關(guān)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目豐富大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)資源的實(shí)踐研究*

【摘" 要】 文章針對(duì)中央臺(tái)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目《加油！向未來》中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻，提出了將其遴選與編輯為大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)資源的設(shè)想。通過選取典型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻，討論將物理問題嵌入其中的方法，極大地豐富了大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源。課前預(yù)習(xí)與課堂應(yīng)用的實(shí)際效果表明，這些經(jīng)過精心遴選的科學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻能夠有效激發(fā)學(xué)生的探究興趣，促使學(xué)生更快地融入討論情境，進(jìn)而提升了學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解釋日常物理現(xiàn)象的能力。

【關(guān)鍵詞】 《加油！向未來》；科學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻；演示實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)資源

一、研究背景

在大眾化教育的浪潮中，越來越多的物理教育工作者深刻認(rèn)識(shí)到，利用現(xiàn)代教育技術(shù)來提升學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性至關(guān)重要，并為此開展了一系列深入研究。物理教學(xué)與實(shí)驗(yàn)緊密相連，因此，運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)來優(yōu)化大學(xué)物理的演示與分組實(shí)驗(yàn)非常重要。然而，部分演示與分組實(shí)驗(yàn)因費(fèi)用高昂、危險(xiǎn)性大及可視性不佳，難以在普通大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中順利開展，這凸顯了制作高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)視頻資源的必要性。

近年來，中央臺(tái)憑借其資金、團(tuán)隊(duì)和制作技術(shù)的優(yōu)勢(shì)打造實(shí)驗(yàn)視頻，成功降低了實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)，提升了實(shí)驗(yàn)的可視性，并推出了備受矚目的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目《加油！向未來》。該節(jié)目以綜藝為形式，以科學(xué)為內(nèi)核，其中不乏與大學(xué)物理緊密相關(guān)的節(jié)目或片段，如“中國穿甲彈（動(dòng)能定理應(yīng)用）”“隨“蛟龍?zhí)枴毕聺摰难栏啵ㄕ故疽后w的不可壓縮性）”以及“殲-10與張培萌賽跑（探討變加速運(yùn)動(dòng)）”等。在著名主持人的精彩引領(lǐng)下，《加油！向未來》自播出以來，不僅取得了顯著的社會(huì)效應(yīng)，還向大眾普及了科學(xué)知識(shí)，激發(fā)了人們對(duì)科學(xué)的濃厚興趣。

展望未來，隨著人工智能等新科技的不斷進(jìn)步，《加油！向未來》等科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目將繼續(xù)發(fā)揮其引領(lǐng)作用，為我國科學(xué)普及事業(yè)貢獻(xiàn)更多力量。同時(shí)，這些節(jié)目的推出也圓了大學(xué)物理教師因條件限制無法親自完成某些實(shí)驗(yàn)的夢(mèng)想。如果深入分析該節(jié)目中的資源，精心篩選出與大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)，并將其應(yīng)用于課堂和分組實(shí)驗(yàn)中，無疑將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種做法不僅能使大學(xué)物理課堂與科技、生活緊密相連，使課堂教學(xué)形式更加豐富多彩，還能給學(xué)生留下更為深刻的印象，幫助他們更好地理解相關(guān)物理知識(shí)點(diǎn)。在中學(xué)教育領(lǐng)域，已有一些教師嘗試借助《加油！向未來》中的資源來改進(jìn)物理教學(xué)，并取得了顯著成效。然而，目前大學(xué)物理教學(xué)領(lǐng)域中，甚少有教師采用類似方式來優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)。

因此，本研究以現(xiàn)代教育教學(xué)理論為指導(dǎo)，針對(duì)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的中學(xué)物理基礎(chǔ)和心理特點(diǎn)，深入研究中央臺(tái)大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目《加油！向未來》等影視資源中與大學(xué)物理密切相關(guān)的節(jié)目或片段，旨在科學(xué)地將這些資源應(yīng)用于大學(xué)物理的課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)和課后探究中，并在相關(guān)視頻中嵌入基于這些大型實(shí)驗(yàn)的大學(xué)物理習(xí)題和思考題。通過這種方式，學(xué)生將帶著問題去“研究”相關(guān)電視節(jié)目或片段，而非僅僅作為旁觀者。此舉不僅豐富了大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)資源，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)和探究大學(xué)物理的興趣，培養(yǎng)了他們自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣，實(shí)現(xiàn)了課內(nèi)課外、線上和線下學(xué)習(xí)的相互促進(jìn)。

二、獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的物理基礎(chǔ)與心理特點(diǎn)分析

獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理入學(xué)平均成績，相較于大多數(shù)公辦本科院校的學(xué)生，確實(shí)存在一定的差距。這種差距導(dǎo)致部分學(xué)生因未能進(jìn)入自己心儀的大學(xué)而產(chǎn)生自卑心理，進(jìn)而在大學(xué)學(xué)習(xí)過程中缺乏自信。此外，獨(dú)立學(xué)院的部分學(xué)生在中學(xué)階段對(duì)物理和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)往往缺乏足夠的興趣，他們對(duì)待物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)態(tài)度較為敷衍，淺嘗輒止，缺乏主動(dòng)探索物理現(xiàn)象和規(guī)律的好奇心和內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力。

因此，當(dāng)這些學(xué)生面對(duì)數(shù)學(xué)和邏輯思維能力要求更高的大學(xué)物理學(xué)習(xí)時(shí)，他們很容易感到困難和挫敗，這無疑會(huì)進(jìn)一步削弱他們學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣和動(dòng)力。針對(duì)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的物理基礎(chǔ)和心理特點(diǎn)，大學(xué)物理的教學(xué)資源建設(shè)應(yīng)當(dāng)積極尋求創(chuàng)新。具體而言，可以借助科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目來豐富演示實(shí)驗(yàn)資源。這些節(jié)目中的優(yōu)秀主持藝術(shù)和競(jìng)爭(zhēng)性的互動(dòng)體驗(yàn)設(shè)計(jì)，能夠極大地提高大學(xué)物理教學(xué)的趣味性、互動(dòng)性和競(jìng)爭(zhēng)性。通過給予學(xué)生更強(qiáng)烈的視覺和聽覺刺激，可以有效地激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，從而提高大學(xué)物理的教學(xué)質(zhì)量。

三、實(shí)驗(yàn)視頻遴選、編輯及問題嵌入的原則與方法

（一）視頻遴選與編輯的原則

深入分析《加油！向未來》吸引年輕人的因素，不難發(fā)現(xiàn)，除了主持藝術(shù)外，節(jié)目中那些出人意料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也是一大亮點(diǎn)。例如，黃瓜排斥磁鐵的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果超出了常人的思維范疇，且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精巧，可視性強(qiáng)。同時(shí)，一些震撼的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)面，如“短跑運(yùn)動(dòng)員與殲-10”的賽跑，也能有效激發(fā)學(xué)生的參與意識(shí)。基于這些特點(diǎn)，教師在篩選視頻時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇與大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容聯(lián)系密切、趣味性強(qiáng)、在實(shí)驗(yàn)室難以完成且蘊(yùn)含豐富物理知識(shí)的節(jié)目或片段。

以“甜咸大戰(zhàn)”為例，該節(jié)目不僅包含了尖端放電、靜電屏蔽、物質(zhì)的導(dǎo)電性、高壓的獲得等物理知識(shí)，而且知識(shí)密集度高、場(chǎng)面震撼、危險(xiǎn)性大，普通實(shí)驗(yàn)室難以實(shí)現(xiàn)，因此成為首選。再如“中國穿甲彈”，不僅蘊(yùn)含著動(dòng)能定理等知識(shí)，還通過高速攝影與慢放技術(shù)，清晰展示了“穿甲”過程，可視性強(qiáng)。另外，“90秒大戰(zhàn)釹鐵硼”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣出人意料，且涉及退磁測(cè)量問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，這類視頻也應(yīng)被選入。

（二）物理問題嵌入的方法

盡管《加油！向未來》等節(jié)目中已有專家的解釋，但由于受眾廣泛，難以完全貼合大學(xué)和中學(xué)物理教學(xué)場(chǎng)景。因此，教師可以結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容和節(jié)目情景，編制相關(guān)問題和試題，并借助學(xué)習(xí)通等平臺(tái)制作視頻實(shí)驗(yàn)資源包。這樣，學(xué)生在觀看視頻時(shí)，就能帶著問題去思考，而非僅僅看熱鬧。

目前，在剪切的視頻中主要嵌入了兩類問題和習(xí)題。第一類是定性思考題，要求學(xué)生說明實(shí)驗(yàn)所蘊(yùn)含的物理知識(shí)及其原理。以“90秒大戰(zhàn)釹鐵硼”為例，要求學(xué)生說明鐵磁質(zhì)的磁化機(jī)制以及存在居里溫度的原因。第二類是定量計(jì)算題，要求學(xué)生從網(wǎng)上自主搜索相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。例如，在觀看“殲-10與張培萌賽跑”后，學(xué)生需搜索“殲-10”和張培萌的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分段分析；而觀看“中國穿甲彈”后，學(xué)生則可以根據(jù)中國穿甲彈的發(fā)射數(shù)據(jù)，計(jì)算穿甲彈能穿過的鋼板塊數(shù)。以此，教師可以在制作的短視頻中巧妙地嵌入相應(yīng)的問題和習(xí)題。

四、典型實(shí)驗(yàn)視頻的遴選、編輯與問題嵌入案例

（一）中國穿甲彈視頻案例

該視頻在室外實(shí)景場(chǎng)地精心拍攝，借助高速攝影技術(shù)，通過慢放鏡頭生動(dòng)展現(xiàn)了中國穿甲彈穿透10層鋼板的震撼瞬間，充分彰顯了動(dòng)能武器的強(qiáng)大威力。在被學(xué)生深深震撼之后，應(yīng)適時(shí)嵌入兩道習(xí)題以加深理解：

問題1：如穿甲彈速度為v0時(shí)剛好穿過10塊鋼板，求剛穿過第一塊鋼板時(shí)的速度v1？解答此題需要學(xué)生對(duì)穿透過程進(jìn)行合理簡化，假設(shè)鋼板的阻力與穿甲彈的速度無關(guān)。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)動(dòng)能減少量等于克服鋼板阻力所做的功進(jìn)行計(jì)算（設(shè)一塊鋼板厚度為d），可以求出穿過第一塊鋼板時(shí)的速度v1。

問題2：如果阻力隨速度線性減小，那么穿過第一塊鋼板時(shí)的速度會(huì)變大還是變?。繉?duì)這個(gè)問題的分析可以進(jìn)一步提升學(xué)生運(yùn)用積分方法解決物理問題的能力。

（二）落塔實(shí)驗(yàn)視頻案例

落塔實(shí)驗(yàn)視頻展示了羽毛與鐵球在真空環(huán)境下的下落情況：在一個(gè)高高的亞克力管內(nèi)抽成真空，里面用電磁鐵夾著鐵球和羽毛，研究兩者在被釋放時(shí)哪個(gè)下落得更快。雖然中學(xué)生們都聽說過比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，也似乎理解了伽利略的解釋，但要真正做好這個(gè)實(shí)驗(yàn)并不容易，因?yàn)橐话銓?shí)驗(yàn)室并沒有這樣的實(shí)驗(yàn)裝置。通過觀看《加油！向未來》中的“落塔實(shí)驗(yàn)”視頻，可以從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度嵌入以下問題，幫助學(xué)生深入理解這一實(shí)驗(yàn)的精妙之處：

問題1：為什么選擇亞克力而不是玻璃來制作落塔？亞克力管透明度高，便于從外部觀察內(nèi)部物體的運(yùn)動(dòng)情況。同時(shí)，為了準(zhǔn)確區(qū)分物體可能的先后落地現(xiàn)象，亞克力管必須具備足夠的高度和強(qiáng)度。否則，落塔可能會(huì)因大氣壓力而損壞，且難以仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而亞克力的強(qiáng)度比玻璃大10倍左右，完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

問題2：在釋放物體時(shí)，如果一個(gè)物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，它們還會(huì)同時(shí)落地嗎？在實(shí)驗(yàn)中，物體的釋放方法至關(guān)重要。由于兩個(gè)物體都不是嚴(yán)格意義上的“質(zhì)點(diǎn)”，釋放時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致物體下落過程中伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)。這就需要學(xué)生思考轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)下落速度的影響。因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能，從而減少下落的平動(dòng)動(dòng)能和下落速度，可能導(dǎo)致物體先后落地。這說明即使是簡單的演示實(shí)驗(yàn)，也需要精心設(shè)計(jì)才能確保實(shí)驗(yàn)成功。

五、實(shí)驗(yàn)視頻資源對(duì)學(xué)生能力提升的作用分析

借助科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目，可以極大地豐富演示實(shí)驗(yàn)資源。在課堂中播放這些經(jīng)過精心剪輯，并嵌入了相關(guān)問題的短視頻，不僅能夠提升學(xué)生的邏輯思維能力，還能讓他們有身臨其境的感覺。以伽利略的“落塔實(shí)驗(yàn)”為例，雖然所有學(xué)生都知道他用邏輯推翻了“重物落得更快”的物理教條，也聽說過傳說中的“斜塔實(shí)驗(yàn)”，但真正見過“落塔實(shí)驗(yàn)”的學(xué)生卻寥寥無幾，有些學(xué)生期待能在教室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而通過觀看剪輯并加入問題的視頻，學(xué)生們不僅能目睹真正的“自由落體”運(yùn)動(dòng)，感受鐵球和羽毛同時(shí)落地的震撼，還能深刻體會(huì)到設(shè)計(jì)這一實(shí)驗(yàn)的不易。

此外，一些經(jīng)過編輯的視頻還能提升學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。以“甜咸大戰(zhàn)”為例，該視頻涉及特斯拉線圈、靜電屏蔽、尖端放電和材料導(dǎo)電性等多方面的知識(shí)，綜合性極強(qiáng)。要理解這些內(nèi)容，學(xué)生需要知道特斯拉線圈如何產(chǎn)生高壓、如何實(shí)現(xiàn)靜電屏蔽、尖端放電的原理、金屬導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)以及電器為何需要接地等知識(shí)。通過觀看和分析這樣的視頻，學(xué)生的綜合性問題解決能力將得到提升，課程教學(xué)的研究性也會(huì)得到加強(qiáng)。

將《加油！向未來》等科學(xué)實(shí)驗(yàn)節(jié)目的影視資源片段融入物理教學(xué)，是一種基于項(xiàng)目和案例的教學(xué)方法。這種方法可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在課前，學(xué)生可以通過課程網(wǎng)站等平臺(tái)觀賞和分析相關(guān)節(jié)目或片段。節(jié)目的競(jìng)爭(zhēng)性和趣味性會(huì)激發(fā)學(xué)生的探究愿望。他們會(huì)查閱教材中的相關(guān)內(nèi)容，初步了解大型實(shí)驗(yàn)背后的物理原理，并通過課程網(wǎng)站和授課群的討論區(qū)提出自己的疑惑和問題，從而達(dá)到課前高質(zhì)量預(yù)習(xí)的目的。任課教師則可以針對(duì)學(xué)生提出的疑惑和問題，精選節(jié)目中的片段，與學(xué)生一起深入剖析大型實(shí)驗(yàn)中包含的與教學(xué)內(nèi)容高度契合的物理理論和規(guī)律。由于部分學(xué)生可能已經(jīng)進(jìn)行了高質(zhì)量的預(yù)習(xí)，甚至通過網(wǎng)絡(luò)和教材對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了深度研究，因此在課堂上，可能會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾位幾乎可以與任課教師匹敵的實(shí)驗(yàn)研究“專家”，這無疑會(huì)提高課堂討論的研究性。

以視頻“90秒大戰(zhàn)釹鐵硼磁鐵”為例，要看懂這段視頻，學(xué)生需要了解退磁的原理。這就要求他們?cè)谡n前了解強(qiáng)磁性材料、磁化機(jī)制和退磁方法，并研究釹鐵硼的分子結(jié)構(gòu)對(duì)磁性的影響。只有這樣，他們才能理解哪種方法可以實(shí)現(xiàn)退磁的目的，從而提升研究能力。

六、結(jié)語

依據(jù)既定的遴選與編輯原則，教研組對(duì)精選視頻進(jìn)行了細(xì)致的剪輯與編輯，并融入了相關(guān)的物理問題及習(xí)題。此舉旨在增強(qiáng)學(xué)生的邏輯思維能力，提升他們解決復(fù)雜及綜合問題的能力，同時(shí)豐富課堂教學(xué)的研究性。這些優(yōu)化后的視頻已在南通大學(xué)杏林學(xué)院的物理教學(xué)中，進(jìn)行了初步嘗試，效果顯著。然而，目前僅制作并剪輯了少量視頻，未來仍有大量視頻資源有待挖掘與運(yùn)用。同時(shí)，針對(duì)已嵌入問題的視頻，教研組仍需不斷精進(jìn)，以追求更佳的教學(xué)效果。

為便于教師與學(xué)生使用，計(jì)劃借助學(xué)習(xí)通、課堂派等現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)，制作更為實(shí)用的課件。在具體實(shí)施上，可以在課前精心挑選并剪輯相關(guān)內(nèi)容，隨后通過微信群或課程網(wǎng)站提前發(fā)送給學(xué)生，供其自主預(yù)習(xí)。這樣，在課堂討論時(shí)，學(xué)生能更深入地探究問題，從而進(jìn)一步提升課堂教學(xué)的研究性，最終實(shí)現(xiàn)高效課堂的愿景。

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