大學(xué)物理演示實驗教學(xué)實踐探究

馮青++沈亦紅++段旭朝++史智平++許強

【摘 要】通過對比國內(nèi)外大學(xué)物理演示實驗的基本概況，介紹我院在大學(xué)物理演示實驗教學(xué)過程中的隨堂演示法、集中教學(xué)法、基礎(chǔ)探究法以及作為科普基地服務(wù)社會的實踐與探究?？梢钥闯?，演示實驗在幫助理解理論知識、培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)意識、提高創(chuàng)新能力和服務(wù)社會方面具有重要作用和意義。

【關(guān)鍵詞】演示實驗 實驗教學(xué) 創(chuàng)新 服務(wù)社會

【科研項目】本論文研究受到寶雞文理學(xué)院重點科研項目（NO.ZK2017065）與寶雞文理學(xué)院第十一批教學(xué)改革研究項目（NO.JGYB15046）的支持。

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）07-0042-02

【Abstract】In this paper， we introduce the basic information of domestic university physics demonstration experiment and compare that with foreign university. Furthermore， we focus on the presentation method， the centralize teaching-method， the inquiry method and serve the society as science base in our physics demonstration experiment teaching practice and exploration of my college. It can be seen that the demonstration experiment plays an important role and significance in helping to understand the theoretical knowledge， cultivating self-learning， improving innovation ability and serving the society.

【Key words】Demonstration experiment；Experiment teaching；Innovation；Serve the society

1、演示實驗的重要性

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科。物理實驗在培養(yǎng)與提高學(xué)生實踐動手能力、思維判斷能力、表達書寫能力、數(shù)據(jù)分析能力及設(shè)計實驗?zāi)芰Φ确矫婢哂兄匾饔?。大學(xué)物理演示實驗是物理實驗的重要組成部分。首先，演示實驗現(xiàn)象直觀明確，學(xué)生通過觀察，可以更好的理解物理現(xiàn)象與理論知識；其次，演示實驗操作簡單快捷，學(xué)生可以利用演示實驗進行自主學(xué)習(xí)與探究，豐富知識儲備，開闊眼界；第三，演示實驗儀器清楚簡潔，受到學(xué)生喜愛，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；第四，演示實驗教學(xué)形式多樣，學(xué)生可以通過多種途徑進行參與和學(xué)習(xí)，有助于提高學(xué)習(xí)能動性和效率。演示實驗在學(xué)生加深對物理原理的理解、自主學(xué)習(xí)意識的培養(yǎng)、創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)的提高等方面具有非常積極的作用。

2、國內(nèi)外大學(xué)演示實驗比較

目前演示實驗越來越受到國內(nèi)外各大高校的重視。表1給出了國內(nèi)外部分高校演示實驗的儀器數(shù)量[1-3]。從表中可以看出，國外大學(xué)儀器數(shù)量遠遠超過國內(nèi)大學(xué)。國內(nèi)建立演示實驗室的學(xué)校很多，清華大學(xué)、吉林大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)數(shù)量較多，國外高校中馬里蘭大學(xué)、加州大學(xué)伯克利學(xué)院 、北加利弗尼亞大學(xué)實驗儀器數(shù)量名列前茅，種類豐富多樣。

演示實驗涉及領(lǐng)域廣泛，實驗儀器種類多樣，實驗儀器分類與管理非常重要。國內(nèi)很多高校根據(jù)實驗原理分類管理演示實驗儀器。例如，按照“力與熱”“電與磁”、“光學(xué)”等分類方式進行管理。此種方法能夠有效管理實驗儀器，提高實驗儀器的利用率，然而儀器數(shù)量較大時不利于儀器取用，易造成混淆。國外很多大學(xué)采用“美國物理教學(xué)資源協(xié)會演示分類方案（PIRA DCS）”管理演示實驗儀器。在PIRA DCS中，演示實驗分為九大領(lǐng)域，每個領(lǐng)域中包含若干專題，每個專題中包含若干概念，每個概念有對應(yīng)的演示實驗，每個演示實驗都有唯一指定編號，并將它歸類到最常用的領(lǐng)域中[4]。此種分類管理方法擺脫了實驗儀器數(shù)量的限制，能夠有效地管理數(shù)目巨大的演示實驗儀器，方便查找與取用。

國內(nèi)外大學(xué)演示實驗教學(xué)方式方法上有很多共同之處。隨著改擴建演示實驗高校數(shù)目增加、實驗儀器數(shù)量增加、儀器設(shè)備質(zhì)量提升、儀器形式種類增多、實驗儀器管理規(guī)范化、演示實驗教學(xué)改進與提高?？梢钥闯觯紫?，對演示實驗都非常重視；其次，隨堂演示是普遍采用的教學(xué)方式。演示實驗有助于學(xué)生理解和掌握物理原理，提高對理論知識的感性認識；第三，演示實驗室對學(xué)生實行預(yù)約參觀。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)與實驗操作，提高學(xué)習(xí)興趣，擴展課外知識；第四，大部分學(xué)校設(shè)置了走廊、櫥窗演示實驗，方便學(xué)生隨時隨地瀏覽學(xué)習(xí)、靈活多樣進行觀看體驗。然而，國外大學(xué)在演示實驗教學(xué)與實驗室管理方面還有一些值得借鑒的地方。很多學(xué)校有專門的演示實驗預(yù)備室。預(yù)備室與教室相連，大大提高了演示實驗的課堂再現(xiàn)率；演示實驗室通常附設(shè)小型金、木工廠，配置車、鉗、刨、鉆床、鋸床等設(shè)施[4]，便于自制演示實驗儀器和修繕儀器。

3、演示實驗教學(xué)實踐探究

傳統(tǒng)演示實驗教學(xué)方式主要以教師講解與演示、學(xué)生觀看為主。這種教學(xué)方式有兩方面優(yōu)勢，第一，教師選擇跟授課內(nèi)容貼近或一致的演示實驗進行隨堂演示，有助于學(xué)生理解理論知識；第二，這種教學(xué)方式保護實驗儀器，降低儀器的損壞率。教師經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練和長年知識積累，能夠精準操作儀器，避免給儀器帶來過度消耗或損壞。傳統(tǒng)教學(xué)方式在帶來一定便利時，忽略了教學(xué)中最重要的參與主體---學(xué)生。結(jié)合傳統(tǒng)演示實驗教學(xué)方式，我院主要從以下幾方面開展演示實驗教學(xué)。

3.1緊扣教學(xué)主題，開展教學(xué)實踐

3.1.1隨堂演示法

《大學(xué)物理實驗》作為理工科專業(yè)學(xué)生的必修課與大學(xué)物理課程緊密配合。首先，演示實驗作為大學(xué)物理實驗課程的重要內(nèi)容，對促進大學(xué)物理課程的教學(xué)有重要的作用。許多物理概念定律晦澀難懂，在傳統(tǒng)演示教學(xué)基礎(chǔ)上，增加學(xué)生親自操作實驗環(huán)節(jié)。演示實驗現(xiàn)象清晰，通過演示闡述概念定律，有助于學(xué)生更好理解物理規(guī)律。上課過程中，教師邊講解邊演示，課后留出一部分時間讓學(xué)生親自操作。例如，講解“動量守恒定律”時，分別利用“小球與車”和“超級碰撞球”演示儀，學(xué)生通過親自推動小車和金屬球，深刻理解了動量基本性質(zhì)和動量守恒定律。

3.1.2集中教學(xué)法

結(jié)合不同專業(yè)需求，每學(xué)期每個院系開設(shè)不同內(nèi)容演示實驗課程。學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識后，進行實驗教學(xué)。在集中教學(xué)過程中，采取 “獨立操作”和“講做結(jié)合”兩種方法。

對于原理簡單，操作過程無危險的實驗，采用“獨立操作”方法教學(xué)。演示實驗課程安排在大學(xué)一、二年級，學(xué)生自我控制與自主學(xué)習(xí)意識不強，此時老師應(yīng)起到安排、部署、監(jiān)督作用。將學(xué)生分組，給每個學(xué)生指定必須掌握的實驗，要求完全理解實驗原理與操作，進行實驗講解。講解要點包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗現(xiàn)象及實驗應(yīng)用與擴展。課程結(jié)束后，同學(xué)們普遍反映“不僅掌握了物理原理，了解了課外知識，增強了動手能力，同時鍛煉口才，而且聽同學(xué)們講解實驗非常有趣”。

對于原理復(fù)雜、學(xué)生操作有安全隱患的實驗采用 “講做結(jié)合”方法教學(xué)。 “怒發(fā)沖冠”實驗包含高壓靜電的產(chǎn)生、特點、分布特性與等勢體等物理知識與概念，操作過程需要學(xué)生參與實驗涉及高壓電，注意事項與操作規(guī)范非常重要。首先，講解實驗注意事項、儀器與原理，使學(xué)生初步理解形成怒發(fā)沖冠的原因、了解參與過程的規(guī)范操作；其次，選取自愿配合參與的學(xué)生進行實驗，并再次強調(diào)實驗過程中的注意問題與要點；最后，邊演示邊講解，使學(xué)生理解實驗原理與實驗現(xiàn)象。教學(xué)過程中學(xué)生參與熱情高，課堂氛圍活躍，實驗效果良好。

3.1.3特色教學(xué)法

“特色教學(xué)”法的思想是突出演示實驗特色，惠及學(xué)生。主要分為兩方面：第一，為全校學(xué)生開設(shè)公共選修課程；第二，為物理學(xué)專業(yè)師范生免費提供教學(xué)技能練習(xí)平臺。對于非理工科學(xué)生來說，接觸物理知識的機會較少，演示實驗室為同學(xué)們提供了一個開闊眼界，增長知識的平臺。每學(xué)期開設(shè)“大學(xué)物理演示實驗”公共選修課，帶學(xué)生進入演示實驗室學(xué)習(xí)參觀。不僅提高實驗室的使用率，而且為學(xué)生提供寶貴學(xué)習(xí)機會。作為師范類院校，學(xué)生教學(xué)技能培養(yǎng)非常重要，演示實驗室積極配合物理學(xué)師范生教育培養(yǎng)。學(xué)生在教學(xué)試講過程中積極配合提供實驗儀器及指導(dǎo)。演示實驗室設(shè)有導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)，詳盡介紹所有實驗原理、現(xiàn)象、操作說明、注意事項等，同時實驗室中每套儀器有相應(yīng)的操作說明板，為學(xué)生試講練習(xí)提供了良好的設(shè)備支持，學(xué)生選擇相關(guān)章節(jié)內(nèi)容，結(jié)合實驗進行試講練習(xí)；實驗教師參與教學(xué)試講過程，與學(xué)生共同探討，提高演示實驗教學(xué)技巧，改進實驗儀器。

3.2創(chuàng)新實踐、服務(wù)社會

3.2.1基礎(chǔ)探究法

一般而言，學(xué)生知識儲備有限，獨立進行一項創(chuàng)新實踐課題難度很高。通過演示實驗課程學(xué)習(xí)，對儀器設(shè)計理念、實驗原理的理解，在此基礎(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，難度降低，創(chuàng)新有了切入點，實踐積極性也大幅提高。受“導(dǎo)光水柱”演示實驗中水泵抽水與連通器運用的啟發(fā)，圖1是我院2013級物理學(xué)1班學(xué)生自制“水流類比平行板電容器充放電演示儀”。該裝置共有三個水箱，用導(dǎo)管和開關(guān)連接，底部水箱內(nèi)有一個功率為15W的小水泵。利用水箱充放水過程模擬電容器充放電過程，用水流類比平行板電容器中的電子，水箱容積類比電容的電荷量，液面的重力勢差類比電勢差，得出電容器的電容是兩極板儲存電荷量與兩極板電勢差的比值 ，儀器將電子流動的微觀形式用水流展示出來，降低理解電容實質(zhì)的難度。該作品在全國第八屆“翰博爾杯”大學(xué)生與研究生物理教學(xué)技能展示暨自制教具與設(shè)計實驗展評賽中榮獲自制教具二等獎。

3.2.2服務(wù)地方、回饋社會

作為當?shù)匚ㄒ灰凰究圃盒＃倚Ｔ谂μ岣呓逃|(zhì)量的同時大力倡導(dǎo)全院師生服務(wù)地方、回報社會。演示實驗室積極響應(yīng)學(xué)院號召，結(jié)合自身特點，自成立以來，多次為周邊中小學(xué)生開展科普教育實踐活動。2015年11月為寶雞市寶雞中學(xué)高二學(xué)生開展物理實驗教學(xué)實踐活動，2016年4月為我院附屬中學(xué)學(xué)生開展科普活動，2016年12月為寶雞市高新第一小學(xué)學(xué)生和家長開展“從小愛科學(xué)、努力學(xué)本領(lǐng)”的主題科普活動等等。至今，百余名學(xué)生和家長進入演示實驗參觀學(xué)習(xí)?；顒又袑W(xué)生通過參觀和體驗演示實驗，加深了對物理現(xiàn)象與規(guī)律的認識和理解，領(lǐng)悟到物理實驗在認識自然、學(xué)習(xí)物理等方面的重要價值，體驗到聲、光、電、磁等高科技技術(shù)手段在顯示物理現(xiàn)象與規(guī)律的奇妙?？破栈顒邮艿搅诵ｎI(lǐng)導(dǎo)的大力肯定，學(xué)生和家長紛紛表示科普活動非常有趣，領(lǐng)略了自然世界的奇妙，開闊了視野，增長了見識。

4.總結(jié)

通過我院大學(xué)物理演示實驗教學(xué)的實踐與探究可以看出，演示實驗作為物理教學(xué)的重要組成部分，通過對實驗現(xiàn)象的觀察，使學(xué)生進一步掌握物理知識，加深對物理概念和定律的理解；能有效培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、科學(xué)實驗素質(zhì)；能開拓學(xué)生思維、提高創(chuàng)新意識；同時可以利用高校的科技特色和自身優(yōu)勢為青少年傳遞科學(xué)精神、普及科學(xué)理念，讓科技根植于心，服務(wù)回報社會。

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