大學(xué)物理隨堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐

王瀧瑤 高 謙 陳庭康 汪志強(qiáng) 李姚波 陳勁帆

（中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院 天津 300300）

物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)的發(fā)展過程中占據(jù)十分重要的地位[1]，許多著名物理學(xué)定律的建立都離不開物理實(shí)驗(yàn)，而在教學(xué)過程中物理實(shí)驗(yàn)更是學(xué)生理解和掌握物理學(xué)原理的重要手段。演示實(shí)驗(yàn)以最直觀的方法展示物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的觀察創(chuàng)新能力。國家教育部下發(fā)的《非物理類理工科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》文件中強(qiáng)調(diào)：“大學(xué)物理課程的主要內(nèi)容中都應(yīng)有演示實(shí)驗(yàn)（實(shí)物演示和多媒體仿真演示），其中實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的數(shù)目不應(yīng)少于40個(gè)”[2]。從國家引導(dǎo)一線教師把物理演示實(shí)驗(yàn)融于日常教學(xué)當(dāng)中，同時(shí)鼓勵(lì)一線教師勇于創(chuàng)新，因地制宜，根據(jù)各自學(xué)校自身的情況，引入或研發(fā)與課程相關(guān)的物理演示實(shí)驗(yàn)儀器，開展豐富多彩的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使大學(xué)物理課程變得不再枯燥。此外，在很多高校要求縮減大學(xué)物理課課時(shí)的大環(huán)境下，做好演示實(shí)驗(yàn)這一輔助環(huán)節(jié)可以很好地緩解學(xué)生因?yàn)闇p課時(shí)而學(xué)不好物理這種尷尬局面。

1 物理演示實(shí)驗(yàn)的作用

物理學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門科學(xué)所有的物理概念、物理規(guī)律都是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上抽象和總結(jié)出來的。隨著教學(xué)改革的深入，演示實(shí)驗(yàn)越來越被人們重視，在物理教學(xué)方面發(fā)揮著重要作用。（1）演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生創(chuàng)造更好的學(xué)習(xí)物理的環(huán)境。在物理課堂教學(xué)上，教師在學(xué)生面前一邊講解，一邊操作演示能夠活躍課堂氣氛，營造出更好的物理學(xué)習(xí)氛圍，溝通師生之間的感情。

（2）演示實(shí)驗(yàn)有效地培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析及實(shí)踐能力。在物理教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力是一項(xiàng)重要任務(wù)，而利用演示實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行У貛椭鷮W(xué)生分析物理現(xiàn)象和物理過程，分析物理現(xiàn)象的真?zhèn)翁搶?shí)，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。

（3）演示實(shí)驗(yàn)有效地激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣、加深對(duì)概念和原理的理解。對(duì)于難以想象和理解的物理問題，若能展示一個(gè)清晰的演示實(shí)驗(yàn)，就能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，同時(shí)建立直觀的物理圖像形成感性認(rèn)識(shí)，有利于對(duì)物理現(xiàn)象、概念和規(guī)律的理解。如，在波動(dòng)光學(xué)課程中，我們利用便攜式邁克爾遜干涉儀演示光的干涉現(xiàn)象，學(xué)生可以清晰地觀察到干涉條紋，這不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還加深了對(duì)概念和原理的理解。

（4）演示實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際。如通過光的色散演示實(shí)驗(yàn)，生動(dòng)地把光的色散現(xiàn)象搬到大學(xué)物理課堂上，使學(xué)生們?cè)谡n堂上直觀地看到了光的色散現(xiàn)象，清晰地拍攝了色散光譜，讓學(xué)生形象地認(rèn)識(shí)到雨后彩虹產(chǎn)生的原理，既豐富了課堂教學(xué)，又加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)色散現(xiàn)象及原理的理解[3]。

演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理課程中有著積極作用。一般在大學(xué)物理課程中只討論有關(guān)概念、原理方面的問題，也就是思維能力的訓(xùn)練，因物理模型與實(shí)際脫節(jié)較大，學(xué)生難免感到空洞乏味，不利于實(shí)際能力的培養(yǎng)。將演示實(shí)驗(yàn)引入課堂中，就能彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，促進(jìn)了大學(xué)物理整體的教學(xué)質(zhì)量，更有利于培養(yǎng)未來科學(xué)頂尖人才的需要[4]。

總之，演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中起到了積極的促進(jìn)作用，在現(xiàn)代教學(xué)中應(yīng)大力發(fā)展演示實(shí)驗(yàn)，并使之與物理教學(xué)有機(jī)結(jié)合[4]。

2 構(gòu)建便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)體系

鑒于演示實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生觀察物理現(xiàn)象，增加感性知識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣等方面的獨(dú)特作用，《非物理類理工科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》明確表明應(yīng)充分利用演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生觀察物理現(xiàn)象[5]。物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，但由于當(dāng)前很多高校將理論課與實(shí)驗(yàn)課單獨(dú)設(shè)課，加之儀器臺(tái)套數(shù)、實(shí)驗(yàn)場所等條件限制，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課與理論課沒有辦法同步進(jìn)行，使理論課超前或滯后實(shí)驗(yàn)課，導(dǎo)致教學(xué)效果大打折扣?，F(xiàn)行的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使用的儀器體積龐大，條件好的高等院校有演示實(shí)驗(yàn)儀器庫方便理論課堂演示。但是大部分地方高校的演示實(shí)驗(yàn)室與大學(xué)物理理論課不在同一座樓內(nèi)，使傳統(tǒng)的體積龐大的儀器無法在理論課堂上現(xiàn)場演示。

便攜式大學(xué)物理課堂演示儀器體系可以解決這一問題。便攜式物理實(shí)驗(yàn)演示儀體積小、重量輕，可以在理論課堂上靈活使用。這可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。構(gòu)建便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)儀器體系需要結(jié)合現(xiàn)行大學(xué)物理教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容等方面綜合考慮。全新的課堂演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、振動(dòng)與波動(dòng)以及近代物理等內(nèi)容?？梢圆捎脧狞c(diǎn)到面，從少到多的思路，逐步研發(fā)可以涵蓋物理學(xué)所有分支的演示實(shí)驗(yàn)。這個(gè)工作需要結(jié)合實(shí)際教學(xué)過程綜合考慮，先研發(fā)當(dāng)前急需的、容易實(shí)現(xiàn)的，使用頻率比較高的演示實(shí)驗(yàn)儀器，后研發(fā)教學(xué)性價(jià)比低的儀器，最終形成一定的體系和規(guī)模。

3 改革物理演示教學(xué)模式

長久以來，物理的學(xué)習(xí)通常是由實(shí)驗(yàn)來引入的。學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來理解物理概念，提高物理興趣，然而這將面臨一個(gè)問題：不方便帶入課堂的實(shí)驗(yàn)儀器該怎么辦？所以很多演示實(shí)驗(yàn)都是由播放視頻來完成的，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有現(xiàn)場演示更能吸引學(xué)生。我們將通過構(gòu)建便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)體系來改革物理演示教學(xué)模式，由播放視頻演示逐漸轉(zhuǎn)化為課堂現(xiàn)場演示，更大限度地激發(fā)學(xué)生們的創(chuàng)造力，開展豐富多彩的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使大學(xué)的物理課堂不再枯燥。便攜式實(shí)驗(yàn)儀器可以更好地與課堂理論知識(shí)相結(jié)合，更易攜帶，且方便傳閱，使每個(gè)同學(xué)都能切實(shí)地參與到實(shí)驗(yàn)中，而不再是僅僅依靠觀察來“參與”實(shí)驗(yàn)。

便攜式物理實(shí)驗(yàn)儀器走進(jìn)課堂可以增加物理課程的系統(tǒng)性和完整性，很多高校要求縮減大學(xué)物理課課時(shí)，演示實(shí)驗(yàn)可以更好地縮短在這種大環(huán)境下所造成的適應(yīng)期，使同學(xué)們更好地融入到物理學(xué)習(xí)中去。幾乎每節(jié)課教師都要做幾個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，而且能動(dòng)手的絕不放視頻，有條件讓學(xué)生自己做的絕不由老師代替動(dòng)手。演示實(shí)驗(yàn)給人留下了深刻的印象而且化抽象為具體，將書本中模糊的概念呈現(xiàn)在眼前，學(xué)生印象更為深刻。

4 改進(jìn)和創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)儀器

由上文可以了解到，很多實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)課堂但是效果不好的原因主要為：體積過大不方便攜帶。之前的儀器不僅為授課教師增添負(fù)擔(dān)，還因?yàn)橹荒茉谥v臺(tái)上操作而不能清晰地向?qū)W生們展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程。為了解決這些問題，在設(shè)計(jì)新型實(shí)驗(yàn)儀器時(shí)我們盡可能地減小儀器的體積與質(zhì)量，重點(diǎn)突出其“便攜”與“小型”的特點(diǎn)，為此我們已經(jīng)完成了實(shí)驗(yàn)儀器外殼的自主設(shè)計(jì)與制作。與此同時(shí)，我們改變了實(shí)驗(yàn)的展示方式，在實(shí)驗(yàn)儀器背部添加了可吸附于黑板上的強(qiáng)磁體，從講臺(tái)的水平面展示轉(zhuǎn)化為吸附在黑板上的豎直面展示，使學(xué)生們能更加清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。而且由于其兩個(gè)突出的特點(diǎn)，同學(xué)們能夠更方便地傳看實(shí)驗(yàn)儀器。由此可見：對(duì)比老式實(shí)驗(yàn)儀來講，新型實(shí)驗(yàn)儀顯然與現(xiàn)在的教學(xué)環(huán)境更加匹配，更能激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)儀器還配有一個(gè)金屬收納盒，便于攜帶的同時(shí)也降低了儀器的破損率。

舉一個(gè)例子，為一個(gè)便攜式角動(dòng)量守恒演示儀，其主要由角動(dòng)量守恒系統(tǒng)和底盤組成，系統(tǒng)可拆卸放入件數(shù)手提箱中，在方便攜帶的同時(shí)也最大可能地降低了實(shí)驗(yàn)儀器的破損率，且實(shí)驗(yàn)儀器底部也裝有強(qiáng)磁體，可吸附在黑板上來演示，更加直觀的展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不僅可以使學(xué)生對(duì)角動(dòng)量守恒和角動(dòng)量定律等抽象規(guī)律有一個(gè)直觀的了解，更能聯(lián)系實(shí)際生活，知道并理解直升機(jī)螺旋槳和尾翼的作用。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校物理教學(xué)的重要組成部分，演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生觀察科學(xué)和探索物理規(guī)律的能力。但是演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)未來發(fā)展方向和前景還有很多不確定因素。本文從構(gòu)建便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)體系、改革物理演示教學(xué)模式、改進(jìn)和創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)儀器三個(gè)方面進(jìn)行研究，探索大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展規(guī)律與方向，讓更多的老師重新認(rèn)識(shí)到演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)課堂的重要性。實(shí)驗(yàn)與物理教學(xué)相結(jié)合推進(jìn)物理教學(xué)系統(tǒng)的改革，使更多的人感受到物理的魅力，教學(xué)系統(tǒng)隨之也變得系體化，模塊化。

新型便攜式實(shí)驗(yàn)儀器的主要特點(diǎn)為：便攜、小型、背附強(qiáng)力磁石，打破了傳統(tǒng)課堂實(shí)驗(yàn)體系的桎梏，為現(xiàn)代物理教學(xué)注入新鮮的血液。