物理實驗在線上教學(xué)及新工科建設(shè)中的作用*

李旭光，孫錫良

（中南大學(xué)物理與電子學(xué)院，湖南 長沙 410083）

1 引言

物理學(xué)既是一門理論科學(xué)，又是一門實驗科學(xué)，理論教學(xué)和實驗教學(xué)相輔相成。過去，大學(xué)物理課程在開展線上教學(xué)的時候，遇到的最為突出的問題就是理論與實驗脫節(jié)，甚至是完全就沒有實驗支撐。無論是過去的網(wǎng)絡(luò)資源共享課，還是現(xiàn)在推廣的MOOC金課，都開始突顯實驗教學(xué)之于在線教學(xué)的重要價值[1]?！靶鹿た啤笔侵袊逃ぷ髡邔τ谛滦蝿?、新環(huán)境、新需求下如何培養(yǎng)新型工科學(xué)生達(dá)成的初步共識，實現(xiàn)這一共識的途徑多種多樣，既可以進(jìn)行理論創(chuàng)新，更需要進(jìn)行實踐創(chuàng)新[2]?！靶鹿た啤北仨殲樾录夹g(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)，課程建設(shè)必須增加實驗教學(xué)環(huán)節(jié)[3]。在工科院校，物理演示實驗作為大學(xué)物理課程的一部分，在教學(xué)實踐中起到貫通理論與實踐的作用，重要的實驗即可以延伸為工業(yè)應(yīng)用過程，不同的領(lǐng)域?qū)?yīng)著不同的應(yīng)用場景。

2 演示實驗可將物理理論呈現(xiàn)為有用的應(yīng)用科學(xué)

大學(xué)物理的教學(xué)過程，既要重視經(jīng)典理論的傳授與解惑，也要重視用實驗來證明理論的確定性，因此，大學(xué)物理教學(xué)過程的實踐性改革或許將成為一種趨勢。如果從理論上講直升機(jī)起飛原理，絕大部分學(xué)生難以理解，因為直升機(jī)的起飛與客機(jī)的起飛在原理上有不同之處，不只是涉及伯努力方程。如果能借用一個帶機(jī)翼的直升機(jī)模型做講解，就會發(fā)現(xiàn)角動量守恒原理最直觀的應(yīng)用場景，直升機(jī)旋轉(zhuǎn)，是因為角動量守恒的要求，直升機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，也是因為角動量守恒，只是借助尾翼的平衡作用，把旋轉(zhuǎn)與平衡的現(xiàn)象結(jié)合原理對照講解，學(xué)生們就會豁然開朗，如果利用這個實驗再拓展到直升機(jī)實際飛行要求，還有更多拓展性知識可以延伸，這對航空航天專業(yè)的學(xué)生有非常好的導(dǎo)向作用。一堂好的實驗課，可以讓學(xué)生體驗到大學(xué)物理的“實”——有用的科學(xué)。

表面張力，處處可見，但極少感知它有具體的實際應(yīng)用，一般性的原理講解中，也不會聯(lián)系到工程實踐。實際上，選礦工程中的浮選工藝及環(huán)境處理工藝等都是表面張力的最直接應(yīng)用。根據(jù)表面張力原理，污水中的各類固體污染物黏附在分散的小氣泡上，當(dāng)空氣通入到廢水時，廢水中大量細(xì)小顆粒物共同組成一個相對固定的三相體系，細(xì)小顆粒物會粒黏附到氣泡上面并使氣泡界面發(fā)生張力變化。顆粒黏附于氣泡的多少與顆粒和液體的表面張力有關(guān)。親水性顆粒較易被水潤濕，水分子與顆粒間有比較強(qiáng)的附著力，氣泡不會把水分子推開，因而該類顆粒不易黏附于氣泡上，就不會被除去。與之對應(yīng)的是，疏水性顆粒則容易附著于氣泡上面，從而實現(xiàn)分離。若要用浮選法分離親水性顆粒(如紙漿纖維、煤粒、重金屬離子等)，就必須添加適量的浮選劑，以此改變顆粒表面的張力性質(zhì)，達(dá)到轉(zhuǎn)型為疏水性的目標(biāo)，這樣就會更易于黏附在大量的氣泡上面。合適的浮選劑，具有強(qiáng)大的起泡作用，可使廢水中的空氣形成比較穩(wěn)定的大小氣泡，讓氣浮變得更加容易。

線上教學(xué)如何直觀反映表面張力？實現(xiàn)方法很多，一是可以吹肥皂泡，二是可以小氣筒給松香油吹氣，三可以給有機(jī)硅油吹氣，對比各自形成氣泡的難度和大小，從而可以看出兩相間的表面張力不同。還可以取一塊普通玻璃板，然后把三種液體分別滴一小滴于玻璃板上，然后觀察液滴的形狀，再分析不同液體在同一界面上表面張力的差異。

3 利用物理實驗有效組織移動課堂

過去，物理課只能在線下進(jìn)行，形式非常固定?，F(xiàn)在，線上教學(xué)已經(jīng)可以移植到各類場景。在講授電磁波的時候，可以針對現(xiàn)實生活中人們對電磁輻射的恐懼心理，帶領(lǐng)學(xué)生實地測量各類通信工程設(shè)施附近的電磁場強(qiáng)度。即使是學(xué)習(xí)物理專業(yè)的學(xué)生，在很多情況下，對高壓輸電線路都不敢隨意接近，主要是感覺不安全。不過，如果帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)演示室進(jìn)行一次高壓輸電線實踐操作，對高壓安全性就有了完全不同的理解。大學(xué)物理演示及科普實驗館是大學(xué)物理教學(xué)實踐中開展多年的創(chuàng)新型實踐基地，它可以承擔(dān)各個物理知識點組織移動課堂的任務(wù)。在5G時代，信息傳輸越來越快，也越來越便捷，移動課堂既可以師生協(xié)同進(jìn)行，也可以由老師單獨操作并在線傳輸，讓處于不同時空的學(xué)生都有身臨其境的感受。

在發(fā)達(dá)國家，綜合性大學(xué)都設(shè)有天文專業(yè)，而在中國，總共就幾十所大學(xué)有成體系的天文專業(yè)，天文知識在物理學(xué)教學(xué)過程中都是選擇性一筆帶過，很少做展開，更談不上天文觀測實踐。近年來，大部分高校物理學(xué)院和物理專業(yè)系部，陸續(xù)開始建立起自己的天文小組，并且以選修的形式開展天文教學(xué)，天文觀測儀器越來越緊跟發(fā)達(dá)國家，這為開展集體性天文觀測活動提供了條件，也為實現(xiàn)線上天文觀測提供了可能，白天，可以用日耳鏡觀測太陽黑子，晚上，可以用望遠(yuǎn)鏡展示月球、金星和燦爛星空。野外觀測，只須把觀測到的現(xiàn)象直接通過轉(zhuǎn)接設(shè)備接入到電腦，然后通過網(wǎng)絡(luò)實時傳播到各個學(xué)生手上的觀測終端。

4 借助演示實驗開通創(chuàng)客課堂

2020年的全球疫情給教育活動產(chǎn)生了巨大影響，過去那種老師帶學(xué)生在實驗室開展創(chuàng)新工作就無法開展，“創(chuàng)客”課題無法展開。然而，大學(xué)物理演示實驗室既有基礎(chǔ)理論實驗，又有物理探索性實驗，具備其它實驗所沒有的靈活方式，有條件開展在線創(chuàng)新活動，創(chuàng)客小組可以通過虛擬仿真的方式線上進(jìn)行，由大學(xué)物理老師提出創(chuàng)新課題，通過“騰訊會議”集體討論創(chuàng)新方案，然后確定多路徑創(chuàng)新方向，再分組實驗并提交創(chuàng)新產(chǎn)品。除了開展網(wǎng)上創(chuàng)客課題，還可以組織部分有創(chuàng)新思想的工科學(xué)生以自身專業(yè)為導(dǎo)向進(jìn)行理工結(jié)合的交叉實驗，甚至還可以工程為中心，以個性化實驗設(shè)計、獨立性制造為核心內(nèi)容，參與到大型科學(xué)研究課題中來，如果是以學(xué)生為主的科研實驗過程，可讓學(xué)生對實現(xiàn)的課題成果享有知識產(chǎn)權(quán)。

遠(yuǎn)程充電技術(shù)正在成為人類輸電技術(shù)革命的一個重要研究方向，這項技術(shù)，導(dǎo)入并不困難，但推進(jìn)到工業(yè)應(yīng)用卻非常困難。在線上開展遠(yuǎn)程創(chuàng)新活動可在一定程度上啟發(fā)學(xué)生初步觀察到現(xiàn)象的實現(xiàn)，具體方法可以參照電磁波的發(fā)射與接收，實驗器材只需要準(zhǔn)備J1206型感應(yīng)圈、氖管、干電池、自制天線和導(dǎo)線即可，從氖燈的發(fā)光可以觀察到無線接收電能的可實現(xiàn)性，如果能實現(xiàn)相鄰宿舍的電能傳輸，毫無疑問會激起學(xué)生非常大的研究興趣，以此為路徑起點，可探索工業(yè)用電遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑砑皞鬏斝省?/p>

5 依靠演示物理實驗大力推行在線微課堂

在MOOC教學(xué)正風(fēng)靡全國的同時，SPOC教學(xué)也緊緊跟進(jìn)，大學(xué)物理教學(xué)共享資源課就變得非常重要，如果沒有大學(xué)物理演示實驗作為支撐，共享課互動性差，吸引力也會相當(dāng)差。在線教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)性太強(qiáng)，各高校推出的單元式視頻碎片化問題非常空出，無法幫助學(xué)生深入理解物理概念。為了改變這一局面，在線課堂還可積極探索有生動實驗配套的在線微課堂，在微課堂中，老師分配任務(wù)，學(xué)生組織在線直播，選課班級集體共享視頻場景，學(xué)生討論之后，最后再由老師在線點評實驗現(xiàn)象和拓展應(yīng)用。在線微課堂的教學(xué)重點是培養(yǎng)大學(xué)生的質(zhì)疑精神和求真態(tài)度，不同的指標(biāo)路徑下，會有不同的現(xiàn)象和結(jié)論，從而引伸出不同的工程應(yīng)用分支。通過討論典型問題，及時解決學(xué)生不理解的概念和現(xiàn)象。疫情期間，本課題物理教研組借助十個典型實驗開展“在線實驗微課堂”與“理論示范課堂”的有效結(jié)合，讓線上教學(xué)豐富多彩。

在大學(xué)物理教學(xué)過程中穿插線上實驗微課堂應(yīng)該遵循四個“必須”：實驗材料必須容易獲得；實驗現(xiàn)象必須清晰明顯；實驗現(xiàn)象對物理原理的解釋必須精準(zhǔn)；對實驗結(jié)果的分析必須有拓展性。運動學(xué)實驗可以選擇跳芭蕾舞來闡釋轉(zhuǎn)動慣量，不需要儀器，每個人都可以現(xiàn)場表演。光學(xué)實驗可以選擇光的衍射，只需要一支激光筆和一張硬紙片，選擇光的偏振實驗，只需要網(wǎng)購兩張或多張簡易偏振片。電磁學(xué)實驗跟工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活聯(lián)系緊密，實驗材料最容易準(zhǔn)備，家用微波爐、電磁爐都是教學(xué)工具。

實驗?zāi)康某溯^好地幫助理解物理原理，更重要的目標(biāo)是讓學(xué)生懂得物理理論對工程領(lǐng)域的應(yīng)用價值。講電磁感應(yīng)，講渦流的熱效應(yīng)，可以進(jìn)一步拓展到工業(yè)感應(yīng)電爐的使用，尤其是要求學(xué)生理解工頻、中頻和高頻的實現(xiàn)途徑，以及各自的應(yīng)用范圍，一般性鑄造產(chǎn)品，中低溫合金的生產(chǎn)，高溫合金的生產(chǎn)，各自的設(shè)備選擇和條件選擇都關(guān)系到材料的物理性質(zhì)。

6 把物理實驗有效整合到物理課程教學(xué)資源體系中

演示物理實驗作為大學(xué)物理理論課的輔助教學(xué)過程，幾十年來，能夠共享的理論資源已經(jīng)非常豐富，不過，大多局限于輔助教師，而不是以學(xué)生為中心的傳授過程，因為大家習(xí)慣于把大學(xué)物理視為理論課，而不是與工程相關(guān)的基礎(chǔ)課。如果SPOC教學(xué)以后要實現(xiàn)常態(tài)化，如果大學(xué)物理教學(xué)要適應(yīng)新工科改革，課程資源建設(shè)就必須考慮到實驗資源，尤其是做好與各工程專業(yè)的應(yīng)用場景有效嫁接。

信息化時代，大學(xué)物理教學(xué)改革必須積極推進(jìn)MOOC資源建設(shè)和SPOC教學(xué)模式，在這個進(jìn)程中，大學(xué)物理演示實驗教學(xué)工作者需要建設(shè)的配套資源體系主要有：物理實驗教學(xué)課件，物理實驗課程視頻，重點環(huán)節(jié)的示范課堂交互視頻，移動課堂的實驗視頻，在線微課堂的操作與研討視頻，創(chuàng)新實驗項目的設(shè)計及創(chuàng)新成果報告，物理理論與專業(yè)理論相結(jié)合的交叉型教材體系。

物理演示實驗數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，依循的路徑主要是：力、熱、電、聲、光和電磁學(xué)普通實驗體系；深空科學(xué)與近代物理實驗體系；現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及家庭生活涉及的物理應(yīng)用實驗體系；未來科學(xué)的模擬實驗體系。要把現(xiàn)場實驗、虛擬仿真實驗、計算機(jī)模擬實驗等融為一體，從基礎(chǔ)實驗上著力，在工業(yè)應(yīng)用上深入探究，向未來創(chuàng)新上努力拓展，用不斷完善的實驗數(shù)據(jù)庫為物理教學(xué)和科學(xué)研究服務(wù)。

7 結(jié)語

線上教學(xué)已經(jīng)不只是應(yīng)急需要，必將成為未來的重要教學(xué)模式，單調(diào)的線下教學(xué)模式已經(jīng)一去不復(fù)返。線上教學(xué)和“新工科”建設(shè)重在求新，大學(xué)物理演示實驗必須服務(wù)于SPOC教學(xué)模式，除此之外，創(chuàng)新重點還要服務(wù)于理論教學(xué)有效嫁接各類工程應(yīng)用專業(yè)，實現(xiàn)理論與實踐的交叉融合。大學(xué)物理課堂實驗和在線實驗首先必須能夠讓學(xué)生感受到物理理論的有用性，物理實驗各個操作環(huán)節(jié)還必須能夠體現(xiàn)出師生互動性，部分實驗可以借用虛擬仿真。新型科技產(chǎn)品以越來越迅猛的速度走向市場，這對物理教學(xué)提出了新挑戰(zhàn)，尤其是在物理實驗的拓展講解中，必須體現(xiàn)出最新科技產(chǎn)品的理論支撐點。如果能夠有效地把經(jīng)典物理理論、近現(xiàn)代物理理論、物理實驗教學(xué)和各工程專業(yè)課程教學(xué)融為一體，必定能最大限度地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，大學(xué)物理線下課堂和線上課堂也必將保持雙向旺盛的生命力。