大學(xué)物理演示實驗工作的新思路、新進展

陳 征 王玉鳳 趙紅娥 趙 雁 薛菊梅

（北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044）

1 不斷更新改造、實現(xiàn)動態(tài)發(fā)展，保持物理演示實驗室的先進性

1）開發(fā)和引進新實驗項目，豐富實驗教學(xué)知識內(nèi)涵

科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，工科物理的教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，按照新的《教學(xué)基本要求》，也有了很大的變化.相應(yīng)地，物理演示實驗室也需要不斷更新升級.2006年以來，我校物理演示實驗室又自主開發(fā)了大型玻璃杯共振、大型蛇形擺、特斯拉放電、腳踏發(fā)電、太陽能發(fā)電實用系統(tǒng)、幾何光學(xué)光路演示、加速器模擬、多普勒效應(yīng)演示、立體攝像與播放系統(tǒng)、超導(dǎo)系列、熱機系列等20余項新實驗.與此同時，又引進了微光夜視、紅外熱成像、X射線衍射、掃瞄隧道顯微鏡、能量穿梭機、流體流線演示等10余項新設(shè)備.上述實驗項目的知識內(nèi)涵更加廣泛、深入，演示效果極具震撼力.其陸續(xù)投入使用，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富多彩，得到了學(xué)生、教師和同行的高度認同.

2）繼續(xù)開發(fā)導(dǎo)學(xué)軟件并改版升級，支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)

由于物理演示實驗計算機導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容豐富、視頻多、圖像多，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí).該軟件一期完成并投入使用后，受到了學(xué)生的極大歡迎，8臺觸摸屏計算機前，從早到晚幾乎學(xué)生不斷，每年瀏覽人次超過兩萬.2006年以來，我們又繼續(xù)開發(fā)了該導(dǎo)學(xué)軟件二期，不僅大大豐富了原有6個欄目的內(nèi)容，而且新增了“科學(xué)探索”欄目，信息量是一期的兩倍多.由于在2000年初開發(fā)的一期軟件是網(wǎng)頁版，不便于修改和增減內(nèi)容，且有些細目程序運行也不通暢；軟件二期完成以后，我們將其全部改成數(shù)據(jù)庫版，可以方便地對內(nèi)容進行修改和增減，重新編程，使所有細目不通暢的問題也一并得到解決.與此同時，對頁面也重新進行了設(shè)計，更加靚麗并方便使用.改版后的導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)投入使用3年來，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了更加豐富的資源，受到學(xué)生的歡迎，觸摸屏計算機由8臺增加到12臺，還不能滿足需要.

3）升級改造實驗室環(huán)境，營造育人科學(xué)氛圍

實驗室是育人的重要場所，我們認為：育人的效果不僅僅局限在實驗項目的內(nèi)容上，科學(xué)氛圍的營造也會對育人起著潛移默化的作用.隨著學(xué)校對實驗室經(jīng)費投入的增加，2007年、2012年先后兩次對實驗室環(huán)境進行了升級改造.現(xiàn)在一走進物理演示與探索實驗室，就會看到墻上多種光柵立體圖：神舟九號對接、蛟龍?zhí)枬撍?、長征火箭發(fā)射、和諧號列車等.大廳的地面有大型窺視無窮、微晶陣列立體圖案；仰首可看到“空間的尺度”和“時間的長河”系列燈箱圖片；走廊有“揭秘自然，造福人類的物理學(xué)規(guī)律”組圖、“視錯覺”“紅綠立體”系列燈箱圖片；還有自行設(shè)計的12臺壁掛式觸摸屏計算機導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)和動態(tài)綜合展示窗；門廳正中安裝了大型多點觸摸屏，供學(xué)生自主翻閱各種教學(xué)資源；加上大廳迎面的大型物理學(xué)群英照（2007年索爾維會議歷史照片），所有這些互相襯托，使實驗室的面貌煥然一新.學(xué)生一走進實驗室，就猶如走進科學(xué)的殿堂，他們會靜下心來，仔細地看、好奇地問、認真地學(xué)；他們會恍然大悟：“原來物理學(xué)是如此地豐富多彩，物理學(xué)是如此地為人類造福！”，同實驗內(nèi)容本身一樣起到育人的效果.

2 開發(fā)隨堂演示，集錦視頻插播，支持大學(xué)物理課堂教學(xué)

1）開發(fā)60多項隨堂演示儀器并用于大學(xué)物理教學(xué)

物理演示實驗從歷史上說一直是隨堂的，講什么演示什么.但是，由于大學(xué)招生規(guī)模的擴大、課堂容量越來越大、上課教室分散等因素，隨堂演示越來越少，以至于完全消失.為克服上述困難，我校在工科物理教學(xué)基地建設(shè)時，建設(shè)了物理演示與探索實驗室并面向全校學(xué)生開課.當初的想法只是學(xué)生在課堂上看不到的物理現(xiàn)象，課后到實驗室可以看到，作為一種彌補.經(jīng)過多年的建設(shè)和實踐，演示實驗室的教學(xué)取得了出乎意料的好效果.學(xué)生們說：“在實驗室看到如此美妙的現(xiàn)象，內(nèi)心既驚奇，又有一種想刨根問底的欲望，引發(fā)了我的興趣以及對自然界的無限思考……”“許多現(xiàn)象過去一直是從書本上看到的，在這個實驗室里我們都參與進來了，不僅更加明白了現(xiàn)象背后的道理，而且許多巧妙的實驗構(gòu)思也令我驚嘆不已……”甚至有的學(xué)生說“早知道物理學(xué)是這樣的豐富多彩、震撼人心，我就學(xué)物理了……”，盡管如此，我們認識到：實驗室再好也不能替代隨堂演示！實驗室演示和隨堂演示各有特點、各具優(yōu)勢，兩者應(yīng)該是相輔相成的關(guān)系.

實驗室演示實驗的特點和優(yōu)勢是：（1）大型的、不能進課堂的，如：大型法拉第籠、大型靜電高壓球、特斯拉放電、大型玻璃杯共振、熱成像、微光夜視等.這樣的大型演示實驗不僅密切結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生對相應(yīng)物理概念的理解，而且對學(xué)生產(chǎn)生了終生難忘的強烈震撼.（2）開拓知識視野的，如：光纖通信、激光全息系列、動態(tài)立體成像系列、超導(dǎo)系列、記憶合金系列等.這些內(nèi)容雖然不是大學(xué)物理教學(xué)的主體內(nèi)容，但是它在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應(yīng)用，學(xué)生應(yīng)該有所了解.多年的教學(xué)實踐表明，學(xué)生絲毫沒有因為這些內(nèi)容不考試而不感興趣，由于演示生動有趣，講解聯(lián)系實際，學(xué)生感到大開眼界，非常喜歡.（3）有探索意義的，如：蛇擺、視覺暫留、掃描成像、旋轉(zhuǎn)磁場系列、靜電系列等.這些內(nèi)容極易引起學(xué)生的疑問和好奇，這正是引導(dǎo)學(xué)生探究的切入點.（4）趣味物理展示，如：輝光球、放電盤、智能旋轉(zhuǎn)燈、窺視無窮、超聲霧化等.這些內(nèi)容多屬生活中的物理，學(xué)生可以用所學(xué)物理知識解釋周圍的物理現(xiàn)象，讓學(xué)生感受到生活中到處都有物理.（5）在實驗室，學(xué)生可以自己動手操作、觀察現(xiàn)象、探究問題，提高學(xué)生的實踐能力和探索熱情.

隨堂演示實驗的特點和優(yōu)勢是：講什么演什么，內(nèi)容針對性強、操作簡單、時效性好.至今，我們已經(jīng)研發(fā)了包括力學(xué)系列、靜電系列、電磁系列、振動波動系列、熱學(xué)、光學(xué)系列、近代物理等60多項隨堂演示實驗儀器并投入使用，極大地活躍了課堂氣氛、提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、取得了很好的教學(xué)效果.常常是儀器車一推到教室，學(xué)生就興奮，教師表演時學(xué)生那種專注，真的讓人感覺到什么叫無可替代.略有遺憾的是：實驗項目數(shù)還不夠多，有些項目效果還不夠理想，這也正是我們今后需要努力的方向.

2）剪輯并拍攝300多段隨堂視頻插播片并用于大學(xué)物理教學(xué).

我們知道，并不是所有的物理現(xiàn)象都可以用演示實驗來表現(xiàn)的，所以計算機仿真和視頻插播片的使用也是必不可少的.在計算機仿真方面，目前我們基本上是利用別人開發(fā)的現(xiàn)成軟件.在隨堂視頻插播片方面，盡量采用實景錄像，所以剪輯的比較多.比如力學(xué)中介紹潮汐的形成時，播放錢塘江大潮的洶涌澎拜；講到動量守恒時，播放火箭發(fā)射的壯觀場景；講到剛體進動時，播放槍膛、炮膛里的來復(fù)線，槍彈炮彈飛出彈膛的進動情況；講到尖端放電時，播放避雷針避雷帶的避雷實景；講到靜電應(yīng)用時播放靜電復(fù)印、靜電噴漆、靜電植絨等應(yīng)用實景；講到等電位原理時，播放工人在高壓線上不斷電維修的觸目驚心的實景，真是無比震撼！目前剪輯并使用得比較好的有200多段.

此外，我們還把演示實驗室中與課堂教學(xué)密切相關(guān)的內(nèi)容和全部隨堂演示實驗拍成了視頻插播短片，總計100多段，供教師選用.

隨著隨堂演示實驗和隨堂視頻插播片的內(nèi)容逐步豐富，效果越來越好，教師的使用熱情也越來越高.其效果反映在學(xué)生評教的打分在不斷提高，凡是隨堂演示用得比較好，視頻插播用得比較多的老師，大體上都在自己原來的基礎(chǔ)上提高3到5分.

近幾年來，國內(nèi)高校演示實驗室建設(shè)和隨堂演示的發(fā)展逐步進入了理性化和有序建設(shè)的階段.僅就近3年不完全統(tǒng)計，到我校參觀取經(jīng)的學(xué)校就有百余所，請我校協(xié)助設(shè)計、建設(shè)演示實驗室的學(xué)校有30余所，從我校購買隨堂演示儀器的學(xué)校有50余所，且已經(jīng)帶動近20所重點中學(xué)的實驗室建設(shè).總之，物理演示實驗工作受重視程度之高、發(fā)展之迅速，真是超乎想象！我們相信，隨著教育經(jīng)費投入的不斷增加，隨著對物理演示實驗重要性的認識不斷提高，今后演示實驗工作必將發(fā)展得更快，更好！