。观察，首先要明确观察什么，其次是如何观察。许多实验都涉及测时间、质量、长度、电流、电压等，如果观测不准确就影响实验结果，许多实验都要求掌握一定的技能，例如、米尺、量筒、量杯、游标尺、螺旋测微器、天平、弹簧秤、量热器、温度计、电池、安培计、伏特计、变阻器等的使用，并达到一定的技巧。观察和实验能力的培养，只能通过观察和实验才能完成。
(6) 养成良好习惯，学会科学方法
实验还能起到养成学生良好的习惯，学会科学方法的作用。例如，做任何实验都应首先做好一切准备，按照程序进行实验；都要做到既要细心又要大胆，既要动手又要动脑；都要养成尊重事实、不凑数据、严肃认真、一丝不苟的科学态度。对于测量仪器的使用，要养成注意量程和进行零点调整的习惯；在接通电路时，要养成眼看仪表手持电键的习惯；在调节电路时，要养成手扶变阻器滑键，眼看仪表的习惯等等。要学会根据刻度的有效数字，准确记取数据，并会应用有效数字的近似计算方法；要学会用积累的方法测微小量的方法，例如，测单摆的周期、电阻值等的选择，实质上这是要掌握优选法；要学会根据实际记录，列表作图，从运动变化的观点掌握物理规律，这就是要掌握数学中关于函数及其图象的方法……这些良好的习惯和科学方法，对于学生今后参加社会主义建设是不可缺少的。
以上从六个方面论述了实验的作用。对于每一个实验，这些作用当然不是孤立无关的，而是相互联系的。只不过某些实验在某个作用方面更为明显一些。从整体上说，实验有上述的所用作用。从实验的作用就进一步说明了，实验在中学物理教学中的重要地位。所以，我们认为没有物理实验就等于没有物理教学，离开了实验的物理教学是不可想象的。学生一定要认真参与实验。
3. 怎样做好物理实验
我们从演示实验的注意事项和演示实验的基本方法，这两个方面来回答这一问题。我建议：教师应当充分让学生参与演示实验。学习物理时的个人实验、分组实验，一般都是“验证性”的实验，也有少量“探究性”的实验。
课程改革，是要增加“探究性”的实验。演示实验是“讲解性”的实验，很重要，通常由教师演示。我的经验是：演示实验要学生轮流承担，大有好处。“教，是最好的学”。学生当先生，这是陶行知先生提倡的方法。这个方法很有效。
演示实验的注意事项有以下几点：
(1) 遵循大纲教材，明确演示目的
演示实验在物理教学中有重要作用，但决不是说处处都要演示，决不是演示的数量越多越好。因为演示实验不是目的，目的是要通过实验、讲解、练习等，让学生理解物理概念，掌握物理规律，培养实验技能。如果追求形式上的直观、形象，如果追求表面上的活跃、有趣，把演示实验搞成看把戏、耍魔术，这就会走向反面。
所以，必须遵循大纲教材（课程标准）明确演示目的。大纲教材中规定的实验，应力求做到。大纲中规定的实验，应力求做到，并善于选择那些简明的类似实验来代替一时做不到的实验。明确演示目的非常重要，不仅教师十分明白，而且必须使学生都明白。在演示时，要先告诉学生观察什么，注意什么变化，使学生的注意力集中在应该注意的地方，真正达到演示实验的目的。
(2) 突出重点关键，排开次要细节
一个演示实验，总是为了解决一个重点或关键的问题，使学生得到鲜明而深刻的印象。如果层次不分明、细节不回避，就会喧宾夺主、冲淡主题。例如，演示运动学的一些实验，需要测定时间，其方法很多：可用各种节拍器、停表、电动秒表、数字计时器、闪光照像等等。演示时只要指出用它来测时间即可，不宜大讲这些仪器的细节。再如，一个电学的示教板，最好是演示一个实验。如果许多表头、用电器、接线柱都装在一个示教板上，演示某一个实验时，不起作用的东西仍在示教板上面，就容易分散学生的注意力，这就达不到使重点突出，所以次要细节一定要排开。
(3) 看得清楚明白，装置力求简单
演示实验应当在可能条件下，尽量增大可见度，使全班每一个学生都看得清楚，听得明白。实验的可见度小了，有的学生根本观察不到必须观察到的现象，这就没有达到实验的目的。所以，除了改进仪器，例如，力学中采用的圆盘测力计、电学中采用的大型电流计等之外，还常采用白昼幻灯、显微投影等手段以增大可见度。
装置力求简单，应当作为演示实验的一条重要原则。这是由于实验必须要目的明确、重点突出、看得清楚，这就必须要求装置简单，许多简单的实验效果很好，例如，惯性球、热膨胀球、麦克斯韦滚摆等。
李政道教授在介绍美国小学三年级的有关电和磁的实验时说：“所用的仪器设备很简单，就是一组干电池，一只磁针，一块磁铁，一只小灯泡，一段导线。接通干电池和灯泡，灯泡一亮就说明有电；磁铁靠近磁针，磁针一摆动就说明有磁；把磁针靠近有电流通过的导线，磁针摆动，说明电感应生磁；导线接通灯泡，把磁铁在导线上快速摇摆，灯泡会发出微弱的亮光，就说明磁也会感应生电。这样简单的实验，就使孩子们学得更有兴趣，知识掌握得也更牢固了。”
装置力求简单这一原则，对传统的实验是适用的，对于现代的较新的实验也是适用的。例如，使用气垫的若干实验、使用激光的若干实验，就其突出重点和增强效果来说，都是使演示简单了。虽然这些实验附有较复杂的设备——而这些是用不着给学生介绍的。次要的细节要撇开，主要的内容要突出，这就能达到力求简单这一原则。又如，静电的许多实验，如果采用了一个高压发生器，可用一个箱子装起来，标明它是产生高压的装置就行了，那些复杂的电路不给学生介绍，这样在演示实验时，就可以做到化繁为简。
(4) 演示讲解结合，启发学生思索
要使演示实验达到预期的效果，演示时必须与讲解相结合，要启发学生认真思索。在准备教案时，对于演示实验不应当只写一条：“演示××实验”就完了。应当有一个完整的结构，有一个较好的层次。例如，要确定好如何提出问题，如何讲明演示的目的，哪些地方要提醒学生注意，哪些地方要详解、略解或不讲，演示后提出什么问题让学生思考，如何在学生思考的基础上作出总结，等等，都应当有一个通盘的考虑，使演示实验与讲解结合紧密。
演示一定要准确熟练；讲解一定要简明扼要。对于演示实验，学生不仅要观察，更重要的是要思考。教师不宜包办代替，匆匆忙忙地抬出结论。不要使实验流于形式。重要的是要引导学生认识物理现象发生和变化的过程，重要的是要在学生观察物理过程的基础上去思考问题。最好是启发学生，让学生自己得出结论。这样才能很好地达到实验的目的。
(5) 按照操作程序，起好示范作用
教师在做演示实验时，一定要认真地按照操作的程序，不能随随便便、粗心大意，更不能违反操作规程。例如，演示天平时不先经过调整就使用，用手去拿砝码；使用电表时不先看量程，连结电路时不用电键；使用量热器时用温度计作搅拌等等都在严禁之例。教师的演示实验，应当起一个很好的示范作用，这是培养学生良好的习惯和实验的技能不可缺少的。
(6) 认真做好准备，坚决保证成功
演示实验是否做是干净利落保证成功，是上好一节物理课的关键。如果一个演示实验没有做好，失败了全班学生睁大眼睛，干巴巴地望着，或一轰而起闹个不停，这必然影响整个一节课的效果，甚至根本没有办法讲下去。同时，对教师应当有的威信也是一个损伤。多让学生直接参与演示实验，是非常必要的。
因此，认真做好准备十分重要。即使做得十分熟练的实验，也应当在课前亲自再试试。只要认真准备是可以做到成功的。如果出现偶然情况，如仪器失灵等，演示不成功，应当分析原因，沉着冷静，重新再做，直至成功。当然，这种演示不成功的现象，应当尽力减少。如果经常演示不成功，老是分析客观原因，这是不行的！
上述注意事项是做好演示实验的基本要求。下面介绍演示实验的一些基本方法。演示实验的方法是多种多样的。为了达到演示的目的，不仅应当紧紧结合教材内容，而且必须从学生实际出发，选择较恰当的演示方法，不同的演示实验应当有不同的方法：
(1) 归纳
物理学中的许多规律，都是在大量实验的基础上归纳而得到的。我们在通过演示实验得出物理规律时，应当自觉应用归纳的方法。例如，在演示阿基米德定律时，是用金属圆柱体排开水来进行实验的。教材上紧接着写道：“如果不用金属圆柱体而用石块等形状不规则的物体，不用水而用酒精或盐水等液体来做上面的实验，结果都一样。”因此，教师应当除了做好金属圆柱体的实验外，一定要再做一次不规则的石块，排开酒精（或煤油）来进行实验，从而归纳得出阿基米得定律。
再如，电学的欧姆定律，也应当是对不同长度的，不同种类的金属，多做一两次实验，再归纳出欧姆定律。得出牛顿第三定律，也应当对不同种类的力多做几次演示。这样通过实验进行归纳，不仅能加深学生的印象，更重要是培养学生逐渐熟悉一种科学的方法。
(2) 分步
有的实验不能直接通过一步演示，就能让学生明白其中的道理，需要几个引导的实验，逐步深入，进行分步演示。例如，演示感应电动机的原理，就应分成几步来演示：第一步演示移动磁铁，铝框跟着移动。并应用右手定则和左手定则来分析物理过程；第二步演示旋转磁铁，铝框跟着旋转，并指出与第一步演示的原理相同；第三步演示给电动机的定子通入三相交流电，铝框就转动。表明三相电通入定邓后，形成了一个旋转的磁场；第四步演示给定子通入三相交流电，把铝框换成转子（鼠宠），转子在定子内也同样转动。这样分步进行演示，由简到繁，逐步深入，有利于让学生真正通过演示理解物理原理。
(3) 对比
为了让学生从已知的知识出发，理解所学的知识，以加深印象，一些实验需要作对比。例如，演示滑轮和轮轴时，要与杠杆进行对比。演示螺旋时，要与斜面进行对比。有的实验必须通过对比，才能使实验结果明显。
例如，不同物质的比热不同的实验，那就必须在相同质量，相同加热条件下进行对比实验。有的实验通过对比，有利于突出区别和联系，突出相同与不同的地方。例如，超重与失重、弹性碰撞与非弹性碰撞、晶体和非晶体的溶解过程、电阻（或电容）的串联和并联等等。对比是演示的一种好方法。
(4) 剖析
有的演示实验，要求剖开拆散，就应当采用剖析的演示方法。例如，离心式水泵，大纲要求参观，同时要求演示构造和讲明原理。一般说来，演示构造最好采用剖析方法。从整体到部分或从部分到整体，使学生了解各部分的性能和相互联系，从而理解结构和原理。再如，大纲要求演示常用电容器，在演示时拆开几个电容器让学生看，这样效果更好。“解剖”、“拆开”这是一种演示方法和学习途径。
(5) 模拟
大纲中规定的一些演示，限于实验条件，有的只能用模型或挂图。这些演示可采用模拟的方法。例如，远距离输电、电解质的极化、雷达、链式反应、原子反应堆等等。设计得好的模似演示，可以胜过实物。因为模似演示可以突出需要演示的地方，可以将不能观察到的过程模似地演示出来。就是许多科学上和工程上的实验，也需要模似。例如，利用“风洞”进行模似实验，是设计制造飞机时所不可缺少的。
(6) 放大
有的演示实验可见度较小，或无法让全班都观看到，这就可以通过幻灯机、显微投影机等采用放大的方法来演示。例如，电力线、磁力线、干涉、衍射、纵波、横波、日光灯启动器中的双金属片……等等，这些实验在白昼幻灯机上演示，放得大，看得清，效果很好。有的实验如果采用上述方法有困难，例如，稀薄气体中的放电、阴极射级、X射线管的演示等等，那就应当让学生逐个或分组来观察演示实验，放大观察的视角，这不能认为是浪费时间。只要安排恰当，让每个学生都看得清清楚楚，这是必要的。
上面我们回答了怎样做好演示实验这一问题，概括起来说，就是要遵从演示实验的基本要求，同时研究演示实验的基本方法。让学生主动参与演示实验，能够有效提高学生的实验技能，加深对于知识的理解。
这一节学习科学的“钥匙”称为：理解结构，过程探索，重在实验；下一节学习外语的“钥匙”是：听说读写，边用边学，交流传播。
