著名物理學(xué)實驗在西藏大學(xué)物理課堂上演示的教學(xué)設(shè)計

周毅 周艷霞

摘? 要：物理學(xué)是一門實踐性很強(qiáng)的基礎(chǔ)科學(xué)，許多經(jīng)典理論都是經(jīng)過反復(fù)實驗、分析、驗證、歸納得出來的。西藏大學(xué)在2019年建成了演示物理實驗室，在分析了以往的實驗室條件及教育教學(xué)水平之后，面對各種各樣不同的生源，通過如何演示經(jīng)典著名實驗、分級教學(xué)模式、其它實踐教學(xué)方法三個方面進(jìn)行了詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計，讓著名的物理學(xué)實驗在大學(xué)物理課堂上演示，豐富教師教育教學(xué)水平，提成學(xué)生科研及學(xué)習(xí)興趣。隨著演示實驗室軟硬件的不斷提高與完善，將為建設(shè)西藏培養(yǎng)更多的靠得住、用得上、留得下的人才。

關(guān)鍵詞：物理實驗;大學(xué)物理;演示;教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）16-0122-05

Abstract： Physics is a fundamental discipline involving practice. A lot of classic theories were concluded after repeated experiments， analysis， verification and induction. Tibet University established its Demonstrative Physics Laboratory in 2019. For this we thoroughly redesigned our teaching process which aims to be suitable for students from various backgrounds， from the aspects of the way to demonstrate classic experiments， grading teaching model and other practical teaching methods， after analyzing our previous conditions of laboratory and teaching level. Therefore， we can increase the teaching level of the faculty and students' interest in study and scientific research by demonstrating famous physics experiences in the college physics class. With the constant upgrading and perfection of the laboratory in both hardware and software， we will cultivate more reliable， practical and loyal talents for Tibet's development.

Keywords： physics experiment; college physics; demonstrate; teaching

一、概述

在物理學(xué)的發(fā)展史上，有許多著名的物理學(xué)實驗幫助我們認(rèn)識并了解大自然。如：馬德堡半球?qū)嶒炞屓藗冋J(rèn)識了大氣壓;牛頓的棱鏡分解太陽光實驗讓眾人了解到太陽光的顏色及太陽光譜[1-4]。各種各樣的經(jīng)典著名的物理學(xué)實驗指引著物理學(xué)的前進(jìn)和發(fā)展方向[5]。在日常的大學(xué)物理相關(guān)課程教學(xué)中，大部分的經(jīng)典理論知識都是由著名的物理學(xué)實驗得出[6-8]。在我校以往的教學(xué)過程中，這些實驗受到實驗室條件及實驗設(shè)備的局限性，并不能完美、靈巧、方便的展現(xiàn)出來，借助實驗去理解理論知識的教學(xué)方法甚少。然而，隨著我校演示物理實驗室的建成，一些曾經(jīng)不方便演示的物理學(xué)實驗出現(xiàn)在實驗室甚至是課堂上，豐富了任課教師的教學(xué)方法，提升了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。

二、西藏大學(xué)《大學(xué)物理》等物理學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

（一）理論教學(xué)與實驗教學(xué)分屬兩門互相獨立的課程

以西藏大學(xué)理學(xué)院為例，根據(jù)2014版培養(yǎng)方案，我院現(xiàn)面向全校開設(shè)《大學(xué)物理》課程，面向物理專業(yè)（包括物理教育與物理實驗方向）開設(shè)力、熱、光、電、原子物理等物理學(xué)基礎(chǔ)課程，這些課程的理論學(xué)時為72學(xué)時，實驗學(xué)時為36學(xué)時。理論課程按照理論課教學(xué)大綱，由物理系教師在理論教室任課，實驗課程按照單獨的實驗課程教學(xué)大綱，由實驗中心教師在基礎(chǔ)實驗室任課，彼此之間聯(lián)系與交流甚少。久而久之，理論課教師基本不進(jìn)實驗室，實驗教師也從來不講理論的現(xiàn)象產(chǎn)生。不管是對于我們?nèi)粘＝虒W(xué)，還是學(xué)生們的學(xué)習(xí)效果都造成了一定消極的影響。

（二）本科物理教學(xué)實驗室現(xiàn)狀

建校初期，如圖1所示：每間實驗室設(shè)計為60m2，物理專業(yè)實驗室總共10間，現(xiàn)隨著高等教育的擴(kuò)招，若一個班學(xué)生按照35人計算，平均每生不到1.8m2，距離高等院校實驗室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)[9]的要求每生5-7m2相距甚遠(yuǎn)，實驗室較擁擠。

實驗設(shè)備臺套數(shù)缺乏。每項實驗最多能準(zhǔn)備6-8套設(shè)備，2-4個學(xué)生為1組進(jìn)行實驗，一次課最多有16名學(xué)生參加，一個班按照35人左右計算，一學(xué)期36個學(xué)時的實驗課，學(xué)生最多學(xué)習(xí)7個實驗，目前實驗課都是將一個班學(xué)生分為兩大組進(jìn)行實驗教學(xué)。

實驗室?guī)熧Y力量不足。目前實驗中心除對本院物理系學(xué)生開設(shè)基礎(chǔ)實驗，還面向數(shù)學(xué)系、工學(xué)院、藏文信息技術(shù)等學(xué)院開設(shè)《大學(xué)物理實驗》課程。但中心目前僅有4名專職實驗教師，教師本身在擔(dān)任大量實驗課的同時，還需承擔(dān)一定行政工作量。

（三）物理類課程生源現(xiàn)狀分析

目前物理類課程學(xué)生主要是理工科的學(xué)生，且每班一半學(xué)生來自區(qū)外，一半學(xué)生來自區(qū)內(nèi)少數(shù)民族地區(qū)，學(xué)生們的知識背景不同，民族文化也存在差異。2017年開始，物理專業(yè)又根據(jù)上級部門要求，招收并培養(yǎng)物理師范實驗方向?qū)W生。不同的生源，不同的培養(yǎng)目標(biāo)，在一成不變的教學(xué)模式下，很難面面俱到，兼顧每位學(xué)生的學(xué)習(xí)。

三、著名物理學(xué)實驗在大學(xué)物理課堂上演示的教學(xué)方法

在教學(xué)效果提高的迫切需求下，在中央支持地方高校改革發(fā)展專項資金的支持下，我校建立了演示物理實驗室，如圖2所示，演示物理實驗室的建成，不僅提高了基礎(chǔ)實驗室的硬件，也讓枯燥的物理課程增加了趣味性，讓老師們找到了更多的教學(xué)方法。

如圖3所示：為了更好的解決提升學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理課程的興趣，我們從實踐及理論兩個方面入手：一是將演示實驗融入大學(xué)物理理論教學(xué)中，二是對引入演示實驗后的教學(xué)效果進(jìn)行分析。

（一）如何演示著名的物理學(xué)實驗

一方面，在大學(xué)物理課程中，加入與理論知識相關(guān)的著名的物理學(xué)實驗[10]。大學(xué)物理類的課程，根據(jù)培養(yǎng)方案，一般都是一周4學(xué)時，每2個學(xué)時一個知識點，在講授這些知識點的前夕，也就是在上課開始時，進(jìn)行一個實驗的演示，不超過5分鐘，這樣也沒有占用過多的理論課時間，也能瞬間吸引學(xué)生興趣。例如：在講授“大氣壓強(qiáng)”這個知識點，我們首先向?qū)W生提出問題：什么是大氣壓強(qiáng)？一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓如何去量化？在理論課的書本上可以得知：氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，即在數(shù)值上等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱所受到的重力;1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（atm）=101325帕斯卡（Pa）。單一接受這些理論概念，有些學(xué)生可能難以理解，也可能提出問題：我們生活在大氣中，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓有十萬多帕斯卡，那為什么我們沒有感受到大氣壓？這些問題，如果老師們再用理論知識去計算，硬生生的得出答案，久而久之，學(xué)生們會覺得枯燥乏味，失去對物理學(xué)的興趣。這個時候，經(jīng)典的物理學(xué)實驗就起到了很好的作用，我們都知道，著名的“馬德堡半球?qū)嶒灐弊C明了大氣壓的存在，這時候如果能夠在課堂上給學(xué)生們演示一下，既能很好的提升學(xué)生們的興趣，也能簡單明了的讓學(xué)生們理解大氣壓強(qiáng)的理論概念，但我們不可能將兩個大大的半球和幾匹馬在狹小的教室里演示，既費時又費力。隨著演示物理實驗室的建成，演示教具也可以帶入課堂。

如圖4所示：兩個簡易的塑料吸盤就可以模擬“馬德堡半球?qū)嶒灐?，僅需要將兩個吸盤貼在一起，擠出它們之間的空氣，大氣就會將它們緊緊的壓在一起，隨機(jī)找兩名學(xué)生讓他們將兩個塑料吸盤拉開，讓他們?nèi)ビH自感受大氣的力量，由于在拉開的瞬間，大氣迅速進(jìn)入吸盤中間，會與吸盤產(chǎn)生劇烈的摩擦，拉開的同時也會伴隨巨大的聲響。從觸覺、視覺、聽覺等多方面讓學(xué)生們感受大氣壓強(qiáng)，這樣就能很好地理解理論知識。如果每個知識點都有一個類似的典型實驗演示，一個學(xué)期下來，演示的實驗至少可以達(dá)到36個，很大的豐富了我們的課堂。

另一方面，在演示實驗應(yīng)用的過程中，加入此類實驗的物理學(xué)背景、物理學(xué)歷史等教學(xué)內(nèi)容，例如：在講授“重力加速度”時，不僅僅演示著名的“伽利略自由落體實驗”，也將當(dāng)時的歷史背景穿插在課程教學(xué)中[11-13]，使學(xué)生們也了解這個實驗為什么在后世廣為流傳，學(xué)習(xí)伽利略的這種勇于批駁謬論，用實驗去驗證真理的科學(xué)精神，不僅增加了教學(xué)的生動性，也從社會科學(xué)的角度增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

（二）針對不同生源、不同培養(yǎng)目標(biāo)的分級教學(xué)模式

西藏大學(xué)各個專業(yè)每年通過高考招收兩類生源的學(xué)生（區(qū)內(nèi)生源及區(qū)外生源），兩類生源的錄取分?jǐn)?shù)線不一樣，區(qū)外生源主要招收區(qū)外漢族同學(xué)，按照當(dāng)?shù)囟九握袖?，區(qū)內(nèi)生源主要招收本地少數(shù)民族同學(xué)，按照區(qū)內(nèi)普通本科招錄。且均招收高海拔定向、國家貧困專項、地方專項生源學(xué)生。一個班的學(xué)生高考分?jǐn)?shù)相差最多甚至達(dá)到256分，不同的教育背景，不同的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)條件，理解知識的能力也是不一樣的，如果按照一個要求去教學(xué)，肯定會出現(xiàn)接受知識水平的不一樣，這就要求我們的教學(xué)模式也必須隨之改變。

根據(jù)上級部門要求，2017年開始，我校招收物理教育與物理實驗方向?qū)W生，物理教育方向主要為西藏自治區(qū)各地區(qū)培養(yǎng)從事中學(xué)物理理論教學(xué)的教師，物理實驗方向主要為西藏自治區(qū)各中學(xué)培養(yǎng)從事物理實驗教學(xué)的教師。不一樣的培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)方法也是不一樣的。物理教育方向著重培養(yǎng)理論教學(xué)能力，物理實驗方向則更看重實驗技能的培養(yǎng)，特別是學(xué)生理解并使用實驗教學(xué)的能力。

在不同生源、不同培養(yǎng)目標(biāo)的現(xiàn)狀下，物理學(xué)演示實驗進(jìn)入日常教學(xué)迫在眉睫，基礎(chǔ)較好的同學(xué)可以利用實驗發(fā)掘更深更高的科學(xué)知識，基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)可以從實驗去理解理論，兩者都從實驗找到了新的學(xué)習(xí)方法。在實驗班級（教育方向）的教學(xué)環(huán)節(jié)中，加入演示實驗，讓學(xué)生學(xué)習(xí)新的實驗教學(xué)手段及方法，也增強(qiáng)了學(xué)生本身的教學(xué)水平，為完成培養(yǎng)目標(biāo)也打下堅實的基礎(chǔ)。

（三）其他有助于課程教學(xué)的實踐方法

第一，演示物理實驗與大學(xué)生創(chuàng)新性實驗相結(jié)合[14]。每年，國家都會組織學(xué)生申報“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目”，目的為培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)水平。演示物理實驗的新穎、生動、趣味性都很好的體現(xiàn)“創(chuàng)新”這個關(guān)鍵詞。越來越多優(yōu)秀的同學(xué)，可以根據(jù)自己的興趣愛好，結(jié)合演示物理實驗，申報創(chuàng)新性實驗。既能很好的運用平常所學(xué)的知識，也增強(qiáng)了自己的科研水平。本科畢業(yè)論文也可以以此為基礎(chǔ)，找到自己的研究方向。

第二，開設(shè)《演示物理實驗》課程。在大學(xué)物理相關(guān)理論課程和實驗課程的基礎(chǔ)上，面向全校開設(shè)《演示物理實驗》通識課。讓更多的同學(xué)，從有趣的物理實驗中重新認(rèn)識物理，發(fā)現(xiàn)物理不僅僅是枯燥的理論和公式，而是發(fā)生在身邊的種種有趣的自然現(xiàn)象。不僅提高了同學(xué)們的科學(xué)素養(yǎng)，也促進(jìn)了演示物理實驗室的軟件建設(shè)[15-16]。

第三，成立“演示物理實驗俱樂部”，“破壞實驗室”等。在建設(shè)西藏大學(xué)演示物理實驗室的前期調(diào)研中，我們走訪了國內(nèi)著名的演示物理實驗室，包括中山大學(xué)、吉林大學(xué)、武漢大學(xué)、重慶大學(xué)等。其中重慶大學(xué)的演示物理實驗室的管理模式很新穎，取名為“重慶大學(xué)物理探索科技館”，其主要管理人員均為碩士研究生甚至本科生。西藏大學(xué)“演示物理實驗俱樂部”的管理人員也可以多讓學(xué)生參加，既能增加熱愛實驗的同學(xué)的學(xué)習(xí)機(jī)會，培養(yǎng)其管理能力，也彌補(bǔ)了西藏大學(xué)實驗室專職教師及管理人員較少的劣勢?！捌茐膶嶒炇摇敝饕亲寣W(xué)生們能夠在實驗室搞“破壞”，我們將以往的一些報廢儀器交給學(xué)生，給他們工具、萬用表等器材，讓他們進(jìn)行破壞，拆卸并修補(bǔ)或者能夠進(jìn)行一些創(chuàng)新的實驗，達(dá)到培養(yǎng)其動手能力，創(chuàng)新能力的一種新穎的教學(xué)方式。

第四，多讓教師及學(xué)生們參加實驗科普科學(xué)表演秀及大學(xué)生實驗設(shè)計大賽等。西藏自治區(qū)自然科學(xué)博物館與西藏大學(xué)有著很好的合作關(guān)系，博物館每年舉辦實驗科普表演秀及大學(xué)生實驗設(shè)計大賽，主要目的是向偏遠(yuǎn)地區(qū)宣傳科學(xué)技術(shù)知識，我們的教師與學(xué)生參與其中，既能發(fā)揮一所高等院校服務(wù)社會的基本職能，也能鍛煉教師與同學(xué)們的實驗技術(shù)能力。

四、結(jié)束語

物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，理論知識非常需要實驗給予依據(jù)和驗證，所以將著名的物理學(xué)實驗在理論課程中演示，把它們緊密結(jié)合起來，是我們目前教學(xué)的基本策略。下一步，在演示物理實驗室中，我們希望能夠建立“大學(xué)物理專用教室”，將物理學(xué)課程直接帶入演示物理實驗室來進(jìn)行，引導(dǎo)學(xué)生主動參與實驗并融入相關(guān)理論知識，通過實驗去理解理論。在這兩步都完善之后，能夠構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)等虛擬平臺，線上線下都可以教學(xué)，實現(xiàn)教學(xué)與學(xué)習(xí)的隨時性，只要想學(xué)，不會受到時間與空間的限制。

西藏大學(xué)作為西藏自治區(qū)唯一一所“211工程”重點建設(shè)大學(xué)、部區(qū)合建高校和“雙一流”建設(shè)高校，承擔(dān)著為西藏自治區(qū)培養(yǎng)一流人才和建設(shè)高原的首要任務(wù)。而理學(xué)院，也曾經(jīng)為自治區(qū)的教育系統(tǒng)培養(yǎng)了千千萬萬的優(yōu)秀教師和干部，提升我們自己的教學(xué)水平，也是提升廣大西藏建設(shè)者的技術(shù)水平。我們也將不斷完善物理學(xué)的教育教學(xué)軟硬件水平，為培養(yǎng)扎根西藏，建設(shè)西藏，發(fā)展西藏的優(yōu)秀人才做貢獻(xiàn)。

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基金項目：西藏自治區(qū)高等教育教學(xué)改革研究項目“大學(xué)物理課程中引入演示物理實驗的教學(xué)改革研究”（編號：JG2019-23）;西藏自治區(qū)教育科學(xué)研究課題“西藏中學(xué)物理演示實驗教學(xué)研究”（編號：XZJKY19420）

作者簡介：周毅（1988-），男，漢族，貴州畢節(jié)人，碩士，實驗師，研究方向：物理實驗教學(xué)。

通訊作者：周艷霞（1992-），女，漢族，四川南充人，碩士，助理實驗師，研究方向：信息技術(shù)實驗教學(xué)。