大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

薄惠豐　魏環(huán)　張占新　王鳳鳴　胡鴻奎

【摘 要】物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要一環(huán)，通過(guò)對(duì)具體物理現(xiàn)象的展示，不僅有助于學(xué)生理解和掌握物理理論知識(shí)，而且還對(duì)于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、思維能力、創(chuàng)新能力、探索精神起著重要作用。本文介紹了華北理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)過(guò)程中開展的工作，包括演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂、開展探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)模式、構(gòu)建大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等，籍此全面培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和綜合實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】演示實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。所有物理定律的形成和發(fā)展都是建立在對(duì)客觀自然現(xiàn)象的觀察和研究的基礎(chǔ)上，物理演示實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生加深對(duì)物理教學(xué)內(nèi)容的理解、鞏固記憶、激發(fā)興趣、誘導(dǎo)思考、糾正錯(cuò)誤觀念，能使學(xué)生真實(shí)感地看到支配物理現(xiàn)象的規(guī)律如何起作用，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察分析，學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)，從理論和實(shí)踐的結(jié)合上加深對(duì)物理學(xué)原理的理解，進(jìn)一步提高學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力與科學(xué)素養(yǎng)。

華北理工大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心作為河北省省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，一直在努力探索建立以工科為主、適用于各類別學(xué)生、具備創(chuàng)新和開拓特色的人才綜合培養(yǎng)新體系。2012年12月，物理實(shí)驗(yàn)中心順利通過(guò)省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心驗(yàn)收。在此期間，物理實(shí)驗(yàn)中心通過(guò)一系列理論研究與實(shí)踐探索，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在現(xiàn)有的三大平臺(tái)：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行模塊化。將“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”作為“通用模塊”，全體學(xué)生必修；將綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，細(xì)化成相應(yīng)的“專業(yè)模塊”，不同專業(yè)的學(xué)生可在相應(yīng)的“專業(yè)模塊”內(nèi)根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣自主決定選修內(nèi)容。初步形成了“大學(xué)物理模塊化”的課程體系。同時(shí)為配合開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，依托校園網(wǎng)建立了物理實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上選課、網(wǎng)上預(yù)約、瀏覽電子教案及典型教學(xué)案例、在線預(yù)習(xí)及模擬實(shí)驗(yàn)。

在省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)過(guò)程中，在學(xué)校的重視以及教務(wù)處等各部門的大力支持下，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心成功建設(shè)了3間演示物理實(shí)驗(yàn)室，教學(xué)內(nèi)容涉及力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、近代物理各個(gè)物理學(xué)分支的，開設(shè)60多項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在為大學(xué)物理課程提供教學(xué)輔助的同時(shí)，每學(xué)年面向全校理、工、文、法學(xué)院各專業(yè)學(xué)生開設(shè)物理實(shí)驗(yàn)欣賞公共選修課程供學(xué)生選修。

近年來(lái)，從大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合我校教學(xué)實(shí)際對(duì)如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、探索精神和實(shí)踐能力等方面對(duì)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了如下探索性改革工作。

1 演示實(shí)驗(yàn)課程緊密結(jié)合理論課程教學(xué)

物理課程教學(xué)是離不開實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的，而演示實(shí)驗(yàn)做為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要一環(huán)，既能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)、物理現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)，又能培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、思維能力和邏輯分析能力，因此，物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)在物理學(xué)課程的教學(xué)中有著非常重要的作用。首先，通過(guò)物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，原本枯燥、抽象的物理概念和公式，經(jīng)過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)的物理過(guò)程，變得生動(dòng)、具體。其次，我們嘗試改變傳統(tǒng)的由教師演示、學(xué)生觀看的課堂教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中引入啟發(fā)式教學(xué)模式，增強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，不僅可以大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與課程的積極性，而且還可讓學(xué)生在思考的過(guò)程中領(lǐng)略物理學(xué)思維方法的魅力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度與精神。最后，在課堂演示教學(xué)后，我們往往將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行拓展，廣泛與生活與實(shí)際應(yīng)用相聯(lián)系，啟發(fā)學(xué)生思考相關(guān)物理現(xiàn)象對(duì)科學(xué)技術(shù)以及人類社會(huì)進(jìn)步的影響與作用，從而起到良好的教書育人效果。在課堂教學(xué)過(guò)程中，我們將一些比較便攜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備直接帶入課堂，直觀的演示給學(xué)生們觀看，如我們針對(duì)角動(dòng)量守恒這一知識(shí)點(diǎn)，將角動(dòng)量守恒演示儀帶入課堂演示給學(xué)生觀看；針對(duì)單縫、光柵衍射等比較抽象的知識(shí)點(diǎn)，直接將半導(dǎo)體激光器以及單縫、雙逢、光柵片代入課堂，在課堂講授相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，直觀演示給學(xué)生觀看。對(duì)于體積較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不便于運(yùn)輸?shù)膶?shí)驗(yàn)項(xiàng)目，我們采取了錄像給學(xué)生觀看的方式，如針對(duì)波動(dòng)中駐波的氣體火焰柱演示，針對(duì)磁學(xué)中超導(dǎo)的超導(dǎo)小火車演示，我們?cè)谡n堂教學(xué)中都在講授相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，同步播放視頻錄像給學(xué)生觀看，使得知識(shí)點(diǎn)更加形象具體，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，教學(xué)效果良好。此外，為了給學(xué)生自學(xué)提供方便，打破課堂教學(xué)時(shí)間、空間的限制，我們將演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的視頻開放提供在物理實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)站上，全校學(xué)生可自由觀看，隨時(shí)隨地對(duì)自己感興趣的內(nèi)容進(jìn)行自學(xué)。

2 開展演示實(shí)驗(yàn)探究性學(xué)習(xí)

我們將大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和探究性實(shí)驗(yàn)兩大類。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)是對(duì)一些物理定律的直觀展示，而探究性實(shí)驗(yàn)則包含更廣泛的物理原理與更多值得討論的物理內(nèi)涵。相對(duì)與驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其更能使學(xué)生通過(guò)演示物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)而得到思維方法與創(chuàng)新能力層面的鍛煉，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力，為學(xué)生向更高層次邁進(jìn)打下良好基礎(chǔ)。在每學(xué)期我們安排有興趣的學(xué)生走進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)室，觀看相關(guān)理論課程的實(shí)驗(yàn)演示。此外，在演示實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，教師精心地為每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了探究性思考題，鼓勵(lì)學(xué)生參與動(dòng)手實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱資料、理論探究、實(shí)驗(yàn)探究、改進(jìn)性探究、拓展性探究和應(yīng)用性探究等多方面開展實(shí)驗(yàn)的科學(xué)探究。實(shí)驗(yàn)室全天開放，相關(guān)實(shí)驗(yàn)室均配備專職實(shí)驗(yàn)教師，可以對(duì)學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)的提供深入的指導(dǎo)。在開展探究性學(xué)習(xí)的過(guò)程中，我們廣泛鼓勵(lì)學(xué)生自由結(jié)組，以校級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為依托，對(duì)自己感興趣的問(wèn)題，自主選題，在有教師指導(dǎo)下自由申報(bào)創(chuàng)新項(xiàng)目，開展相關(guān)課題研究工作。如針對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，學(xué)生在觀看了相關(guān)演示實(shí)驗(yàn)后，提出能不能將電磁感應(yīng)的原理用于為鼠標(biāo)提供電能，在教師的鼓勵(lì)下，幾名學(xué)生組成研究團(tuán)隊(duì)，申報(bào)了校級(jí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并成功獲得資助，此后通過(guò)查閱資料，設(shè)計(jì)方案，反復(fù)試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，成功設(shè)計(jì)完成了自供電鼠標(biāo)原型，相關(guān)項(xiàng)目也順利通過(guò)驗(yàn)收結(jié)題。學(xué)生們?cè)谕瓿裳芯抗ぷ骱?，反映通過(guò)對(duì)課題的系統(tǒng)研究，全面鍛煉了自己的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，為自己進(jìn)一步發(fā)展，向更高層次邁進(jìn)打下了基礎(chǔ)。再如，學(xué)生觀看了傅科擺的演示后，提出能不能將太陽(yáng)能供電與傅科擺演示相結(jié)合，做成太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的環(huán)保演示實(shí)驗(yàn)，在教師的幫助支持下，相關(guān)幾個(gè)學(xué)生組成的研究團(tuán)隊(duì)也成功申報(bào)了校級(jí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 構(gòu)建大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室

在教學(xué)改革中，我們構(gòu)建大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，在整合物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有多余的實(shí)驗(yàn)儀器或舊儀器，收集舊設(shè)備、舊散件、舊材料的基礎(chǔ)上，添置多功能溫控焊臺(tái)、教學(xué)實(shí)踐用組合電動(dòng)工具等，結(jié)合學(xué)校每年舉辦的創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，建設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐基地，面向全校學(xué)生開展創(chuàng)新競(jìng)賽，對(duì)富有創(chuàng)新性的項(xiàng)目給予軟硬件支持。學(xué)生可以自行安排時(shí)間到創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐并有實(shí)驗(yàn)室教師給予針對(duì)性的指導(dǎo)，好的獲獎(jiǎng)作品針對(duì)性的予以陳列展示，啟發(fā)學(xué)生的思維，結(jié)合我?，F(xiàn)有3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室，逐步建立科技演示室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、作品展示陳列室等。最大限度發(fā)揮基地為學(xué)生提供充分發(fā)揮潛力和創(chuàng)造力的平臺(tái)的作用。促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，也培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和合作精神。學(xué)生參與創(chuàng)新活動(dòng)，推動(dòng)和促進(jìn)基地的建設(shè)和發(fā)展。實(shí)施過(guò)程中師生合作共同參與項(xiàng)目研究的全過(guò)程，創(chuàng)建“項(xiàng)目探究式學(xué)習(xí)”模式。同時(shí)采用“學(xué)生負(fù)責(zé)制”的方式進(jìn)行，“學(xué)生負(fù)責(zé)制”是指學(xué)生自己負(fù)責(zé)提出項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容與實(shí)施方案，然后由教師組織學(xué)生討論，論證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可行性。如項(xiàng)目可行，學(xué)生及自己組成的研究團(tuán)隊(duì)將主導(dǎo)整個(gè)研究過(guò)程。在實(shí)踐過(guò)程中，我們的指導(dǎo)教師在學(xué)生的創(chuàng)新項(xiàng)目中擇優(yōu)進(jìn)行推薦，成功申報(bào)立項(xiàng)全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目一項(xiàng)、河北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目一項(xiàng)、校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目十余項(xiàng)。

4 引入啟發(fā)式教學(xué)模式

面對(duì)不同專業(yè)、不同學(xué)科層次組成的學(xué)生，物理實(shí)驗(yàn)欣賞課程中我們引入了啟發(fā)式教學(xué)模式。傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)課程往往是通過(guò)教師機(jī)械的操作實(shí)驗(yàn)儀器，講解實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的過(guò)程來(lái)完成的。而我們所采取的啟發(fā)式教學(xué)模式，首先由教師帶領(lǐng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)儀器，分析儀器設(shè)備構(gòu)造，這使得對(duì)于機(jī)器設(shè)備沒(méi)有相關(guān)操作經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)的文科類學(xué)生也能了解一些基本的儀器設(shè)備知識(shí)，為進(jìn)一步自己動(dòng)手操作演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備打下基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上由教師提出問(wèn)題，學(xué)生們動(dòng)手操作演示實(shí)驗(yàn)儀器觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在師生互動(dòng)討論過(guò)程中總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析其中物理機(jī)制。

通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)實(shí)踐與不斷改進(jìn)，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的參與意識(shí)，增強(qiáng)主觀能動(dòng)性，而且讓學(xué)生能自主發(fā)揮想象力，不受實(shí)驗(yàn)教材中條條框框的限制，真正實(shí)現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際。開課以來(lái)，學(xué)生興趣濃厚，經(jīng)常是下課后還在實(shí)驗(yàn)室流連忘返，不是在觀看實(shí)驗(yàn)演示，就是在探討實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象，或者思考在實(shí)踐中的應(yīng)用。他們普遍反映，演示實(shí)驗(yàn)儀器種類多、內(nèi)容新，既有古老的經(jīng)典演示實(shí)驗(yàn)，又有新的融合多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的演示實(shí)驗(yàn)，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，大學(xué)物理的理論知識(shí)不再那么抽象、枯燥、平淡難懂了，變得直觀、生動(dòng)、有趣，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力有很大的幫助，且與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系緊密。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂，開放大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的手段，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)課程的精確銜接，我們探索構(gòu)建了一套具有工科院校學(xué)科特色的課程體系。籍此培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)精神，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力，鍛煉學(xué)生社會(huì)實(shí)踐能力，提高學(xué)生的社會(huì)核心競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)通識(shí)教育體系下創(chuàng)新應(yīng)用型人才的培養(yǎng)具有重要意義，并可為其他基礎(chǔ)學(xué)科與專業(yè)課程教學(xué)改革提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)與參考，探索出一條適合工科為基礎(chǔ)的綜合性大學(xué)基礎(chǔ)課程體系改革之路。

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[責(zé)任編輯：王楠]