大學(xué)物理教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新探索
——基于一堂《劈尖干涉》公開(kāi)課的思考

丁云

（蘇州大學(xué)文正學(xué)院光電與能源工程系，江蘇蘇州 215104）

大學(xué)物理是理工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，肩負(fù)理工科人才的科學(xué)思維、科學(xué)方法、工程問(wèn)題解決等能力培養(yǎng)任務(wù)。從物理思維的特征來(lái)看，就“物”論“理”，“物”中有“理”，即“物”想“理”，喻“理”用“物”是物理思維的基本特征[1]。在實(shí)踐教學(xué)中，講授法是最常用的方法之一，但是許多物理知識(shí)抽象、難懂，單純地將概念、原理平鋪直敘地講授給學(xué)生，容易造成學(xué)生學(xué)習(xí)上的興趣喪失。因此，除了講授法之外，教師還可以輔以其他教學(xué)方法，演示實(shí)驗(yàn)法就是高效可行的一種教學(xué)手段。物理有別于其他學(xué)科的一個(gè)重要特點(diǎn)是物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，大部分的物理規(guī)律都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)而來(lái)的，實(shí)驗(yàn)—理論—實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基本模式。因此，實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)必不可少的一部分，在大學(xué)物理教學(xué)中引入演示實(shí)驗(yàn)也變得尤為重要。

雖然在相關(guān)理工科專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃中，通常會(huì)單獨(dú)開(kāi)設(shè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，但是和教學(xué)相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)和一些傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)側(cè)重點(diǎn)有很大的區(qū)別，前者重在引入知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生如何探究物理基本規(guī)律和方法；后者重在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。在大學(xué)物理基礎(chǔ)內(nèi)容的講授方面，教師在課堂上直接向?qū)W生展示與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的示范性實(shí)驗(yàn)，一方面使艱澀難懂的物理知識(shí)變得直觀生動(dòng)，為理論內(nèi)容的講解提供了有力證明；另一方面也激發(fā)了學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、勇于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神，形成科學(xué)的態(tài)度和價(jià)值觀，這對(duì)于理工科的學(xué)習(xí)是至關(guān)重要的。因此，演示實(shí)驗(yàn)，特別一些和日常生活緊密聯(lián)系的演示實(shí)驗(yàn)，能夠較好地提高教學(xué)效果。該文基于一堂《劈尖干涉》公開(kāi)課，探討了演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的重要性以及改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)效果的幾點(diǎn)建議。

1 演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的重要性

1.1 演示生活中的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

物理學(xué)對(duì)大部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，概念、規(guī)律以及原理十分抽象，而直觀的物理現(xiàn)象在生活中無(wú)處不在。因此，在教學(xué)過(guò)程中引入來(lái)源于生活的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行分析，將抽象的物理理論形象化，使學(xué)生感受到學(xué)有所用，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，這也是演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的。

例如，在《劈尖干涉》公開(kāi)課的教學(xué)設(shè)計(jì)中，筆者使用了肥皂膜干涉實(shí)驗(yàn)作為新課引入環(huán)節(jié)，采用了自制的金屬圈為實(shí)驗(yàn)教具，課堂上讓學(xué)生自己用金屬圈制作一個(gè)肥皂膜，觀察肥皂膜的白光干涉現(xiàn)象，效果良好。學(xué)生直觀地觀察到了肥皂膜干涉的彩色條紋，首先對(duì)本章所闡述的光的干涉知識(shí)點(diǎn)有了鞏固的效果，其次對(duì)該節(jié)課所講授的劈尖干涉現(xiàn)象有了直觀的印象。演示實(shí)驗(yàn)來(lái)源于日常生活，這樣使學(xué)生從身邊的生活現(xiàn)象，進(jìn)一步理解物理知識(shí)，掌握物理知識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2 驗(yàn)證所學(xué)知識(shí)，拓展學(xué)生思維

在演示實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中通過(guò)教師的誘導(dǎo)、啟迪，指導(dǎo)學(xué)生透過(guò)表面現(xiàn)象把握事物本質(zhì)，可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及科研創(chuàng)新能力。大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)要努力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，這是目前各高校物理教學(xué)改革的一個(gè)主要內(nèi)容[2]。物理規(guī)律的探索和發(fā)現(xiàn)離不開(kāi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在教學(xué)過(guò)程中教師往往著重于舉例論證或者數(shù)學(xué)推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)規(guī)律的應(yīng)用而忽略了對(duì)物理規(guī)律探索過(guò)程的教學(xué)，因此必須輔以直觀的演示實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)物理規(guī)律的探索過(guò)程，才是真正的科學(xué)精神的傳授。例如，通常在雙縫干涉的教學(xué)過(guò)程中，雙縫干涉規(guī)律的講授是通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)完成的，要求學(xué)生掌握雙縫干涉的特點(diǎn)，學(xué)會(huì)分析明暗條紋的位置。而在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，筆者使用了文正學(xué)院創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小組的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)制作的“可移動(dòng)光學(xué)演示儀”，向?qū)W生展示了雙縫干涉和邁克爾遜干涉儀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生首先觀察雙縫干涉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)雙縫干涉條紋就清晰直觀的感受，再進(jìn)行理論的分析推導(dǎo)，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象量化為物理規(guī)律；而在《劈尖干涉》的教學(xué)中，再一次演示雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，學(xué)生鞏固了既有知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，也主動(dòng)提出問(wèn)題：實(shí)際的雙縫干涉條紋雖然明暗相間，但是各級(jí)明條紋光強(qiáng)顯然不是相等的，并且出現(xiàn)了明條紋的“缺失”現(xiàn)象。這些問(wèn)題的提出為下一章節(jié)光的衍射的講授埋下了伏筆。

另外，在該節(jié)課的最后，再次向?qū)W生演示肥皂膜實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際的肥皂膜干涉與課本上介紹的劈尖干涉的條紋等間距這一特點(diǎn)并不完全吻合，通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生思考“演示的肥皂膜干涉的條紋為什么出現(xiàn)上寬下窄的現(xiàn)象”“為什么條紋從金屬圈的中間部分才開(kāi)始出現(xiàn)”等問(wèn)題。因此，演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親身體驗(yàn)了科學(xué)的探究過(guò)程，既可以幫助學(xué)生驗(yàn)證物理規(guī)律的正確性、鞏固所學(xué)知識(shí)，也引導(dǎo)和開(kāi)發(fā)了學(xué)生的思維能力，鍛煉學(xué)生的綜合分析能力，強(qiáng)化了物理教學(xué)目的。

1.3 失敗的演示實(shí)驗(yàn)是科學(xué)精神的傳授

首先演示實(shí)驗(yàn)都是教師精心設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)的一部分，實(shí)驗(yàn)用具和實(shí)驗(yàn)操作上必須提前準(zhǔn)備，確保實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展，然而實(shí)驗(yàn)失敗也是有可能會(huì)發(fā)生的。所謂“成也物理敗也物理”，教師在教學(xué)過(guò)程中要允許出錯(cuò)不怕出錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)失敗了可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)失敗的原因進(jìn)行探究，找出失敗的原因并提出解決的方法，同樣可以培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和分析問(wèn)題的能力。探索實(shí)驗(yàn)失敗的原因也體現(xiàn)了科學(xué)精神。

2 改進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)效果的幾點(diǎn)建議

2.1 提高學(xué)生參與度，激發(fā)學(xué)生興趣

演示實(shí)驗(yàn)要求簡(jiǎn)單易做，演示給學(xué)生看的同時(shí)也可以讓學(xué)生照著演示自己動(dòng)手做，激發(fā)學(xué)生的動(dòng)手積極性和學(xué)習(xí)興趣。課堂演示實(shí)驗(yàn)儀器除了購(gòu)買(mǎi)成品儀器，還可以根據(jù)實(shí)際需要使用生活中常見(jiàn)的隨手可得的材料制作。例如，肥皂膜干涉實(shí)驗(yàn)，學(xué)生課前拿到了筆者預(yù)先準(zhǔn)備的小號(hào)金屬圈，在課堂演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中就可以自己動(dòng)手做一個(gè)肥皂膜來(lái)觀察現(xiàn)象，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性更高。學(xué)生會(huì)因?yàn)樽约簠⑴c到教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中而產(chǎn)生成就感，進(jìn)一步激發(fā)他們的好奇心和求知欲。

此外，演示實(shí)驗(yàn)的儀器可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)組織學(xué)生開(kāi)展演示實(shí)驗(yàn)儀器的開(kāi)發(fā)和制作。例如，該校物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小組通過(guò)學(xué)院投資、教師指導(dǎo)、學(xué)生組隊(duì)研發(fā)的“可移動(dòng)光學(xué)演示儀”，該平臺(tái)可以展示光的干涉、衍射、偏振等涉及光的波動(dòng)性的所有演示實(shí)驗(yàn)，為大學(xué)物理光學(xué)教學(xué)豐富了實(shí)驗(yàn)儀器的同時(shí)，還培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象鮮明，可見(jiàn)度高

演示實(shí)驗(yàn)面向全體學(xué)生，應(yīng)該做到每個(gè)學(xué)生都能夠清晰地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因此演示實(shí)驗(yàn)的各個(gè)細(xì)節(jié)都要提前進(jìn)行確認(rèn)。然而在我國(guó)大學(xué)物理教學(xué)中，建立專用的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教室的學(xué)校并沒(méi)有很多，演示實(shí)驗(yàn)直接在理論課堂中隨堂進(jìn)行的情況比較常見(jiàn)。如果出現(xiàn)無(wú)法顧及整個(gè)班級(jí)同學(xué)觀察現(xiàn)象的，可以考慮采取提前錄制實(shí)驗(yàn)的方法，在課堂演示的同時(shí)，利用教室多媒體進(jìn)行同步播放，保證所有同學(xué)都能觀察到演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象和結(jié)果。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意引導(dǎo)學(xué)生思考

科學(xué)發(fā)現(xiàn)根植于探究與討論，因此課堂上結(jié)合一些與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)物理演示實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展啟發(fā)式、研討式等教學(xué)活動(dòng)，可為大學(xué)物理理論課教學(xué)注入新的活力[3]。學(xué)生觀察演示實(shí)驗(yàn)，往往被實(shí)驗(yàn)裝置和新奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吸引而忽略了其物理本質(zhì)。教師在演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要時(shí)刻注意引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，提示學(xué)生注意看什么、怎么看。這個(gè)過(guò)程就要求教師在課前精心設(shè)計(jì)提問(wèn)內(nèi)容和方法，引導(dǎo)學(xué)生將具體的現(xiàn)象與抽象的知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，認(rèn)真觀察，積極思考并做好相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)記錄。例如，肥皂膜干涉實(shí)驗(yàn)中，筆者為學(xué)生準(zhǔn)備了下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）你看到了什么現(xiàn)象？（2）你看到了什么顏色的條紋？（3）這些顏色是怎么分布的？ 然后引導(dǎo)學(xué)生記錄觀察到的條紋現(xiàn)象，再開(kāi)始新課《劈尖干涉》的教學(xué)。教師一邊演示一邊提問(wèn)，既可以集中學(xué)生的注意力，還可以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，鍛煉學(xué)生的綜合分析能力，強(qiáng)化教學(xué)目的。

2.4 成立演示實(shí)驗(yàn)室，建立演示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

建立專門(mén)的演示實(shí)驗(yàn)室可以使一些前沿的或者攜帶移動(dòng)不便的演示實(shí)驗(yàn)儀器有用武之地，同時(shí)建立演示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)可以作為一種教學(xué)資源，方便學(xué)生隨時(shí)查閱和學(xué)習(xí)。此外，有了專門(mén)的演示實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于趣味性較強(qiáng)的演示實(shí)驗(yàn)，不僅僅是理工科學(xué)生，文科生也可以通過(guò)開(kāi)設(shè)趣味物理等選修課的形式，學(xué)習(xí)到一些與日常生活密切相關(guān)的物理知識(shí)，感受物理學(xué)的思維方法，提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)為最終目標(biāo)，教師應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)在物理教學(xué)中的重要作用。精心設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)，既豐富了教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)了教學(xué)手段，還提高了教學(xué)質(zhì)量。在大學(xué)物理教學(xué)中引入演示實(shí)驗(yàn)，將抽象、艱澀的物理知識(shí)概念、規(guī)律、原理清晰、直觀地展示給學(xué)生，能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生加強(qiáng)物理規(guī)律理解，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、勇于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神，提高實(shí)踐教學(xué)效果。