以物理演示實驗課程為依托 促進(jìn)演示實驗室建設(shè)

劉敏薔 楊旭東 劉宇星 王 越 寧 瑩

（北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京 100124）

北京工業(yè)大學(xué)大學(xué)物理演示實驗室是“北京市物理實驗教學(xué)示范中心”——北京工業(yè)大學(xué)物理實驗中心的重要組成部分，成立于1961年?，F(xiàn)有設(shè)備400多套種。為了充分利用和發(fā)掘大學(xué)物理演示實驗室現(xiàn)有條件，提高其在培養(yǎng)學(xué)生思維能力、創(chuàng)新能力和實踐能力方面的作用，幾經(jīng)調(diào)整、嘗試，現(xiàn)已能夠完成隨堂演示、演示廳演示、走廊演示、設(shè)備研制、軟件開發(fā)、論文書寫、專利開發(fā)、軟件開發(fā)、指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計、開設(shè)校選課、指導(dǎo)校星火基金項目、指導(dǎo)學(xué)生參加北京市物理實驗競賽等工作。

其中的“文科物理知識趣味演示”、“演示實驗開發(fā)與制作”兩門校選課在促進(jìn)演示實驗室建設(shè)過程中發(fā)揮了獨特的作用。

1 課程設(shè)置的初衷

當(dāng)今科技的進(jìn)步，新的物理教學(xué)方法和教材日新月異，但以實物演示的教學(xué)亙古至今總是最受學(xué)生喜愛，也是效果立現(xiàn)的教學(xué)方式[1]。由于2010版《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》當(dāng)中對演示實驗提出了明確的指導(dǎo)性意見[2]。目前，全國各高校都在陸續(xù)新建或擴(kuò)建大學(xué)物理演示實驗室，但其作用終歸是配合大學(xué)物理教學(xué)。為了更好地促進(jìn)大學(xué)物理演示實驗室的建設(shè)，配合學(xué)校提出的創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，我們以大學(xué)物理演示實驗室為平臺，開設(shè)了兩門既可培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力又可促進(jìn)大學(xué)物理演示實驗室建設(shè)的校選課程。

2 兩門選修課的課程簡介

2.1 文科物理知識趣味演示

本課程的授課對象是全校學(xué)生，主要針對文科的學(xué)生。課程旨在用有趣的物理實驗，結(jié)合生活中的常識，把生活中一些常見的物理現(xiàn)象用物理原理加以解釋或?qū)⒉灰咨羁汤斫獾奈锢碓碛糜腥さ膶嶒灪蜕钪谐Ｒ姷默F(xiàn)象加以解釋。課程以演示實驗為主線，做簡單必要的原理性解釋，啟發(fā)學(xué)生在專業(yè)學(xué)科中去探求比較全面的答案。

2.2 演示實驗開發(fā)與制作

本課程為北京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新實踐課程選修課。課程旨在利用物理實驗教學(xué)示范中心的大學(xué)物理演示實驗室的資源優(yōu)勢，開發(fā)基礎(chǔ)性知識的創(chuàng)新性實驗，開設(shè)適合大多數(shù)本科學(xué)生的創(chuàng)新選修課。該選修課的內(nèi)容和形式多樣，內(nèi)容包括：功能實現(xiàn)（小制作）、功能開發(fā)、儀器拆卸與修繕、儀器翻新、實驗開發(fā)、實驗探究、實驗總結(jié)（編寫實驗說明）等。形式包括：設(shè)計、實驗、金工、木工、電子、攝影、編輯等。本課程涉及的是基礎(chǔ)性知識，內(nèi)容和形式都很簡單，只是給大家提供一個理論聯(lián)系實際、動手實踐、實現(xiàn)設(shè)想的場所。

3 兩門選修課程設(shè)想及實施

3.1 文科物理知識趣味演示課程的設(shè)想及實施

根據(jù)我校人才培養(yǎng)需要和通識教育選修課的教育目標(biāo)，學(xué)校規(guī)劃和設(shè)計了七個大類通識教育選修課：數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類、工程技術(shù)類、社會科學(xué)類、人文藝術(shù)類、經(jīng)濟(jì)管理類、體育類、外語類等。學(xué)校規(guī)定文科類學(xué)生在校期間必須完成4個學(xué)分的數(shù)學(xué)與自然科學(xué)類、工程技術(shù)類的校選通識教育選修課。

1）課程的設(shè)想

我們大學(xué)物理演示實驗室在學(xué)校及學(xué)生們的呼吁下開設(shè)了“文科物理知識趣味演示”課程。最初的目的是希望大學(xué)物理演示實驗室的儀器設(shè)備在更大范圍內(nèi)得以利用。隨著課程開設(shè)的臨近，我們除了有些平時不常使用的儀器被重新利用外，還依照專題的需要，自制或增添了不少簡單、有趣的小實驗。這是在我們開設(shè)該課程之前始料未及的。目前我們對該課程的設(shè)想是：以小道具演示的趣味實驗為主，結(jié)合互動實驗和體驗實驗，讓同學(xué)們在歡樂中學(xué)習(xí)物理，在操作中感受物理，促進(jìn)同學(xué)們對物理的興趣，引導(dǎo)不同專業(yè)的學(xué)生將物理現(xiàn)象與專業(yè)知識、生活常識相結(jié)合，在實驗研究的同時提高科學(xué)素養(yǎng)、陶冶情操、明明白白生活、堂堂正正做人，立足于社會、立足于未來。與此同時我們還有意地、系統(tǒng)地增添了部分大學(xué)物理演示實驗的項目及演示實驗微課程。

2）課程的實施

為了保證該課程的有趣性和理論性的互補(bǔ)，課程是由從事大學(xué)物理演示實驗工作多年的高級實驗師和一直從事大學(xué)物理課程教學(xué)工作的教師共同承擔(dān)。32個課時是由緒論篇、平衡篇、壓強(qiáng)篇、重心篇、慣性篇、碰撞篇、摩擦篇、旋轉(zhuǎn)篇、振動篇、擺動篇、聲音篇、駐波篇、靜電篇、電磁篇、電機(jī)篇、壓電、壓力傳感器篇、溫度篇、熱傳導(dǎo)篇、溫度傳感器篇、張力篇、相變篇、熵篇、幾何光學(xué)篇、波動光學(xué)篇、色度學(xué)篇、近代篇、隨意篇等二十幾個專題一百多個實驗組成的。在教學(xué)方法上我們貫徹的是素質(zhì)教育的理念，取消筆試，評分標(biāo)準(zhǔn)在于平時實驗的過程的理解和記錄，最終以實驗總結(jié)和某一個實驗的微課程作為期末的考核內(nèi)容。同時從分?jǐn)?shù)上鼓勵學(xué)生自帶實驗上課堂、解釋實際問題等自我提高的一切活動。

選修該課程的學(xué)生都是對物理實驗懷有極大的興趣而來的。開始時我們整節(jié)課基本以演示實驗為主，但是發(fā)現(xiàn)學(xué)生們并不滿足于趣味實驗、互動實驗，他們也希望老師能夠做必要的原理性解釋。為此，我們每節(jié)課都是實驗技術(shù)人員和理論課教師相結(jié)合的方式進(jìn)行教學(xué)的。這種嘗試的結(jié)果得到了學(xué)生們的好評。

3.2 演示實驗開發(fā)與制作課程的設(shè)想及實施

為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力，鼓勵學(xué)生積極參與科學(xué)研究、科技競賽、實踐創(chuàng)新等活動，北京工業(yè)大學(xué)于2007級開始實施創(chuàng)新學(xué)分。創(chuàng)新學(xué)分的獲得可以通過“創(chuàng)新活動”和“創(chuàng)新實踐課程”兩個途徑獲得。部分學(xué)院規(guī)定學(xué)生必須通過創(chuàng)新實踐課程獲得兩個學(xué)分。

1）課程的設(shè)想

為了配合學(xué)校的創(chuàng)新實踐教育，同時也考慮到大學(xué)物理演示實驗室的建設(shè)和發(fā)展，我們申請開設(shè)了“演示實驗開發(fā)與制作”課程。開設(shè)該課程有如下四個方面設(shè)想：第一，滿足學(xué)生創(chuàng)新學(xué)分的需要，為本科生獲得創(chuàng)新學(xué)分提供一個新的場所；第二，打破大多數(shù)創(chuàng)新選修課與本專業(yè)依賴的格局，讓工科和文科學(xué)生有更寬泛的選擇，以滿足學(xué)生個性的需要；第三，為學(xué)生參加學(xué)?！靶腔痦椖俊眱浞e蓄；第四，安排部分旨在促進(jìn)實驗室的維護(hù)和建設(shè)題目，以維持大學(xué)物理演示實驗室的發(fā)展和建設(shè)。

2）課程的實施

該課程為創(chuàng)新學(xué)分課程，共24個學(xué)時。我們根據(jù)學(xué)生選定的題目制定了不同的課程目標(biāo)，雖然學(xué)生的程度不同、愛好不同、能力不同，但我們給予同樣的規(guī)范要求，即要求每一位學(xué)生針對自己的選題都要完成開題報告、中期匯報、結(jié)題報告、工作總結(jié)等幾個環(huán)節(jié)。經(jīng)過這樣的訓(xùn)練，每一位學(xué)生在自己原有基礎(chǔ)上得到了科學(xué)素質(zhì)的提高。

比如，對于幾乎沒有任何動手經(jīng)驗的學(xué)生，他們也可以在這里拆解一些諸如手機(jī)、鼠標(biāo)、飲水機(jī)等來訓(xùn)練動手和認(rèn)識器件的能力，在拆卸過程中了解了各器件的作用、原理。動手能力較強(qiáng)的學(xué)生可以做修復(fù)、制作演示儀器的工作。所以該課程在為學(xué)生提供創(chuàng)新學(xué)分的同時，也為演示實驗室解決了部分硬件建設(shè)。在儀器制作方面，已經(jīng)為實驗室提供了諸如翻跟頭的膠囊、變種飲水鳥等多項演示儀器；在儀器開發(fā)方面，為實驗室提供了光學(xué)系列演示實驗的說明書、一個近代物理實驗儀器的說明書，以及風(fēng)洞實驗儀器的測試數(shù)據(jù)。

許多學(xué)生在高中階段的物理學(xué)科的學(xué)習(xí)中都是佼佼者，他們的物理素養(yǎng)和天賦在大學(xué)物理演示實驗室這個平臺得到了個性發(fā)展，斯特林熱機(jī)、絲杠式重力發(fā)電應(yīng)急燈、彈簧蛇形振子等項目脫穎而出。甚至有的學(xué)生通過該課程之后的再加工，制作出來的設(shè)備申請到學(xué)校的“星火項目”、“國創(chuàng)項目”，并獲得北京市大學(xué)生物理實驗競賽的一二等獎。

4 成果與創(chuàng)新點

素質(zhì)教育的目的是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人。素質(zhì)教育的靈魂是創(chuàng)新教育，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是素質(zhì)教育的核心。積極開展實驗教學(xué)改革，重視學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與鍛煉，讓學(xué)生在教師指導(dǎo)下自行研制教學(xué)實驗設(shè)備，設(shè)計并完成教學(xué)實驗，起到了啟迪學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力的良好效果[3]。

文科物理演示是近幾年才在全國高校興起的課程。對文科學(xué)生開設(shè)物理實驗，拓展物理學(xué)的科學(xué)普及功能，讓文科學(xué)生學(xué)習(xí)一些與現(xiàn)代生活密切相關(guān)的物理學(xué)基本知識，感受物理學(xué)中科學(xué)的思維方法，了解物理學(xué)與社會發(fā)展的密切關(guān)系，有利于文科學(xué)生文理互補(bǔ)和兼通，有效地提高文科學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)[4]?！拔目莆锢碇R趣味演示”課程嘗試的是利用實驗技術(shù)人員的深厚的實驗技術(shù)功底和理論課教師深厚的理論基礎(chǔ)相結(jié)合開設(shè)的一門嘗試性的課程，理論與實踐相結(jié)合，效果明顯。本課程的開設(shè)，使得多年沉睡的儀器得到了再利用，同時也為實驗室增添了簡單、有趣的小設(shè)備。這樣的課程非常具有推廣價值。

“演示實驗開發(fā)與制作”課程為不同層次的學(xué)生開辟了實踐動手的平臺，同時，也為部分熱愛物理實驗的學(xué)生節(jié)省了由于滿足興趣而耽誤的業(yè)余時間。有的學(xué)生一直想完成一個電路設(shè)計，那么他可以利用相關(guān)課程中學(xué)到的知識在這里實現(xiàn)他的構(gòu)想；還有的學(xué)生想做一個斯特林熱機(jī)，他在這里利用實驗室的材料和設(shè)備完成他的構(gòu)想；動手能力強(qiáng)、物理基礎(chǔ)好的學(xué)生為演示實驗室維護(hù)、制作了設(shè)備；有余力的學(xué)生可以把自己做的儀器進(jìn)一步加工立項、獲獎。

5 結(jié)語

以大學(xué)物理演示實驗室為平臺，面對理、工、文各個層次的學(xué)生開設(shè)校選修課程、創(chuàng)新實踐課程，使得每一位選課的學(xué)生都在原有的基礎(chǔ)之上得到了科學(xué)素養(yǎng)的提高，同時促進(jìn)了大學(xué)物理演示實驗室的建設(shè)。新的教學(xué)模式的嘗試，也使得教師總結(jié)出了更有益于學(xué)生的教學(xué)方法和內(nèi)容。

[1] 陳秋民. 從演示教學(xué)經(jīng)驗談新時代學(xué)生之生活科學(xué)素養(yǎng)[J]. 物理與工程, 2008(18): 4.

[2] 理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求(2010版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2011.

[3] 葉尊忠, 趙文波. 學(xué)生自制實驗設(shè)備與素質(zhì)教育[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2002(4).

[4] 董軍. 淺議物理演示實驗在物理教學(xué)中的作用[J]. 黑龍江科技信息, 2010(1): 27-28.