大學(xué)物理演示實驗教學(xué)改革的實踐和探索

鐘曉燕 劉文軍 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院實驗中心 510515

大學(xué)物理演示實驗教學(xué)改革的實踐和探索

鐘曉燕 劉文軍 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院實驗中心 510515

物理演示實驗；教學(xué)改革；實踐探索

1、引言

物理學(xué)是一門實踐性的學(xué)科?？v觀物理學(xué)的發(fā)展歷程，每個概念的建立、每個定律的發(fā)現(xiàn)，都有其堅實的實驗基礎(chǔ)。因而，一直以來，在物理理論的教學(xué)中借助于實驗來再現(xiàn)物理過程、驗證物理規(guī)律是必不可少的教學(xué)手段。這種以輔助理論教學(xué)為最初目的的實驗被人們稱之為演示實驗。演示實驗在物理教學(xué)中占有十分重要的、不可替代的地位。

2、演示實驗的教學(xué)功能

演示實驗是教學(xué)直觀性原則的表現(xiàn)，也是理論聯(lián)系實際的教學(xué)原則的體現(xiàn)。它的功能主要包 括以下幾點：

2.1 創(chuàng)設(shè)生動情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和求知欲望

愛因斯坦說：“興趣是最好的教師。”學(xué)生只有對物理感興趣，才想學(xué)、愛學(xué)，才能學(xué)好，從而用好物理。因此，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，是提高教學(xué)質(zhì)量的一個關(guān)鍵。而演示實驗本身恰好可以作為這種媒介，教師在實驗當(dāng)中可以通過各種途徑有效地創(chuàng)設(shè)實驗情境，把日常生活中不易觀察到的物理現(xiàn)象明顯地、生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生始而驚奇，繼而深思，激發(fā)起濃厚的興趣。例如，在演示實驗當(dāng)中，學(xué)生的目光總是最先被輝光球那神秘的光彩所吸引。當(dāng)他們好奇的用手指觸摸輝光球的表面時，會發(fā)現(xiàn)輝光被手指吸了過來，而且更加明亮，當(dāng)手指沿輝光球表面來回移動時，輝光也會隨著移動。這時候他們會對這種種現(xiàn)象充滿好奇，心中產(chǎn)生各種疑問。為什么看上去無色透明的玻璃球會發(fā)出如此漂亮的光彩？為什么用手觸摸玻璃球殼，輝光會集中過來？它和生活中霓虹燈的原理是一樣的嗎？

2.2 幫助學(xué)生建立物理概念和認(rèn)識規(guī)律

實踐和實踐教學(xué)是獲取新知識的源泉，是知識與能力、理論與實踐、學(xué)與用相結(jié)合的關(guān)鍵，是訓(xùn)練學(xué)生綜合技能、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的重要手段[1-2]。因此，加強(qiáng)創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，是我國高校教育教學(xué)改革的主要內(nèi)容，也是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才培養(yǎng)提出的要求[3-4]。特別是對于綜合性學(xué)科，實踐和實踐教學(xué)創(chuàng)新和改革尤為重要。

引入新課時運用演示實驗，目的往往側(cè)重于引導(dǎo)學(xué)生對所研究的問題產(chǎn)生興趣，或者是提出問題，喚起學(xué)生的思考。在概念形成和規(guī)律的建立過程中運用演示實驗，目的往往在于提供必要的感性材料，引導(dǎo)學(xué)生思維活動的發(fā)展。學(xué)生在感知了這些具體的、生動的物理現(xiàn)象后，再進(jìn)一步學(xué)習(xí)其包含的物理規(guī)律，思維上會平滑過渡，是一種層層深入的學(xué)習(xí)過程。例如，在介紹到角動量守恒定律時，可以以直升機(jī)為例。當(dāng)控制演示用直升機(jī)旋翼轉(zhuǎn)動時，機(jī)身會向反方向轉(zhuǎn)動，從而驗證了角動量守恒定律。這時再對尾翼控制，可以阻止機(jī)身繼續(xù)打轉(zhuǎn)。也就說明通過尾槳給飛機(jī)體提供一個附加的水平力，其力矩抵消了給機(jī)身的轉(zhuǎn)動力矩，從而使機(jī)身保持不轉(zhuǎn)，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對轉(zhuǎn)動定律的認(rèn)識。

2.3 進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的觀察思維能力

觀察是科學(xué)方法中提取大量事實的基礎(chǔ)，也是我們要進(jìn)行創(chuàng)造和超越的基礎(chǔ)。實驗當(dāng)中需要學(xué)生精細(xì)、敏銳的感知，去捕獲其中的一些重要現(xiàn)象，因此需要學(xué)生有較強(qiáng)的觀察力。然而學(xué)生觀察能力的培養(yǎng)不是自發(fā)形成的，要靠教師的誘導(dǎo)啟迪。在演示實驗之前，要明確觀察目的，做好觀察準(zhǔn)備；在實驗過程中，要設(shè)法創(chuàng)造條件，突出觀察對象，排除次要因素干擾，并教給學(xué)生觀察方法，引導(dǎo)學(xué)生從整體到局部、再從局部到整體進(jìn)行觀察，培養(yǎng)學(xué)生正確的觀察思路與方法；同時采用縱、橫對比，正、反對比的方法，指導(dǎo)學(xué)生透過表面現(xiàn)象把握事物本質(zhì)。例如，在演示錐體由下向上運動這種“反?！爆F(xiàn)象的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從側(cè)面觀察，分析儀器裝置的結(jié)構(gòu)，并可利用不同錐角的錐體或改變V形斜軌上兩導(dǎo)軌間的夾角來實現(xiàn)錐體在斜軌上根據(jù)我們給定的條件自動上滾、下滾或靜止不動，從而使學(xué)生理解錐體上滾本質(zhì)的原因。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新能力

我國學(xué)生“總善于解決一個給定的問題,不善于發(fā)現(xiàn)新的問題。”這與我國教育是屬于那種“把學(xué)生從有問題教到?jīng)]問題”類型不無關(guān)系。在全社會都呼吁創(chuàng)新型人才的今天，我們應(yīng)該有意識地將它引入物理演示實驗教學(xué)，讓演示實驗教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大的作用。例如，許多教師在做完演示實驗后，往往出于時間考慮而急于講解。但這也正是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生思維能力的最佳時機(jī)，應(yīng)當(dāng)著力引導(dǎo)學(xué)生通過共同討論、分析，解釋實驗現(xiàn)象與結(jié)果，并鼓勵學(xué)生對實驗進(jìn)行充實和擴(kuò)展。在共振小娃的演示當(dāng)中，由于三個分別以不同粗細(xì)和不同半徑的彈簧為底座的物體固定在了同一個底盤上，當(dāng)調(diào)整外力頻率使得其依次達(dá)到共振的過程中，會出現(xiàn)“同時共振”的現(xiàn)象。這時可以讓學(xué)生思考這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，并提出改進(jìn)的方法。

3、演示實驗教學(xué)改革的背景和思考

目前，演示實驗在大學(xué)物理教學(xué)，尤其在非物理專業(yè)工科大學(xué)物理教學(xué)中的現(xiàn)狀并不容樂觀。從大多數(shù)院校演示實驗數(shù)量少、自制教具少、儀器多以購買為主的特點可以看出，大學(xué)物理演示實驗教學(xué)還沒有普遍地得到真正的重視。

3.1 思想上不夠重視

主觀方面，一些院校不重視物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)性學(xué)科，在發(fā)展品牌專業(yè)和重點學(xué)科的同時，忽視了基礎(chǔ)學(xué)科的建設(shè)，在物理演示儀器的購置和建設(shè)上投入不夠，成為制約物理演示實驗發(fā)展的瓶頸；其次，一些院校認(rèn)為物理實驗不如物理理論重要，物理演示實驗不如物理實驗重要，造成大學(xué)物理演示實驗被擠占甚至取消的尷尬局面。同時，演示實驗的著眼點也并沒有放在培養(yǎng)學(xué)生用實驗方法解決物理問題的能力上，而還是局限在知識的傳授和技能的訓(xùn)練范圍內(nèi)。因此，盡管人人都在提倡素質(zhì)教育，但是由于傳統(tǒng)的教學(xué)理念根深蒂固，使得教育的現(xiàn)狀還是依舊。

3.2 演示實驗設(shè)備及其他演示資料以購買為主，自制教具少

大量簡單明了的演示實驗，是要讓學(xué)生親自去感受和體驗，用最簡單的東西去展示最基本的原理和概念。因此，只有教師和學(xué)生發(fā)揮廣泛的積極性，創(chuàng)造性地利用日常生活里的用具進(jìn)行演示實驗的教學(xué)，演示實驗才有很強(qiáng)的生命力和活力；而在當(dāng)前的大學(xué)物理演示實驗教學(xué)中，只有很少一些學(xué)校進(jìn)行演示實驗教具的研制，多數(shù)學(xué)校則傾向于購買現(xiàn)成的儀器、光盤等。

3.3 動畫演示受到重視

隨著辦學(xué)條件的改善，教育技術(shù)的發(fā)展，動畫演示得到了快速的發(fā)展。與實物演示相比，動畫可以在教室里展示課堂上實驗無法演示的宏觀的、微觀的、極快的、極慢的物理過程，它突破時間、空間的束縛，進(jìn)行逼真的模擬，靈活地放大或縮小物理場景，將物理過程生動形象地展現(xiàn)于學(xué)生眼前，使學(xué)生認(rèn)識加強(qiáng)，理解透徹。而就實物演示而言，由于一般較少有專門的演示實驗室，而且課前要將演示實驗設(shè)備搬到上課的教室，并進(jìn)行調(diào)試；此外，其可靠性有時候也存在問題。兩者相比較，就有重動畫演示、輕實物演示的認(rèn)識和傾向出現(xiàn)。

3.4 只演示，不探討

傳統(tǒng)的演示實驗就是教師演示，學(xué)生只看不參與，演示實驗在物理教學(xué)中沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。然而演示實驗不僅僅是為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獲得直觀的感性認(rèn)識，更重要的是啟發(fā)學(xué)生思維，發(fā)展學(xué)生的認(rèn)識能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。在進(jìn)行演示實驗時，應(yīng)采用與學(xué)生討論分析的方法，邊演示邊討論，與學(xué)生共同探索物理規(guī)律，給學(xué)生以方法論及思維品質(zhì)培養(yǎng)。

4、演示實驗教學(xué)改革的基本內(nèi)容與實踐

4.1 以有效利用信息技術(shù)作為教育改革的著手點，優(yōu)化教學(xué)模式

信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在社會經(jīng)濟(jì)生活各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大的改變了人類的生產(chǎn)生活方式。特別是20世紀(jì)90年代中期以來互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，使得信息資源的開放共享和交流溝通的迅速便捷達(dá)到了前所未有的程度。面對科技進(jìn)步為教育帶來的新的契機(jī)，研究如何在教育教學(xué)中運用這些高新技術(shù)，如何結(jié)合傳統(tǒng)的教學(xué)手段，是極具現(xiàn)實意義的。通過信息技術(shù)與學(xué)科課程的有效整合，創(chuàng)建理想的學(xué)習(xí)環(huán)境與全新的學(xué)習(xí)方式，從而有可能改變傳統(tǒng)的教學(xué)結(jié)構(gòu)和教學(xué)模式，真正實現(xiàn)學(xué)校教學(xué)深化改革，達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的目標(biāo)。

4.2 以素質(zhì)教育為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

新世紀(jì)中國的物理教育該往哪里去？似乎方向己定：走以創(chuàng)新教育為核心的素質(zhì)教育之路。其中的一項重要目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生的基本學(xué)習(xí)技能、信息素養(yǎng)、合作與交互能力、創(chuàng)新精神和實踐能力。因此在演示實驗當(dāng)中為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，應(yīng)該以學(xué)生為主體，有意識地培養(yǎng)學(xué)生，應(yīng)用各種感官來認(rèn)知實驗過程所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。同時，實驗后教師還要啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行分析綜合，抽象概括，自行得出結(jié)論，從而使學(xué)生不僅獲得了理性認(rèn)識，還培養(yǎng)了思維能力、動手能力。

4.3 注重物理實驗和當(dāng)代教育方法和科技前沿的結(jié)合，改革實驗教學(xué)內(nèi)容

對于能力的培養(yǎng)，必須以知識為載體，因為知識是能力的基礎(chǔ)；雖然知識不等于能力，但一般來說豐富知識可以成為提高能力的有效手段，將對能力培養(yǎng)起到事半功倍的效果。因此，需要對物理演示實驗進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的分析，揭示其涉及的各項知識、技能與課程教學(xué)內(nèi)容之間的結(jié)構(gòu)與關(guān)系，同時也要處理好多個演示實驗教學(xué)內(nèi)容之間的相關(guān)性以及系列性問題。在教學(xué)大綱或課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基礎(chǔ)上，對一些演示實驗教學(xué)內(nèi)容作適當(dāng)?shù)难a充、拓展，將之與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)接軌，例如將計算機(jī)技術(shù)、光纖技術(shù)、磁共振技術(shù)、核物理技術(shù)、X射線技術(shù)、電子顯微技術(shù)、光譜技術(shù)、真空技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)及科研成果融用于學(xué)生物理實驗之中，從而達(dá)到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與熱情的目的，更好地為教學(xué)服務(wù)。

4.4 強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新培養(yǎng)，營造多元化教學(xué)環(huán)境

有效地創(chuàng)造一個高技術(shù)的教學(xué)環(huán)境進(jìn)行雙向教學(xué),可以更加協(xié)調(diào)地促進(jìn)教學(xué)環(huán)境中的“外部刺激”與作為認(rèn)識主體的學(xué)生內(nèi)部心理過程之間的相互作用,最大限度地激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)心理要求。

首先，從改進(jìn)演示實驗教學(xué)模式入手設(shè)計基于演示資源的物理網(wǎng)絡(luò)探究學(xué)習(xí)模式，即在課堂情境、實驗室演示和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下提出問題，通過網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境開展個人化或協(xié)作探究學(xué)習(xí)。

其次，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源, 通過CAI等現(xiàn)代化教學(xué)手段和資源與網(wǎng)絡(luò)實驗平臺相結(jié)合, 可以突破傳統(tǒng)演示實驗的范圍和形式,解決時間和空間的問題。從而實現(xiàn)了時間、內(nèi)容和空間的全方位、深層次開放。

最后，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃,采取實驗室科技立項的方法,鼓勵和帶動學(xué)生利用軟件如Matlab、Labview等,開發(fā)虛擬實驗儀器,進(jìn)一步提高和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5、結(jié)論

物理演示實驗作為大學(xué)生在進(jìn)校后的第一門科學(xué)實驗課程，不僅應(yīng)讓學(xué)生受到嚴(yán)格的、系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實驗的基本知識、方法和技巧，更主要的是要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析和解決實際問題的能力，特別是與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，適應(yīng)時代的發(fā)展，科技進(jìn)步的創(chuàng)新能力。

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G642.423

鐘曉燕（1977-），女，四川內(nèi)江人，碩士研究生，助教，主要從事物理實驗教學(xué)工作；

劉文軍(1967-)，男，湖南長沙人，博士研究生，副教授，實驗中心主任，主要從事物理、電子實驗教學(xué)工作。