《大學物理演示實驗》的編寫思路

盧榮德，程福臻

（中國科學技術大學物理學院，安徽合肥 230026）

《大學物理演示實驗》的編寫思路

盧榮德，程福臻

（中國科學技術大學物理學院，安徽合肥 230026）

通過《大學物理演示實驗》教材編寫思路的介紹，逐點地把創(chuàng)新思維融會貫穿到大學物理演示實驗教學的實踐過程中，培養(yǎng)學生的獨立創(chuàng)新能力.教師不僅須有創(chuàng)新的理念，更須有效地將其理念貫徹與落實到具體的大學物理演示實驗的實踐活動中.

大學物理；演示實驗教材；實踐教學；編寫思路

大學物理演示實驗用于配合物理課堂教學，可以隨堂演示或獨立開課，展現(xiàn)物理現(xiàn)象、驗證和詮釋物理原理，利于學生構建物理圖像，加深物理理論的理解與記憶［1］.如何在物理教材的編寫中體現(xiàn)大學物理演示實驗教學目標且有效地增強學生的獨立創(chuàng)新意識，是教材編寫中需要慎重考慮的問題.拓展大學物理演示實驗的功能，設計符合大學物理演示實驗教學目標，實驗探究內(nèi)容與學生動手能力培養(yǎng)相協(xié)同是非常重要的.多年的教學實踐告訴我們，當物理演示實驗項目和內(nèi)容確定后，物理演示實驗教材建設的核心問題是教材的編寫思路問題.學生要從物理演示實驗教學中獲得他們所需要的知識、技能和創(chuàng)新能力，演示實驗教材的編寫思路是一個值得認真對待和進一步研究探討的問題.

《大學物理演示實驗》教材［1］（盧榮德，中國科學技術大學出版社，2014年9月）面世了，為了交流、深化和發(fā)展大學演示實驗教學，我們在此談談這本教材的編寫思路.

1 傳統(tǒng)物理演示實驗教材的編寫現(xiàn)狀

當前大學物理演示實驗教材，包括自編的演示實驗講義，存在諸多不足之處.具體表現(xiàn)在以下4個方面.

1）物理演示實驗的設計就事論事.沒有提供學生預習用的實驗背景、實驗應用與實驗拓展或參考文獻等，使得學生把本來鮮活的實驗演示主題作為一個孤立的事件一覽了事，而未能將其與科學研究、實際應用和日常生活聯(lián)系起來，未能有更多深層次的理解和拓展.

2）實驗演示方案單一化、演示模式固定化.國內(nèi)大學演示裝置大都是購買來的且長期不改進，也不管設計是否合理，動一動看到現(xiàn)象就行.實驗演示方案沿用實驗儀器廠家單一方案而缺乏自己的創(chuàng)新.師生互動中教師大都“自彈自唱”，學生“好奇看熱鬧”，而“主唱”影響了學生的主動性和積極性，實際上留給學生發(fā)揮創(chuàng)造力的空間少了.物理演示模式往往固化了演示實驗的結果和答案是唯一和理想化的，導致學生的思維缺乏多向性和靈活性.

3）物理演示實驗擬定的思考題過于簡顯、缺乏梯度，且深度和高度不夠.有些題學生無需深思就知道答案，不能有效地養(yǎng)成學生探討和研究的習慣.物理演示實驗一般都沒有一定梯度的思考題庫，創(chuàng)新性的思考題就鮮見于教材.

4）物理演示實驗單臺套、專一性強，不能充分發(fā)揮其綜合功能.物理演示實驗成為“雜耍表演場”，課后又未能產(chǎn)生有效的激勵效應，易被誤稱為“浮于表面、流于形式”而沒有顯示度的附屬品.

一線的教師在教學實踐中深切體會到，基于這種情景下的物理演示實驗教材（包括自編的實驗講義）使學生的消化力衰退、其依賴性自然養(yǎng)成.按照過詳?shù)牟襟E表演實驗，不必預習，也不用動腦，只需“照貓畫虎”就能順利完成演示任務.在這種教材的引導下，學生完成的演示報告易陷入“八股文”，照教材已設計好的表格填鴨式地把實驗現(xiàn)象依次填入，依據(jù)給定的公式算出結果，稍作分析、回答幾個簡單的思考題就算完事，特色化、個性化和生活化的演示報告從何而來？而對于物理演示中出現(xiàn)的各種“新奇”現(xiàn)象，教材不注意引領學生認真觀察和探究分析，學生僅在一條流水線上作“搬運工作”.由于教材給學生提供發(fā)揮想象力的空間很少，難以激發(fā)學生的自主實驗的動力，結果是一套物理演示實驗下來，無深刻印象的看熱鬧，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)更無從談起.長此以往，學生未能體會到物理演示實驗的美、趣味，僵化了思維、弱化了獨立意識和創(chuàng)新意識，甚至用應付GPA的態(tài)度參與物理演示實驗，偏離了大學物理演示實驗教學的目標.

2 物理演示實驗教材的編寫理念

1）突出基礎理論、體現(xiàn)學科交叉、密切科學前沿、展示現(xiàn)代應用.

2）建立大學物理演示實驗獨特發(fā)展的新模式，既有課內(nèi)外又有社會服務和應用的功能，設計引導“情景-探究-應用”的學習過程.

3）重視獨立創(chuàng)新意識，培養(yǎng)興趣、啟迪思維、開闊眼界、啟發(fā)心智.

4）從研究轉(zhuǎn)化而來、反映時代特色的實驗內(nèi)容和方法交叉融合.

3 《大學物理演示實驗》教材的主要特點

3.1 大學物理演示實驗標準化、規(guī)范化的設計

通過分析大學物理探究的技能和探究的物理本質(zhì)的要素［2］，把演示實驗內(nèi)容與新、奇、味等要素有機結合進行演示實驗設計，這是教材設計大學物理演示實驗的主要思路，使其規(guī)范化、標準化得以有效實施.

大學物理演示實驗走過的歷程是陣痛的，從附屬于理論教學到理論講授與實驗教學分開而自成體系，而現(xiàn)有一些大學將物理演示實驗劃屬于普通物理實驗，學生到演示實驗室表演實驗，而實驗前便知道實驗的結果.本教材注重理論教學與實驗教學的無縫對接，多數(shù)物理演示實驗屬于開放、探究和拓展應用型，學生必須經(jīng)過自主實驗才能得出結論，而且結論可能多元化但又有其標準化的界定.

大學物理演示實驗設計方法的規(guī)范化、標準化，特別強調(diào)“定性描述→物理圖像→整理證據(jù)→分析數(shù)據(jù)→辨認關系→計算結果→比較結果→進行推測→做出解釋→檢驗假設”標準化的流程，用具體的、有梯度的演示實驗內(nèi)容來培養(yǎng)學生在實際演示實驗過程中行為化標定.

教材以演示探究系列和實驗創(chuàng)意制作相交融的形式設計大學物理演示實驗，在標準化流程中其目的是明確和規(guī)范的.現(xiàn)舉教材中“磁路定理的探究實驗”［3］為例進行說明.

3.1.1 標準化的演示實驗流程

1）探測鐵磁材料的相對磁導率μr是該實驗的主要目的，為此需要知道哪些物理量？

向?qū)嶒灱夹g人員提交實驗器材清單→設計探測相對磁導率的實驗方案→GROUP討論→列出實驗步驟→研究組和實驗老師集體研討；

2）集體互相研討交換意見后，綜合集體的意見，可有效合理地設計實驗演示，記錄實驗日志；

3）根據(jù)實驗日志上記錄的實驗步驟，測量磁通、磁阻和磁動勢并記錄數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)估算相對磁導率；

4）與標準值比較并進行數(shù)據(jù)處理；實驗完成后歸位和清零.

3.1.2 規(guī)范化的實驗思考

1）集體匯報實驗數(shù)據(jù)，集體討論實驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)場校驗實驗數(shù)據(jù)，總結經(jīng)驗與教訓；

2）統(tǒng)一思考梯度化的實驗問題：

不同的磁場強度時，磁阻傳感器的電阻值與磁感強度關系有何變化？

為什么各組的實驗數(shù)據(jù)會有一定的差別？

該實驗可有更好的改進方案？

3）集體圍繞著課程內(nèi)容中的重點與難點展開思考與討論，如比較各組的改進方案并推薦最佳方案.

3.2 物理演示實驗活動化、特色化的過程

將物理演示實驗的教學與學生分組進行的探究活動過程有機結合，使得演示實驗過程活動化.這樣設計物理演示實驗可使物理課堂上所強調(diào)的重點、難點問題能在物理演示實驗中得到有效地貫徹［1］.在教材五章的編寫中，實驗過程活動化、特色化的特點得到充分體現(xiàn).

每章的概述十分強調(diào)教學法，向教師建議實驗安排，向?qū)W生建議如何學.為了讓學生感受物理的真實世界，呈現(xiàn)的教學法豐富多彩、花樣翻新.它們相互交織在整個教學活動中，每章分述如下：

3.2.1 第一章物理觀察實驗的特色

1）觀察實驗是鑒賞自然界表演的基本方法，通過感官或儀器有計劃、有目的對事物考察和描述；

2）微觀（2個專題）的觀察實驗專題，介紹了微尺度熱現(xiàn)象和狹義相對論的觀察實驗；

3）宇觀（2個）的觀察實驗專題，介紹了宇宙射線和殘余引力波、微波背景輻射觀察實驗；

4）宏觀（5個專題）觀察實驗專題，增加多層次、多尺度和多功能的蜻蜓翅膀納米結構的觀察實驗；增加流體力學的流動現(xiàn)象的觀察，電磁學非線性電路中混沌現(xiàn)象觀察.

3.2.2 第二章物理隨堂實驗的特色

1）隨堂實驗是主導操作表演示范性實驗，將物理現(xiàn)象展示在學生面前，引導其思考，配合講授或穿插互動討論等方式完成課堂教學任務；

2）以實驗用途、實驗模塊、實驗操作、實驗原理、實驗討論和關于實驗的形式呈現(xiàn)；

3）牛頓馬戲團、焦耳工作室、法拉第俱樂部、菲涅耳珠寶行四大演示箱的制作，現(xiàn)發(fā)展為57個便攜實驗；

4）與通用的教材緊密結合，實現(xiàn)在普通教室內(nèi)邊上課邊實驗，使學生獲得豐富的感覺、直覺，形成鮮明的表象，為物理課堂的助學系統(tǒng)；增加凝聚態(tài)的過橋米線肉片熱傳導實驗.

3.2.3 第三章物理表演實驗的特色

1）表演實驗是指為配合教學內(nèi)容由教師操作示范的實驗，雖然不便于攜帶到課堂，但是無縫對接課堂與實驗教學；

2）物理表演實驗分為基礎、綜合、現(xiàn)代、先進四大系列，現(xiàn)發(fā)展到97個表演實驗；

3）每個實驗均與通用教材的章節(jié)成龍配套，有表演視頻，方便教師帶入課堂，實現(xiàn)課堂對接實驗的理實交融協(xié)調(diào)模式.

3.2.4 第四章物理趣味探究實驗的特色

1）趣探實驗是主體從趣味、自然美引發(fā)問題，通過自主選題與探究，自主設計與制作，自主選材與實驗儀器公司成龍配套等實踐活動，獲得動機不同的趣味情感體驗；

2）趣探實驗有四大探究系列已發(fā)展有41個實驗，印證物質(zhì)世界的確實性；

3）以Leybold和Phywe教具為數(shù)字化平臺讓學生實際動手、趣味觀察、親身體驗；

4）采新獵奇、精釀趣味，追尋現(xiàn)象背后的本質(zhì)和規(guī)律，感受進階探究帶來的樂趣.

3.2.5 第五章物理創(chuàng)意制作實驗的特色

1）創(chuàng)意制作需一定時間進行特定方案的自主構建，突破傳統(tǒng)、引領趨勢的演示作品；

2）簡述創(chuàng)意制作的基本要求、加工技術、黏接技術和設計原理，綜合建構物理體系；

3）物理平衡、變換、放大、模擬、比較和轉(zhuǎn)換六大專題12個實驗嘗試性示例，拋磚引玉，讓創(chuàng)意制作和自制創(chuàng)新成為源源溪流.

3.3 大學物理演示實驗微型化、多元化的方案

為確保物理實驗演示方案與隨堂教材成龍配套，同時能體現(xiàn)隨堂教材的重點和難點，將其演示方案簡化、精練，以就近原則安插在隨堂物理概念、原理、定律等內(nèi)容中，以“表演實驗”的形式出現(xiàn)，共設計了97個短小精悍的表演實驗，表演方案微型化、多元化，如實驗97：高導電率材料的電磁懸浮和熔化演示實驗［4］.

依據(jù)電磁懸浮熔煉技術原理由近代物理系萬樹德老師［4］研發(fā)的高導電率材料電磁懸浮和熔化演示實驗裝置，實現(xiàn)了在實驗室條件下高導電率材料的電磁懸浮和熔化演示懸浮，還有導電體的各種運動如定軸轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動與進動、高速旋轉(zhuǎn)等.具有多元化的演示效果，實驗現(xiàn)象奇妙，將電磁懸浮和熔化的基本原理非常直觀的呈現(xiàn)出來，揭示了淺顯物理原理.

分析和思考：為什么高導電率、低導電率材料可以懸??？在一定范圍內(nèi)為什么不同質(zhì)量導電體可隨機平衡？鐵磁質(zhì)為什么不能懸浮？懸浮材料為什么會產(chǎn)生各種運動？

3.4 物理演示實驗人性化、生活化的內(nèi)容

物理演示實驗在物理教學發(fā)展的歷程中一直保持著輝煌而持久的地位，它不僅僅是觀察物理現(xiàn)象、展示物理過程和探究物理規(guī)律，更是物理思想、精神和文化的制高點，是物理學家智慧的結晶和永垂不朽的靈魂［1］.物理演示實驗之于物理教學的根本生命力在于創(chuàng)新［5］，如何將物理演示實驗內(nèi)容與現(xiàn)實生活世界結合是一個非常重要的問題，為此教材進行了富有創(chuàng)意的構思，從而使實驗設計表現(xiàn)出實驗內(nèi)容“人性化、生活化”的特點.

在教材的“過橋米線里的肉片熱傳導的演示實驗”［1］中，讓學生們遞交一份實驗日志，用令人信服的證據(jù)說明，過橋米線和旋毛蟲里面的物理問題.為了完成這個實驗日志，學生們需要學習熱傳導、熱擴散的概念、物理和數(shù)學的熱傳導方程等內(nèi)容.需要到生活中去收集證據(jù)，采集肉片實驗的數(shù)據(jù).如同涮羊肉厚度及相互疊放、溫度與旋轉(zhuǎn)時間，為此要通過動量、能量等概念來優(yōu)化溫度、時間與殺死旋毛蟲的實驗.

4 思考與啟示

1）《大學物理演示實驗》編寫內(nèi)容從知識導向轉(zhuǎn)換為行動導向，編寫結構從知識邏輯為主線力圖以工作邏輯為主線，融理論學習、技能實訓于一體，使知識傳授與技能培養(yǎng)和諧統(tǒng)一.

2）教材涵蓋面廣，把紛繁復雜的材料調(diào)配到一個大框架中有效地展示給讀者，使教師根據(jù)物理演示實驗的需要方便獲取合適、相對獨立的模塊易于實驗教學，使學生能看到他們之間關聯(lián)，引領學生探索欲望，給學生一個深入探索大量專題的起點［6］.

3）《大學物理演示實驗》編寫是一項系統(tǒng)工程，融多年大學物理演示實驗工作積累、各屆參加演示實驗學生（如中國科學技術大學本科生的“格物致知社團”有益探索）的汗水，特別是一線老師的辛勤的耕耘和無私的奉獻，是一部體現(xiàn)集體智慧和勞動結晶的奮斗史.

5 教學實踐的反饋與結論

《大學物理演示實驗》的編寫力圖體現(xiàn)獨立創(chuàng)新意識，但僅僅探討和嘗試層面，只有通過具體的物理演示實驗實踐以及學生的實際實驗過程來檢驗和不斷發(fā)展.目前，通過理論課程和實踐教學的無縫對接，才剛剛開始.通過物理演示實驗的實踐過程，在教師、實驗技術人員和學生中做了一些調(diào)查，反饋信息如下.

1）實驗教師認為，教學講授量減少了很多，但是為該實驗準備的工作量加大了，而且在物理演示實驗過程中要回答學生提出的問題增加了.

2）實驗技術人員則認為，指導學生實驗技術的工作量也加大了，因為很多實驗組別的學生對同一個演示實驗采用的方法和設計的思路均不同了，沒有一勞永逸的統(tǒng)一方案了，一個實驗相當于指導了10個或更多的實驗了.

3）學生認為，大學物理演示實驗有意思了，也有自主發(fā)揮的余地，個性化色彩濃厚.很多同學在實驗方案設計中出現(xiàn)許多別出心裁的作品，展現(xiàn)出“萬類霜天競自由”的局面.

這只是初步嘗試和局部的調(diào)查，但讓我們深深的感受到，獨立創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不僅須有創(chuàng)新的理念，更須在具體的大學物理演示實驗的實踐活動中得到有效的貫徹、落實與發(fā)展.

［1］盧榮德.大學物理演示實驗［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，2014.

［2］霍劍青.大學物理實驗課程教學基本要求的指導思想與內(nèi)容解讀［J］.物理與工程，2007，1：5-9.

［3］錢仰德，盧榮德.磁路定理實驗儀的研制和應用［J］.大學物理，2011，30（8）：33-35.

［4］萬樹德.高導電率材料的電磁懸浮和熔化演示實驗［J］.大學物理，2015，34（4）：28-32.

［5］Barbara Nagle.Preparing High School Students for the Interdisciplinary Nature of Modern Biology［J］.CBE Life Sci Educ，2013，12（2）：144-147.

［6］盧榮德，程福臻，孫臘珍，等.大學物理演示實驗動感創(chuàng)新教學平臺的探索與實踐［J］.物理通報，2011（1）：42-45.

The thought of compiling《University Physics Demonstration Experiment》

LU Rong-de，CHENG Fu-zhen
（School of Physical Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei，Anhui 230026，China）

The argument in this paper is how to strengthen students’independent innovation consciousness in the textbook of《University Physics Demonstration Experiment》.Supporting my position is that the innovative thinking is mixed point by point through to the practice teaching of demonstration experiment of university physics by the introduction of the compiling of the textbook of《University Physics Demonstration Experiment》.Such a conclusion would be that the cultivation of independent innovation ability not only have innovative ideas，but also be effectively implemented in the practical activities of the university physics demonstration experiment.

universityphysics；teachingmaterialofdemonstrationexperiment；teachingpractice；compiling thought

G 633.7

A

1000-0712（2016）-05-0057-04

2015-08-16；

2016-01-04

安徽省重大教學改革研究項目（2015jyxm006）、中國科學院科普項目（KP2015C10）資助

盧榮德（1968—），男，安徽合肥人，中國科學技術大學物理學院副教授，碩導，主要從事光聲光譜生物檢測技術研究工作.

程福臻，Email：fzhen@ustc.edu.cn.