大學物理演示實驗室開放教學初探

蔣雅琴

(國防科技大學理學院,湖南長沙 410073)

大學物理演示實驗室開放教學初探

蔣雅琴

(國防科技大學理學院,湖南長沙 410073)

開放式演示實驗可以改變傳統(tǒng)教學模式的弊端,充分發(fā)揮學生在教學中的主體和自主地位.從深化教學改革角度來看,應(yīng)針對不同類型的學生開放不同的實驗內(nèi)容,密切聯(lián)系工程生產(chǎn)生活實際,充分利用多媒體教學,培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力.從利用教學條件的角度來看,要建立多項制度,細化演示實驗室開放,努力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.

演示實驗;物理教學;開放教學

1 對物理演示實驗的認識

1.1 演示實驗的重要性

物理演示實驗是通過對具體物理現(xiàn)象的展示以及將抽象的理論形象化,幫助學生觀察物理現(xiàn)象,增加感性認識,提高學習興趣和物理思維能力的重要教學手段.楊振寧先生說:“現(xiàn)象是物理學的根源.[1]”實踐表明通過觀察現(xiàn)象來學習物理學是一條有效的途徑,演示實驗在大學物理教學中是不可或缺的,通過物理演示實驗,可以把瞬時的或不易分辨或難以理解的物理現(xiàn)象以及定律轉(zhuǎn)化成直觀的、清晰的、持久的物理圖像或數(shù)字電信號,幫助學生加深對抽象的物理定理、定律、法則等的理解和掌握,鞏固記憶.

1.2 新形勢下對演示實驗提出的新要求[2]

新形勢對物理演示實驗教學提出如下新要求:

(1)教學基本要求.教育部最新頒布的“非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求”中明確指出:大學物理教學中,物理演示實驗的數(shù)量不少于 40個,并且要逐年增加.

(2)科學技術(shù)的發(fā)展.通過物理演示實驗,讓學生直觀感受到物理學在科技發(fā)展中的作用,物理學理論和實驗的發(fā)展是自然科學和工程技術(shù)的基礎(chǔ).

(3)培養(yǎng)高素質(zhì)人才需求.要求演示實驗內(nèi)容拓寬并與科學技術(shù)接軌,使科學技術(shù)的進步成果滲透到傳統(tǒng)的經(jīng)典物理課程中來,激發(fā)學生學習物理的興趣,培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,適應(yīng)新世紀發(fā)展需求.

2 演示實驗室開放的必要性

傳統(tǒng)的大學物理演示實驗教學多數(shù)限于在大學物理課堂演示,一般由實驗教師或?qū)嶒灱夹g(shù)人員操作,學生只是看,使一些簡單的演示實驗如同蜻蜓點水,一些重要的演示實驗也如同走馬觀花,學生只能被動地接受,效果不理想,更不利于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力.而且有些大型的演示實驗裝置過于龐大,不方便搬到課堂.開放式演示實驗可以改變傳統(tǒng)教學模式的弊端,為學生提供靈活機動的自主學習、個性發(fā)展的時間和空間,充分發(fā)揮學生在教學中的主體和自主地位,營造良好的主動學習氛圍,進一步增強演示實驗的教學效果.

有些教學內(nèi)容只靠老師在課堂上講解,并不一定能使學生真正理解.比如對于轉(zhuǎn)動慣量的概念,許多老師在授課時都感覺比較困難,雖然可以與物體的質(zhì)量相類比,但是學生接受起來依然很困難.質(zhì)量是可以稱量的、比較直觀的物理量,而轉(zhuǎn)動慣量的實驗測定較復(fù)雜,一般學生很難形成深刻印象.但是在演示實驗室里,學生坐在茹可夫斯基轉(zhuǎn)椅上,在手握和不握啞鈴兩種狀態(tài)下,只要通過伸開雙臂和收攏雙臂,便可直觀感受角速度的變化,不僅使學生觀察到了物體角動量守恒現(xiàn)象,而且加深了對轉(zhuǎn)動慣量概念的理解,從而達到理論課難以達到的教學效果.

3 探索物理演示實驗室的開放形式

3.1 針對不同類型的學生開放不同的實驗內(nèi)容

學校既有工科和理科專業(yè)的學生,還有文科專業(yè)的學生,物理演示實驗既要照顧到點,也要照顧到面,既要密切配合大學物理課的教學,同時又能活躍學校的教學氣氛.

3.1.1 利用網(wǎng)上選課系統(tǒng)對工科、理科學生實現(xiàn)開放

學生可先在“網(wǎng)上選課系統(tǒng)”中進行選課,在規(guī)定的開放時間內(nèi)自主地安排上課時間.在網(wǎng)上選課系統(tǒng)中公布演示實驗室的開放時間,并將有關(guān)演示實驗的導學系統(tǒng)上載,系統(tǒng)中有教師做示范性實驗的視頻,這樣可以增加學生的積極性.來到實驗室之后,教師先進行示范性實驗,學生再根據(jù)展示板上簡短的說明,注意事項、操作要點等自己動手完成演示過程,最大限度地發(fā)揮學生的主觀能動性,并要求他們針對部分半定量實驗作出實驗報告.比如,GZ-1共振演示儀實驗,它是屬于半定量的,該儀器利用長、短不同的彈性鋼片在周期性外力作用下做強迫振動,當彈性鋼片的固有頻率與強迫外力的頻率相同時,產(chǎn)生共振現(xiàn)象,調(diào)節(jié)頻率,將在彈性鋼片中形成駐波.觀察現(xiàn)象的同時,學生還可以分別記錄不同鋼片共振時的頻率,分析其規(guī)律,寫出相應(yīng)的實驗報告.

3.1.2 面向文科學生開設(shè)物理演示實驗選修課

文科學生需要一定的自然科學知識,而他們的數(shù)學基礎(chǔ)決定了他們在學習自然科學知識時比較困難.因此面向文科學生主要是根據(jù)學生的興趣愛好開設(shè)物理演示實驗選修課,目的是讓學生開闊眼界,增加科學知識,提高科學素養(yǎng),以拓寬學生的知識面.在演示實驗過程中留兩三個有趣的物理現(xiàn)象讓學生自行查找相關(guān)資料,作出解釋或假設(shè),留給學生足夠的思考空間,經(jīng)過學生科學研究,撰寫出實驗小論文,達到由被動接受灌輸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習的目的.例如,在超導磁懸浮的動態(tài)演示實驗中,該裝置是一個盛放高臨界溫度超導體的簡易列車模型,將超導體移近永磁鐵軌道表面時,超導體沿軌道以懸浮狀態(tài)無摩擦地連續(xù)運轉(zhuǎn).學生觀察與親自演示結(jié)束后對超導體有了初步的認識,要求他們查找目前磁懸浮系統(tǒng)的分類、原理及其特性,再進一步分析我國自制的磁懸浮列車的現(xiàn)狀、特點及在世界所處的水平等.

3.2 營造新奇濃厚的物理氛圍

趣味物理曾經(jīng)是物理演示的一個內(nèi)容,現(xiàn)在將其拓展、加強,建設(shè)趣味物理走廊,其目的是創(chuàng)造一種物理氛圍,啟迪學生思維,激發(fā)學習興趣,培養(yǎng)創(chuàng)造能力.這些趣味物理模型應(yīng)具有新、奇、疑的特點,即用學生生活中最熟悉的材料來組建在其經(jīng)驗中少有的結(jié)構(gòu)或場所;教具所呈現(xiàn)出的現(xiàn)象是學生們意想之外的;其現(xiàn)象只有用特定的物理知識才能解釋[6].

實驗室開放可以達到課堂不能達到的效果:比如,演示小孔成像,向上或向下移動小孔的位置,像的大小發(fā)生變化嗎?還有波的演示、光電效應(yīng)的演示,等等[4].因此,從第一堂課開始就讓學生觀摩一些實驗室,做一些演示實驗,認識實驗的基本儀器等.通過這個過程,再加以引導,學生就有了感性的認識,這樣學生的興趣就可被激發(fā)起來了.

3.3 密切聯(lián)系工程生產(chǎn)生活實際

作為工科院校,使學生受到理論聯(lián)系實際的教育,樹立工程意識,從而提高學生的綜合素質(zhì)應(yīng)是我們著力探討的問題.讓物理演示實驗緊跟當代科技發(fā)展步伐,密切聯(lián)系工程生產(chǎn)生活實際,其目的是讓學生了解物理學原理在科技發(fā)展中的作用,了解其在工程技術(shù)中的應(yīng)用.多數(shù)演示實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、原理直觀,但卻是很多高新技術(shù)和工程應(yīng)用的縮影.例如,能夠演示現(xiàn)代光信息通信技術(shù)的光纖通信演示裝置;能夠演示磁懸浮列車原理的超導磁懸浮裝置;能夠演示電磁爐工作原理的渦流熱效應(yīng)等.

能否真正達到目的,關(guān)鍵在于教師適當?shù)囊龑7].由于一件完整的演示裝置,通常結(jié)合了物理、機械、電子等多方面的知識.因此,適當介紹所涉及的知識,將使學生直觀感受到物理學在科技發(fā)展中的作用,認識到科學技術(shù)的發(fā)展特點是各學科間的相互滲透、交叉和綜合.在實際教學中,我們可以實施“典型工程實例教學”模式[3],其教學方式為:①基本內(nèi)容學習時,作為典型工程應(yīng)用實例,由教師講授;②指定專題由學生自學.這種方式,首先豐富了課堂教學,使我們的課堂教學內(nèi)容豐富,信息量大.并由于與工程實際聯(lián)系緊密,使學生充分認識到有關(guān)物理理論的重要性,增強了學生對物理的興趣與學習的積極性.

3.4 充分利用多媒體教學,向現(xiàn)代化教學邁進

在演示實驗室外,擺放幾臺導學系統(tǒng),學生通過觸摸屏點擊,可以觀看實驗操作的全過程視頻;還可以觀看課堂實驗無法演示的宏觀的、微觀的、極快的、極慢的物理過程,從而突破時間以及空間的束縛,進行逼真的模擬,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)于學生眼前,使學生加強認識,理解透徹.學生進入演示實驗室后,可以根據(jù)導學系統(tǒng)視頻中所示進行操作,同時每套儀器都配有包括原理和操作過程的說明牌,鼓勵同學自己動手操作.

另外,合理利用多媒體課件可以加強效果.演示實驗的直觀性不容否認,但并非每個演示裝置所演示的現(xiàn)象都很直觀.例如巴克豪森效應(yīng)的演示,單純從儀器的外觀和演示的現(xiàn)象不容易使學生產(chǎn)生共鳴.這時,考慮到多媒體投影的優(yōu)越性,在學生預(yù)習板塊中展示和講解了儀器的結(jié)構(gòu)圖和原理,而在隨后的課堂上利用實物進行對照演示,效果就會十分理想.

4 實施科學管理

為充分發(fā)揮演示實驗在工科物理教學中的重要作用,落實新形勢對演示實驗教學提出的新要求,加強督促和管理十分必要.

4.1 建立多項制度,細化演示實驗室開放

在“非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求”中指出,提倡建立開放性的物理演示實驗室,鼓勵和引導學生自己動手觀察實驗、思考和分析問題,進行定性或半定量驗證.為此,我們要建立多項制度,細化實驗室開放.

入學參觀,即新生以班級為單位到演示實驗室參觀學習.目的是利用物理現(xiàn)象的豐富多彩引發(fā)學生的好奇心,提高他們對物理學規(guī)律和現(xiàn)象的認識;年度開放,即學生學習大學物理課程的學年里,到實驗室參觀學習.一些儀器設(shè)備如氣體火焰駐波演示裝置,不宜搬到課堂教學當中,年度開放制度可大大提高這些設(shè)備的利用率;日常開放,即允許全校各年級學生以小組為單位,不分年級和專業(yè),按需進行參觀學習;集中開放,即針對在學習大學物理課程時,向參加“小制作”等活動的學生開放,為他們提供實踐場地、物質(zhì)保障以及技術(shù)支持.

4.2 努力實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展

要保證演示實驗利用的效果,發(fā)揮其多元功能,擁有一個基地化的演示實驗室是十分必要的,而且要實現(xiàn)這個基地的可持續(xù)發(fā)展[4],必須做到以下兩點:(1)鼓勵自制儀器,樹立節(jié)約意識,實現(xiàn)物理演示實驗基地硬件可持續(xù)發(fā)展,其實現(xiàn)途徑包括鼓勵自主設(shè)計創(chuàng)新、開展橫向合作等;(2)以培養(yǎng)學生實踐能力為核心,實現(xiàn)基地內(nèi)涵可持續(xù)發(fā)展,其實現(xiàn)途徑包括精細運行機制、深入挖掘培養(yǎng)學生能力與素質(zhì)的題材等.

5 結(jié)語

通過演示實驗室的開放教學,可以加強大學物理理論課的實踐教學功能,也為大學生課外科技活動提供了一個良好的平臺,從而促進了素質(zhì)教育.演示實驗室的開放教學針對不同類型的學生開放不同的實驗內(nèi)容,密切聯(lián)系工程生產(chǎn)生活實際,充分利用多媒體教學,培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力.同時進行科學的管理措施,保障演示實驗室高效的利用.

[1] 楊振寧.楊振寧文集 [M].上海:華東師范大學出版社,1998.507～508

[2] 教育部高等學校非物理類專業(yè)物理基礎(chǔ)課程教學指導分委員會.非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求[J].物理與工程,2006,16(5):1～8

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[4] 李海寶,劉炳勝等.新形勢下大學物理演示實驗的利用[J].實驗室研究與探索,2009,28(4):109～111

[5] 李海寶,任敦亮,李曉萍等.構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的物理演示實驗基地[J].實驗室研究與探索,2007,26(10):124～126

[6] 王玉風,成正維.開拓創(chuàng)新建設(shè)一流的物理演示與探索實驗室[J].中國大學教學,2005,(10):7～9

[7] 周菊林,李蓓,周華林.加強大學物理演示實驗培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才[J].湖南工業(yè)大學學報,2009,(3):103～105

PRELIMINARY OF OPENING TEACHING OF PHYSICAL DEMONSTRATING LABORATORY

Jiang Yaqin
(College of Science,National University of Defense and Technology,Changsha,Hunan 410073)

Opening demonstration experiment can alter disadvantage of traditional teaching mode,and give full scope to students’initiative sufficiently in teaching.Viewed from the deepening reform of teaching,different experiment content should be opened to different students,closely combining with the engineering production and living realities,making the best of multimedia teaching,and cultivating innovative and practical abilities of the students.Viewed from the teaching conditions,we should establish some system,refine the progra-mming demonstration laboratory opening,and try to realize the sustainable development.

demonstration experiment;physical teaching;opening teaching

2010-05-04;

2010-09-23)