大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

張小玲 鄧玉榮 雷 杰

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院 湖北·武漢 430000）

物理學(xué)從根本上說是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)。任何物理學(xué)的理論都是從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中抽象總結(jié)出來并要受到實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的[1]。楊振寧先生曾經(jīng)說過，物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的，絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源，也是物理探究的源泉[2]。物理演示實(shí)驗(yàn)鮮明直觀的特點(diǎn)是能創(chuàng)建出理想的物理情景，能充分地展示物理現(xiàn)象，物理課程的教學(xué)應(yīng)該從物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)開始，通過物理現(xiàn)象去探索物理的本質(zhì)。所以，物理演示實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理課程的關(guān)鍵授課手段之一，在教學(xué)體系中有著無可替代的地位。

《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》[3]（教高〔2019〕8號(hào)）指出：課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。教師需融合創(chuàng)新的方法、現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行課程的設(shè)計(jì)與教學(xué)。在這樣形勢(shì)下，如何充分利用物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突出創(chuàng)新元素、優(yōu)化重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容與課程體系、提高課程質(zhì)量，培養(yǎng)既具有扎實(shí)基本功底，又具有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的復(fù)合型、應(yīng)用型人才，是擺在我們面前的刻不容緩的任務(wù)。

1 演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

1.1 增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣與信心

傳統(tǒng)物理課程更傾向于教授理論，許多學(xué)生面對(duì)繁雜的理論公式往往就會(huì)望而生畏，純理論教學(xué)教出來的學(xué)生往往是高分低能者居多。通過演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，突破習(xí)慣性認(rèn)知模式，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能引發(fā)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的渴望，激發(fā)學(xué)生探究問題的熱情和解決問題的勇氣，提高學(xué)生觀察、分析問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的信心。

1.2 幫助學(xué)生正確認(rèn)知物理理論

物理課程中不乏較為難懂的抽象理論，僅憑教師的講授，學(xué)生很難準(zhǔn)確和全面的理解和掌握。借助演示實(shí)驗(yàn)的方式，可以化抽象為具象，直觀、生動(dòng)地展現(xiàn)出各種物理現(xiàn)象，能讓學(xué)生在看到現(xiàn)象（物理現(xiàn)象）的前提下學(xué)習(xí)本質(zhì)（物理規(guī)律），加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和思考，使學(xué)生能更深層次地掌握物理理論，并能應(yīng)用于實(shí)踐。

1.3 加強(qiáng)與生活及高新技術(shù)的聯(lián)系

隨著科技的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，物理已滲入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)代大學(xué)生無論文理或是工科，都應(yīng)熟知物理常識(shí)，區(qū)別僅在于側(cè)重部分和認(rèn)知的深淺。演示實(shí)驗(yàn)?zāi)苤庇^形象生動(dòng)地展示物理與生活及高新技術(shù)的聯(lián)系，比如避雷針、互感現(xiàn)象、磁懸浮列車、記憶金屬、光纖通訊等演示實(shí)驗(yàn)，能讓學(xué)生切身感受到物理觸手可及，對(duì)學(xué)生起到建立基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備和擴(kuò)展視野的作用。

2 大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)存問題

2.1 教學(xué)課時(shí)壓縮

國(guó)內(nèi)眾多高校由于專業(yè)發(fā)展和專業(yè)評(píng)估等原因，目前普遍存在物理課程學(xué)時(shí)被壓縮，隨堂演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步被削減的情況，甚至，有的高校至今未將演示實(shí)驗(yàn)納入教學(xué)體系。鑒于課時(shí)壓縮的現(xiàn)狀，如何在已經(jīng)不多的理論授課學(xué)時(shí)中讓演示實(shí)驗(yàn)在課堂上占有一席之地，并與大學(xué)物理理論教學(xué)有機(jī)融合，發(fā)揮其應(yīng)有的作用，這是一個(gè)值得深入研究和亟待解決的問題。

2.2 演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式單一

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)在教學(xué)形式上多采用傳統(tǒng)模式：教師將準(zhǔn)備好的儀器帶到課堂上進(jìn)行隨堂演示，學(xué)生只需觀察。這種形式下，一方面，由于時(shí)間和空間的限制，無法保證每位學(xué)生清楚仔細(xì)的觀察到每個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過程，使得實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的覆蓋率不高；另一方面，教師操作儀器展示給學(xué)生看，學(xué)生仍然是被動(dòng)接受，少有參與，這種傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在教學(xué)效果上達(dá)不到預(yù)期[5]。

2.3 考核方式陳舊

常見的演示實(shí)驗(yàn)課程成績(jī)考核方式有兩種[5]：第一種是將學(xué)期實(shí)驗(yàn)報(bào)告、考勤等一些分?jǐn)?shù)折算后的總和作為成績(jī)；第二種是期末的筆試成績(jī)。采用以上述兩種方案進(jìn)行考核時(shí)，學(xué)生只要保證較高的出勤率，按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容規(guī)范清晰，或者考前對(duì)實(shí)驗(yàn)原理，關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行記憶，便可取得優(yōu)良的分?jǐn)?shù)。這樣的考核方式往往使學(xué)生對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)拘泥于形式，學(xué)生只是按老師規(guī)定的步驟進(jìn)行操作，學(xué)習(xí)依然是處于比較被動(dòng)的狀態(tài)，很難培養(yǎng)出主動(dòng)思考、善于探究、具有創(chuàng)新意識(shí)的人才。

3 大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

3.1 在大學(xué)物理理論課教學(xué)中融入隨堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)

針對(duì)教師對(duì)演示實(shí)驗(yàn)重視程度不夠，以及課時(shí)縮減演示實(shí)驗(yàn)時(shí)間被壓縮的問題，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

3.1.1 提升教師重視程度，演示實(shí)驗(yàn)全面進(jìn)課堂

在硬件方面，我校教務(wù)處在主教學(xué)樓調(diào)配了一間教室作為大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)儀器陳列室，極大增加了隨用隨取的便利性。在培訓(xùn)方面，大學(xué)物理教研室多次組織專項(xiàng)教研活動(dòng)，由演示實(shí)驗(yàn)專職教師介紹各種演示實(shí)驗(yàn)器材及其實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法并演示其操作過程，以此教研活動(dòng)促進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)的隨堂教學(xué)。同時(shí)大學(xué)物理教研室將演示實(shí)驗(yàn)納入物理理論課教學(xué)的必備環(huán)節(jié)，達(dá)到全面覆蓋的效果。

3.1.2 形成大學(xué)物理課程創(chuàng)新教學(xué)模式

近5年來，本教學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以學(xué)生為中心設(shè)計(jì)教學(xué)，在大學(xué)物理課中引入隨堂演示實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，在演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，用問題驅(qū)動(dòng)課堂，內(nèi)容由淺入深，加深學(xué)生對(duì)抽象概念的理解，傳授科學(xué)研究方法，提升物理思維，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對(duì)未知的探索精神和能力。同時(shí)團(tuán)隊(duì)完成了《大學(xué)物理》校級(jí)在線課程的建設(shè)，在教學(xué)中，結(jié)合在線課程展開線上和線下相結(jié)合的教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)，把理論課中的部分內(nèi)容安排學(xué)生通過課前和課后的自主在線學(xué)習(xí)來完成，既緩解了課時(shí)緊張的問題，又培養(yǎng)了學(xué)生自學(xué)能力，給演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)也留出了足夠的時(shí)間與空間。經(jīng)過幾個(gè)階段的教改實(shí)踐，教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)大學(xué)物理課的定位和教學(xué)規(guī)律有了清晰的認(rèn)識(shí)，形成了“以實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)、問題為驅(qū)動(dòng)”的大學(xué)物理課程創(chuàng)新教學(xué)模式。

3.2 建開放物理演示實(shí)驗(yàn)室

由于大學(xué)物理課程往往采取的是大班教學(xué)形式，僅僅通過隨堂演示，教學(xué)效果達(dá)不到預(yù)期。為了配合大學(xué)物理理論課教學(xué)，團(tuán)隊(duì)通過建設(shè)開放演示實(shí)驗(yàn)室，使每個(gè)學(xué)生每學(xué)期有4個(gè)學(xué)時(shí)到演示實(shí)驗(yàn)室開放學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

開放物理演示實(shí)驗(yàn)室是物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要形式，開放演示實(shí)驗(yàn)室對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣、加深學(xué)生對(duì)抽象物理概念的理解、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力都有十分重要的意義和明顯的效果，是《非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中提倡的物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，符合理工科大學(xué)基礎(chǔ)課加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)的教改方向，對(duì)提高物理基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才具有深遠(yuǎn)的意義。

開放演示實(shí)驗(yàn)室受到學(xué)生的普遍歡迎，學(xué)生來演示實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)很感興趣，認(rèn)真看老師演示，積極動(dòng)手操作，主動(dòng)提問，課堂氣氛活躍。課后大多數(shù)學(xué)生表示做演示實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)習(xí)物理的興趣，加深了對(duì)理論的理解，擴(kuò)展了物理知識(shí)。不少同學(xué)表示還想再來實(shí)驗(yàn)室。

課程結(jié)束后，通過匿名形式的問卷調(diào)查，調(diào)查學(xué)生對(duì)課程教學(xué)的滿意程度。本次調(diào)研樣本數(shù)為135人，得到的關(guān)鍵反饋結(jié)果如下：94%的學(xué)生認(rèn)為通過演示實(shí)驗(yàn)，能夠起到加深對(duì)理論知識(shí)理解的作用；97%的學(xué)生認(rèn)為演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚱鸬皆鰪?qiáng)學(xué)生的科學(xué)興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的作用，其中，71%的學(xué)生認(rèn)為起到的作用非常明顯；96%的學(xué)生希望后期物理理論課程中繼續(xù)開展演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

由調(diào)研結(jié)果可知，學(xué)生對(duì)“以實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)、問題為驅(qū)動(dòng)”的大學(xué)物理課程創(chuàng)新教學(xué)模式認(rèn)可程度極高，達(dá)到了課程建設(shè)的預(yù)期效果。

3.3 增設(shè)公選課，完善考核方式，教與學(xué)形成閉環(huán)

結(jié)合新形勢(shì)下的人才培養(yǎng)需求，根據(jù)理工科和文科學(xué)生群體的特征，新建了《趣味物理》公選課（24學(xué)時(shí)）。

《趣味物理》是一門面向所有理工科和文科類大學(xué)生的公共選修課，是一門以觀察物理現(xiàn)象為出發(fā)點(diǎn)的課程，旨在充分展示物理實(shí)驗(yàn)的趣味性，把探索“枯燥的”物理科學(xué)理論寓于生動(dòng)有趣的物理實(shí)驗(yàn)之中。對(duì)理工科學(xué)生起到銜接高中知識(shí)，連接高新科技知識(shí)，培養(yǎng)思維體系，提高創(chuàng)新能力的作用。對(duì)文科學(xué)生起到科普教育，感知生活，培養(yǎng)邏輯思維，全面提高綜合素質(zhì)的作用。

本課程教材采用授課教師自編《趣味物理》課程講義，課程內(nèi)容劃分為：運(yùn)動(dòng)的奧秘、振動(dòng)與波的奇妙現(xiàn)象、冷與熱的變換、光的波動(dòng)魅力、調(diào)皮的靜電、電與磁的共舞等六個(gè)模塊。課程教學(xué)上采用線上線下相結(jié)合的教學(xué)方式，由授課教師在武漢理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)《趣味物理》在線課程，講義內(nèi)容發(fā)布在教學(xué)平臺(tái)的每個(gè)學(xué)習(xí)單元里，供學(xué)生免費(fèi)學(xué)習(xí)使用。網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)有針對(duì)性的將演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和知識(shí)的應(yīng)用拓展融合到一起，為學(xué)生提供豐富的學(xué)習(xí)資源，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行課前的預(yù)習(xí)以及課后的總結(jié)與回顧。

區(qū)別于考試及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的考核方式，課程采用小論文和制作實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行考核。

（1）論文考核方式。每位學(xué)生在學(xué)期末需提交一份演示課程相關(guān)的小論文。論文內(nèi)容包含但不限于以下三個(gè)方面：①選取本期課程中最為感興趣的幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，結(jié)合自己的操作經(jīng)歷，說明實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行拓展應(yīng)用。②結(jié)合自身學(xué)習(xí)效果，探討物理演示實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力方面所能起到的影響和作用。③學(xué)習(xí)本課程后的所受的啟發(fā)。這種方式的考核維度包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、原理拓展應(yīng)用和學(xué)習(xí)心得三個(gè)方面，將學(xué)生從每次課后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中解放出來，給學(xué)生一個(gè)開放的學(xué)習(xí)空間，讓學(xué)生自由地體驗(yàn)探究的樂趣，專注于自己最感興趣的現(xiàn)象，用心去體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)本身。當(dāng)然，學(xué)生只有在上課時(shí)認(rèn)真進(jìn)行試驗(yàn)，課后有所思考，才能交出一份滿足要求的小論文。

（2）實(shí)驗(yàn)視頻考核方式。在這種方式中，學(xué)生自行組隊(duì)，以小組的形式對(duì)感興趣的試驗(yàn)進(jìn)行拍攝，再結(jié)合自己的想法與創(chuàng)意構(gòu)思視頻內(nèi)容。課程中安排最后兩節(jié)課作為展示課，每組代表上臺(tái)就本組實(shí)驗(yàn)視頻進(jìn)行展示和講解。

首先，通過小組合作的方式增強(qiáng)了學(xué)生間的溝通協(xié)作能力。在拍攝視頻，完成實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生間能夠共同探討，相互促進(jìn)，加深對(duì)物理現(xiàn)象和本質(zhì)的理解。其次，由于視頻內(nèi)容不設(shè)限，學(xué)生必須自行構(gòu)思，在構(gòu)思過程中，必然要自主的思考查取相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)、探究、解決問題的科學(xué)研究的思維和能力。再次，制作視頻需要用到一些視頻剪輯軟件，比如愛剪輯、Premier、AE等，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，強(qiáng)化了與現(xiàn)代化技術(shù)的結(jié)合。最后，課堂展示環(huán)節(jié)加強(qiáng)促進(jìn)了師生互動(dòng)與生生互動(dòng)。學(xué)生將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)化后又輸出給同學(xué)與教師，通過展示課的探討與交流，教師與學(xué)生都收獲頗豐。課后，老師經(jīng)過評(píng)定，把學(xué)生制作的優(yōu)秀視頻上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，作為新的教學(xué)資源。在這種考核方式下，學(xué)生的成果正反饋于教學(xué)，教與學(xué)形成了一個(gè)完整的閉環(huán)。

（3）鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)制作實(shí)驗(yàn)儀器，并給予額外的加分。

本公選課深受學(xué)生喜愛，每學(xué)期選課人數(shù)都是爆滿。

3.4 面向中小學(xué)生進(jìn)行科普教育

習(xí)近平總書記在全國(guó)科技創(chuàng)新大會(huì)上提出：“科技創(chuàng)新、科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的兩翼，要把科學(xué)普及放在與科技創(chuàng)新同等重要的位置?！?/p>

從小學(xué)到中學(xué)再到大學(xué)，物理演示實(shí)驗(yàn)一直是學(xué)校教育的薄弱點(diǎn)甚至可以說是盲區(qū)，學(xué)校對(duì)學(xué)生在這方面的教育是非常欠缺的，不利于學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)探索能力的培養(yǎng)。

隨著教育改革的深入，高校服務(wù)社會(huì)的工作日益受到社會(huì)各界的重視[6]，我校是武漢地區(qū)最早把物理演示實(shí)驗(yàn)列為服務(wù)社會(huì)項(xiàng)目的高校之一。物理系把演示實(shí)驗(yàn)服務(wù)社會(huì)列為“十三五規(guī)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)親自過問演示實(shí)驗(yàn)服務(wù)社會(huì)的工作，并對(duì)演示實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和引進(jìn)人才等工作給予大力支持。物理演示實(shí)驗(yàn)室與武昌區(qū)教育局、洪山區(qū)科協(xié)及華師一附中等學(xué)校和單位聯(lián)合舉辦了多次交流活動(dòng)，并就演示實(shí)驗(yàn)服務(wù)中小學(xué)的內(nèi)容、方式以及在我校演示實(shí)驗(yàn)室建設(shè)青少年實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐課程基地和青少年科技創(chuàng)新基地等工作達(dá)成共識(shí)。華師一附中率先提出與我校簽訂協(xié)議，長(zhǎng)期系統(tǒng)參加物理演示實(shí)驗(yàn)室組織的各項(xiàng)活動(dòng)。

我校物理演示實(shí)驗(yàn)室服務(wù)社會(huì)的工作，受到中小學(xué)的學(xué)生、老師和家長(zhǎng)的歡迎，取得了良好的社會(huì)效果。目前已接待社會(huì)參觀學(xué)習(xí)團(tuán)體近千人。

4 總結(jié)

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行?！贝罅﹂_展演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能，增強(qiáng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，是物理教學(xué)改革中極為關(guān)鍵的舉措。我們相信，隨著演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的不斷發(fā)展與完善，必將對(duì)武漢理工大學(xué)培養(yǎng)新時(shí)期創(chuàng)新型人才和對(duì)科普事業(yè)的蓬勃發(fā)展產(chǎn)生更大的影響力。