大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

高祿 趙長(zhǎng)春 郝會(huì)穎 張自力

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100083)

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科．學(xué)生通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，可以更好地理解物理學(xué)知識(shí)體系中的理論知識(shí)，同時(shí)鍛煉自身的動(dòng)手操作技能，提高分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，因此大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理素養(yǎng)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)．而演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中則具有紐帶和橋梁作用[1]，它可以以直觀、生動(dòng)的方式讓學(xué)生理解物理規(guī)律，從而給學(xué)生留下深刻的印象，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣[2]；同時(shí)演示實(shí)驗(yàn)也能夠?qū)W(xué)生獨(dú)立操作完成實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)一步自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案起到引導(dǎo)啟發(fā)的作用.因此大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)具有十分重要的意義，在大學(xué)物理教學(xué)中具有重要的地位．本文以大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，針對(duì)教學(xué)過(guò)程中存在的具體問(wèn)題展開(kāi)討論，并探索與之相應(yīng)的、切合實(shí)際的改進(jìn)措施．

1 大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

目前，大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)主要有課堂演示和實(shí)驗(yàn)室演示兩種方式．課堂演示是在大學(xué)物理理論教學(xué)中穿插演示實(shí)驗(yàn)，以幫助學(xué)生更好地理解理論規(guī)律.實(shí)驗(yàn)室演示是獨(dú)立設(shè)置演示實(shí)驗(yàn)課程，在實(shí)驗(yàn)室將演示實(shí)驗(yàn)集中演示給學(xué)生．在上述兩種方式的教學(xué)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題如下．

1.1 教學(xué)模式單一

在課堂演示和實(shí)驗(yàn)室集中演示兩種教學(xué)方式中，教學(xué)模式都是單一的.即由教師演示操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察．該模式會(huì)帶來(lái)以下三個(gè)方面的問(wèn)題．

第一，探究不夠深入．由于教師單方面演示操作，實(shí)驗(yàn)的演示時(shí)間較短，學(xué)生難以對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所反映的物理本質(zhì)深入思考，導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解不夠到位；

第二，忽略實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)．由于沒(méi)有真正參與到實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，學(xué)生更多地是被生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所吸引，實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)通常很難被關(guān)注．而在大多數(shù)物理演示實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的細(xì)節(jié)恰恰是至關(guān)重要的，細(xì)節(jié)往往最能體現(xiàn)物理本質(zhì)；

第三，缺乏討論交流．演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生之間或師生之間的討論非常關(guān)鍵.通過(guò)討論可以更深入地挖掘?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象反映的物理本質(zhì)，并且更加深刻地理解其中的物理規(guī)律．而現(xiàn)有的教學(xué)模式中，并沒(méi)有對(duì)“討論”給予足夠的重視．

1.2 重視不夠

世界上發(fā)達(dá)國(guó)家的高等教育十分重視演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)[3，4]．以美國(guó)為例，在高校物理課程設(shè)置中，就把演示實(shí)驗(yàn)列在第一位．對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的投入很大，演示設(shè)施十分完善，演示內(nèi)容頗為豐富．相比之下，我國(guó)對(duì)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視不夠，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面．

第一，演示實(shí)驗(yàn)所占物理課時(shí)比例較小，這與演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中所具有的地位不符．很多物理規(guī)律，如果直接采用理論講解的方式很難讓學(xué)生理解，但是通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)直觀地展示給學(xué)生，即可達(dá)到事半功倍的效果．片面地重視理論規(guī)律的講解，只會(huì)讓學(xué)生感到枯燥乏味，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

第二，演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊．國(guó)外先進(jìn)的教學(xué)理念中，十分重視演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與科技發(fā)展的結(jié)合[5]．而物理作為一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，其演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容更應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，緊跟科學(xué)技術(shù)的發(fā)展．但目前演示內(nèi)容長(zhǎng)期保持不變，滯后于科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，很難適應(yīng)高等教育培養(yǎng)高素質(zhì)科技人才的需要．

第三，教學(xué)手段不完備．在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，目前采用的是基于物理實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)物演示．對(duì)于大多數(shù)力、熱、光、電的物理過(guò)程，實(shí)物演示具有較強(qiáng)直觀性；但是由于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)于一些涉及到極大或極小尺度的物理過(guò)程；尤其是近代物理中相對(duì)論效應(yīng)、量子物理等現(xiàn)象，實(shí)物演示就顯露出局限性．因此，需要完善現(xiàn)有的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，增強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)的“演示能力”．

1.3 考核方式有待改進(jìn)

現(xiàn)在采用的是基于教學(xué)內(nèi)容的考核方式，成績(jī)由兩部分組成，一部分是學(xué)生預(yù)習(xí)、課堂問(wèn)答和討論情況的綜合成績(jī)，占總成績(jī)的20%；另一部分是要求學(xué)生在學(xué)期內(nèi)所有演示實(shí)驗(yàn)中選擇一個(gè)實(shí)驗(yàn)展開(kāi)討論，以論文的形式提交，占總成績(jī)的80%．

經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)這種考核方式中的主要部分，即提交的論文，很難檢驗(yàn)出學(xué)生的學(xué)習(xí)效果．現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)資源豐富，學(xué)生很容易搜索到與演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容資料，學(xué)生為了“短時(shí)高效”地完成作業(yè)，時(shí)常是在網(wǎng)絡(luò)上大段地摘抄，拼湊出自己的論文．通過(guò)對(duì)提交論文的批閱和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)選擇同一演示實(shí)驗(yàn)的學(xué)生論文中出現(xiàn)雷同內(nèi)容的比例很高．這一現(xiàn)象反映出現(xiàn)有考核形式有待改進(jìn)，需要采取更有效的考核方式，既能檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，又能促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高．

2 大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)措施

2.1 改變教學(xué)模式 激活演示教學(xué)

針對(duì)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一所帶來(lái)的問(wèn)題，筆者認(rèn)為可以采取如下三點(diǎn)措施加以改進(jìn)．

首先，建立激勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)學(xué)生預(yù)習(xí)演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容．將預(yù)習(xí)成績(jī)計(jì)入到總成績(jī)，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的重視程度．在上課之前，把要演示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容布置給學(xué)生，讓學(xué)生查閱相關(guān)資料，調(diào)研與演示內(nèi)容相關(guān)的歷史事件和自然現(xiàn)象．通過(guò)預(yù)習(xí)，學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容會(huì)有一定的了解，同時(shí)也會(huì)帶著問(wèn)題來(lái)到課堂．在這種狀態(tài)下，學(xué)生“有備而來(lái)”，有針對(duì)性地關(guān)注不同的演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，教學(xué)效果大大提高．

其次，在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師要摒棄從始至終都由自己操作的教學(xué)模式．針對(duì)不同類型的演示實(shí)驗(yàn)，采用多種不同的教學(xué)方式．對(duì)易于操作完成的實(shí)驗(yàn)如激光竊聽(tīng)、車(chē)輪進(jìn)動(dòng)等，教師可將實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程分解，在向?qū)W生講解清楚具體操作方法并排除安全隱患的前提下，在實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行操作演示[5]；這樣既可以突出教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，又可以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)的理解.

最后，重視“討論”．在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，要加強(qiáng)學(xué)生之間、師生之間的互動(dòng)，每次演示實(shí)驗(yàn)都要留有一定的時(shí)間，對(duì)于存在爭(zhēng)議或者引起學(xué)生興趣的問(wèn)題展開(kāi)充分的討論．如“小鴨喝水”實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始學(xué)生們只是被實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所吸引，并沒(méi)有想清楚實(shí)驗(yàn)的原理．通過(guò)師生之間的討論，“喝水”的過(guò)程逐漸清晰；最后學(xué)生自己就可以總結(jié)“喝水”過(guò)程，并分析出其中所反映的熱力學(xué)規(guī)律．“討論”可以讓學(xué)生加深對(duì)物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題或者給出新的解釋，教師和學(xué)生都可從中受益．

2.2 提高對(duì)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的重視程度

學(xué)校和教師應(yīng)該從觀念上加強(qiáng)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的重視，同時(shí)采取有效的措施以最大限度地發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的積極促進(jìn)作用．

首先，適當(dāng)?shù)卦黾友菔緦?shí)驗(yàn)在大學(xué)物理課程中的課時(shí)比例．興趣是最好的老師，尤其對(duì)于個(gè)性鮮明的90后大學(xué)生，在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情十分重要．而演示實(shí)驗(yàn)的直觀性和生動(dòng)性會(huì)吸引學(xué)生的注意力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的關(guān)注度，從而逐漸引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入物理世界．因此，在大學(xué)物理教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)的課時(shí)比例應(yīng)適當(dāng)增加．

其次，加強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的靈活性．不同于操作性實(shí)驗(yàn)，演示實(shí)驗(yàn)的趣味性和應(yīng)用性非常重要．因此，演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容要緊跟科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷更新內(nèi)容．如液氮溫區(qū)超導(dǎo)體材料磁懸浮列車(chē)模型就是十分吸引學(xué)生的演示實(shí)驗(yàn)之一.當(dāng)超導(dǎo)體列車(chē)沿永磁鐵軌道以懸浮態(tài)無(wú)摩擦持續(xù)運(yùn)行時(shí)，學(xué)生無(wú)不被科學(xué)技術(shù)的偉大與神奇所折服．加強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新性和科學(xué)前沿性，切實(shí)可行的辦法是及時(shí)將任課教師的最新科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容．這樣可以通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究，培養(yǎng)學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)．

最后，完善現(xiàn)有的教學(xué)手段．演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段應(yīng)緊跟科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，向現(xiàn)代化教學(xué)邁進(jìn)．對(duì)于在課堂或?qū)嶒?yàn)室難以演示或者演示效果不明顯的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，應(yīng)利用多媒體教學(xué)手段，充分發(fā)揮其在演示教學(xué)中優(yōu)勢(shì)．例如，對(duì)于簡(jiǎn)單的模型實(shí)驗(yàn)，教師可以編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)畫(huà)演示，或者對(duì)于能力較強(qiáng)的學(xué)生，也可以由教師指導(dǎo)學(xué)生編寫(xiě)程序，這樣既可以鍛煉學(xué)生的編程能力，又能加深其對(duì)物理過(guò)程的理解；對(duì)于較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，可以播放相關(guān)的動(dòng)畫(huà)片或錄像片等影像資料[6]；在經(jīng)費(fèi)允許的情況下，還可以引進(jìn)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用先進(jìn)的仿真系統(tǒng)可以突破實(shí)驗(yàn)條件的局限，將宏觀或微觀的物理現(xiàn)象生動(dòng)形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，同時(shí)也能提高教學(xué)效率．教師需要在教學(xué)中靈活地運(yùn)用各種教學(xué)手段，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到最佳的教學(xué)效果．

2.3 大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)分層次考核

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的考核是檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所反映的物理本質(zhì)的理解和應(yīng)用．筆者認(rèn)為不同專業(yè)、對(duì)物理知識(shí)掌握程度有不同需求的學(xué)生，可以采用不同層次的考核方式．

第一層次，基于教學(xué)內(nèi)容的考核．這種考核方式的成績(jī)也是由兩部分構(gòu)成，預(yù)習(xí)、課堂提問(wèn)及討論部分的成績(jī)占總成績(jī)的60%，旨在鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到教學(xué)過(guò)程中來(lái)，讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)過(guò)程的重要性；另外40%的成績(jī)則由學(xué)生課后提交的論文決定，要求學(xué)生針對(duì)某一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)的演示實(shí)驗(yàn)展開(kāi)討論，并著重闡述自己對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和理解，將討論的內(nèi)容按照發(fā)表論文的格式提交．這種考核方式側(cè)重考查學(xué)生對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)的掌握和理解情況，適合對(duì)物理知識(shí)掌握程度要求較低的學(xué)生．

第二層次，創(chuàng)新研究型考核．將學(xué)生分成小組，每個(gè)小組有2至3人，在一個(gè)學(xué)期內(nèi)完成一個(gè)與演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)的改進(jìn)或設(shè)計(jì)作業(yè)，如對(duì)某一演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，或者對(duì)某一物理規(guī)律自行設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)方案等.在改進(jìn)或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以調(diào)研相關(guān)的文獻(xiàn)資料，或者與教師進(jìn)行討論．這種考核方式可以給學(xué)生提供獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作的機(jī)會(huì)，同時(shí)也能提高學(xué)生的科學(xué)研究能力．這種創(chuàng)新研究型考核方式適合于對(duì)物理知識(shí)掌握程度要求較高的學(xué)生．

3 總結(jié)

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義．演示實(shí)驗(yàn)在提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)，也可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)新能力，為今后專業(yè)深造和從事各項(xiàng)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．為此，教師需要在教學(xué)實(shí)踐中不斷地總結(jié)分析，探索適合時(shí)代發(fā)展需要的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法和改革思路．

1 盧榮德，程福臻，孫臘珍，葉邦角，周幸祥，陶小平，黃環(huán)．大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)動(dòng)感創(chuàng)新教學(xué)平臺(tái)的探索與實(shí)踐，物理通報(bào)，2011(1)：42～45

2 陳惠敏，石雁祥，張承據(jù)．大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探討．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)， 2007，20(4)

3 段家眂,曹惠賢,王煜,潘元?jiǎng)?高立模,陳子瑜,張愛(ài)軍,苗潤(rùn)才,周殿清,胡險(xiǎn)峰，吳建華．美國(guó)高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理情況考察報(bào)告．大學(xué)物理，2004，23(3)

4 陳惠敏,石雁祥,張承據(jù).大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探討．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007，20(4)

5 趙在忠，楊莉敏，沈元華．復(fù)旦大學(xué)的物理演示實(shí)驗(yàn)在創(chuàng)新中前進(jìn)．物理實(shí)驗(yàn)，2000，21(3)

6 吳方平，解希順，朱焯煒．實(shí)物、動(dòng)畫(huà)與錄像的協(xié)調(diào)．物理通報(bào)，2006(5)：44～45