基于便攜式課堂演示實(shí)驗(yàn)的大學(xué)物理教學(xué)探索與實(shí)踐

秦 哲，楊廣武，胡雪蘭，陸小翠，馬增紅

(1. 中國民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300；2. 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，天津 300350 )

演示實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的重要途徑[1]. 物理課堂演示實(shí)驗(yàn)以最直觀的方式為學(xué)生展示物理現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高觀察能力，探索物理規(guī)律. 近幾年，很多文獻(xiàn)針對物理演示實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)教學(xué)對比、教學(xué)管理與實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)和教學(xué)模式創(chuàng)新等方面做了深入的探討[2-9].

雖然關(guān)于演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)法和體系建設(shè)的討論已經(jīng)比較廣泛，但是物理演示實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)過程中的利用率和教學(xué)效果仍然不盡人意[8]. 只有不斷進(jìn)行理念創(chuàng)新和實(shí)踐創(chuàng)新，將演示實(shí)驗(yàn)更好地應(yīng)用到物理教學(xué)過程中，才能進(jìn)一步提高大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量. 基于此本文從高校演示實(shí)驗(yàn)儀器使用現(xiàn)狀和問題出發(fā)，介紹便攜式隨堂演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開發(fā)、設(shè)計(jì)思路以及推廣情況，最后通過演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)入課堂的教學(xué)實(shí)踐、學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、物理課堂演示實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建等方面探索大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展方向.

1 高校演示實(shí)驗(yàn)使用現(xiàn)狀調(diào)查與分析

項(xiàng)目組根據(jù)目前各高校使用演示實(shí)驗(yàn)情況和存在的問題，分別面向高校物理教學(xué)負(fù)責(zé)人、理工類物理教師、理工類學(xué)生，通過微信小程序“問卷星”發(fā)起問卷調(diào)研,收回問卷樣本分別為60、970和164份. 如圖1所示，高校所屬類別分布以問卷樣本總數(shù)計(jì)算，地方院校約占59%，部屬院校約占35%，獨(dú)立學(xué)院約占6%. 因此針對演示實(shí)驗(yàn)使用現(xiàn)狀的問卷調(diào)查具有一定代表性.

圖1 問卷調(diào)查高校所屬類別分布圖

1.1 課堂演示實(shí)驗(yàn)利用率低

通過對大學(xué)物理課程負(fù)責(zé)人的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分高等院校擁有物理演示實(shí)驗(yàn)室或演示實(shí)驗(yàn)儀器存放室. 但是如圖2所示，以課程負(fù)責(zé)人總數(shù)計(jì)算，83.3%的高校在理論課堂使用演示實(shí)驗(yàn)數(shù)量占本學(xué)院已有演示實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量的比例明顯小于二分之一，課堂演示實(shí)驗(yàn)利用率很低. 經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)學(xué)院采用演示實(shí)驗(yàn)單獨(dú)開課、學(xué)生定期到演示實(shí)驗(yàn)室上課的教學(xué)形式，而演示實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排很少，一般不足6學(xué)時(shí).

圖2 高校課堂所使用的演示儀器占總演示儀器數(shù)量的比例分布圖

1.2 多數(shù)演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)出課堂不方便

如圖3所示，通過對大學(xué)物理教師的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為實(shí)物演示輔助課堂教學(xué)效果較好的教師比例最高，占所調(diào)查物理教師總?cè)藬?shù)的84.8%. 教師普遍反映學(xué)生對課堂實(shí)物演示很感興趣，且實(shí)物演示具有視頻和動畫演示無法替代的作用. 但是通過調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)教師因?yàn)檎n程學(xué)時(shí)緊張和實(shí)驗(yàn)儀器操作不方便，在理論課堂上只是偶爾使用或基本不用實(shí)物演示，且只有部分教師能熟練使用課堂演示儀器. 另外，教師更傾向于使用方便搬運(yùn)的小型便攜式儀器來進(jìn)行課堂輔助教學(xué).

圖3 高校教師對演示實(shí)驗(yàn)、視頻和仿真認(rèn)可度分布圖

1.3 課堂演示效果達(dá)不到學(xué)生期望值

如圖4所示，通過對理工類本科生的問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以調(diào)查本科生總數(shù)計(jì)算，在物理課堂上僅有52.1%的教師經(jīng)常使用實(shí)物演示實(shí)驗(yàn). 分析原因，可能與院校物理演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)形式較為多樣化有關(guān).有安排定期開放演示實(shí)驗(yàn)室的，有將演示實(shí)驗(yàn)編入分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)的，也有在理論課堂上進(jìn)行隨堂演示教學(xué)的. 但學(xué)生普遍認(rèn)為隨堂物理演示實(shí)驗(yàn)與理論課同步性更好，且課堂演示實(shí)驗(yàn)對提升學(xué)習(xí)興趣、知識理解、動手實(shí)踐、觀察能力、解決問題和創(chuàng)新等能力有幫助.

圖4 教師課堂使用演示實(shí)驗(yàn)頻次分布圖

總之，通過問卷調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，目前大部分理工類高校雖然開展與演示實(shí)驗(yàn)相關(guān)的教學(xué)工作，但是在使用效果和利用率上都不盡如人意，很多高校只關(guān)注有還是沒有演示實(shí)驗(yàn)，而并不強(qiáng)調(diào)是否能有效地利用，所以導(dǎo)致演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)只流于形式. 目前，很多高校的演示實(shí)驗(yàn)儀器閑置率高，再加上儀器長期不使用故障率也很高，進(jìn)而在教學(xué)中使用頻率逐漸降低，加上對儀器的維護(hù)、保養(yǎng)和管理工作不到位，久而久之形成不良循環(huán)，這與當(dāng)初建設(shè)演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的初衷背道而馳.

2 便攜式隨堂演示實(shí)驗(yàn)儀開發(fā)與推廣

通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前高校教師和學(xué)生對物理演示實(shí)驗(yàn)的需求比較急迫，但是當(dāng)前大部分演示實(shí)驗(yàn)儀器體積大、且比較笨重，即便一線教師可以根據(jù)教學(xué)大綱適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度，為隨堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)留出時(shí)間，許多物理演示儀器也不便于教師隨堂攜帶展示. 這在很大程度上降低了教師在課堂演示物理實(shí)驗(yàn)的積極性.

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)鑒于此開發(fā)和設(shè)計(jì)了便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)儀.此類儀器具有體積小、重量輕、演示效果好且方便攜帶等特點(diǎn)，特別適合大學(xué)物理隨堂教學(xué)演示. 部分儀器除了可以在講桌上演示，還可以吸附于黑板上，坐在后排的同學(xué)也可以清楚的看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，演示效果更好. 項(xiàng)目組自2013年開始根據(jù)一線教師理論教學(xué)需求研制便攜式大學(xué)物理課堂演示儀器，重點(diǎn)開發(fā)研制了涉及力學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)等模塊的一系列便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)儀并申請國家專利. 目前已經(jīng)開發(fā)物理演示實(shí)驗(yàn)儀器15套，申請專利12項(xiàng)，已經(jīng)授權(quán)10項(xiàng)，演示儀器目錄如表1所示.

表1 便攜式物理演示實(shí)驗(yàn)儀目錄

項(xiàng)目組研發(fā)的演示儀器與傳統(tǒng)物理演示儀器相比，最大的特點(diǎn)在于便攜式和可吸附于黑板上演示.此外，部分演示實(shí)驗(yàn)儀還可以實(shí)現(xiàn)定量測量. 以便攜式波動光學(xué)演示儀為例，本演示儀器涵蓋波動光學(xué)大部分教學(xué)內(nèi)容，如雙縫干涉、單縫衍射、單絲衍射、小孔衍射、一維光柵、二維光柵、光的偏振等，且使用紅綠兩種波長的激光器做為光源. 演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，整套儀器可以放于長36 cm、寬24 cm、高10.5 cm的手提箱中，方便攜帶和保存. 傳統(tǒng)波動光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器因?yàn)橛斜容^長的光學(xué)導(dǎo)軌和種類繁多的光學(xué)器件，不適合隨堂攜帶和演示，因此便攜式波動光學(xué)演示儀用于物理課堂演示教學(xué)的好處不言而喻. 項(xiàng)目組根據(jù)一線教師的需求設(shè)計(jì)和開發(fā)便攜式隨堂演示儀器的目的也在于此. 另外，本系列演示實(shí)驗(yàn)儀配套有《便攜式大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教程》(內(nèi)部講義，待出版)，可以向相關(guān)高等院校推廣與應(yīng)用. 目前已經(jīng)有20多所高校使用了項(xiàng)目組開發(fā)的便攜式物理演示儀，并提出了寶貴的反饋意見，為開發(fā)更高質(zhì)量的演示儀器提供了幫助.

圖5 便攜式波動光學(xué)演示儀

3 基于便攜式隨堂演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

3.1 教學(xué)實(shí)踐

筆者所在的中歐航空工程師學(xué)院旨在系統(tǒng)引進(jìn)法國精英工程師教育理念和培養(yǎng)模式，培養(yǎng)兼具寬厚數(shù)理基礎(chǔ)、完備工程能力和綜合創(chuàng)新能力，能勝任研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、適航、運(yùn)行等航空全產(chǎn)業(yè)鏈工作的國際化復(fù)合型人才[10]. 學(xué)院物理教學(xué)內(nèi)容及要求更接近物理專業(yè)要求，演示實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生物理思維的重要一環(huán). 以下是筆者在大三下學(xué)期波動光學(xué)“單縫衍射”教學(xué)過程中，隨堂使用便攜式波動光學(xué)演示儀的教學(xué)案例，演示儀實(shí)物圖如圖6所示，單縫縫寬可調(diào)，儀器裝有紅綠激光光源.

圖6 波動光學(xué)演示儀單縫模塊

在課堂中根據(jù)惠更斯-菲涅耳衍射理論推導(dǎo)出單縫衍射中央明條紋寬度公式為

(1)

其中D為單縫與觀測屏幕距離，a為縫寬，λ為激光器光源波長.

隨堂教學(xué)中可以使用演示實(shí)驗(yàn)定量驗(yàn)證的教學(xué)方法，先固定演示儀器與黑板觀測屏距離，讓學(xué)生仔細(xì)思考和觀察中央明紋寬度與縫寬變化的關(guān)系. 此外，通過同時(shí)打開波長為532 nm的綠光和650 nm的紅光光源，并固定單縫縫寬，讓學(xué)生觀察中央明紋寬度與波長的關(guān)系. 通過理論和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比教學(xué)，學(xué)生對衍射理論理解更深入. 課后感興趣的同學(xué)還可以在教師指導(dǎo)下對演示儀器進(jìn)行實(shí)際操作和討論，拓寬學(xué)生的知識面. 當(dāng)然教師還可以根據(jù)學(xué)院學(xué)生情況靈活設(shè)計(jì)和安排隨堂演示教學(xué)活動，提升教學(xué)效果. 圖7為筆者在疫情期間以線上線下相結(jié)合的方式，進(jìn)行單縫衍射理論教學(xué)過程中使用便攜式波動光學(xué)演示儀，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的實(shí)拍照片. 課后學(xué)生普遍表示比之前純理論推導(dǎo)教學(xué)更有興趣，收獲更多.

圖7 單縫衍射演示儀隨堂教學(xué)展示

3.2 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

教師可以通過指導(dǎo)學(xué)生申請立項(xiàng)、申請專利、參加比賽，充分調(diào)動學(xué)生主觀能動性，有效地激勵學(xué)生的自主創(chuàng)新意識. 近年來，項(xiàng)目組老師指導(dǎo)學(xué)生研制課堂演示儀器，獲批校級以上學(xué)生科技立項(xiàng)7項(xiàng)，內(nèi)容包括“便攜式分辨本領(lǐng)演示儀”“磁吸式角動量守恒演示儀”“便攜式牛頓環(huán)演示儀”和“磁吸附式邁克耳孫干涉演示儀”等. 此外，2019年學(xué)生以申請授權(quán)專利作品“便攜式分辨本領(lǐng)演示儀”參加北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽，獲二等獎，2020年“自動控制波動光學(xué)演示儀”和“磁吸式彈簧縱波演示儀”作品分獲二、三等獎. 2020年指導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競賽(創(chuàng)新賽)并獲得一、二、三等獎各1項(xiàng).

3.3 構(gòu)建便攜式課堂演示實(shí)驗(yàn)儀器體系

便攜式課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)與大學(xué)物理分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能不同，它重在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深對物理概念和原理的理解，提升課堂教學(xué)效果，可以自成體系. 而構(gòu)建便攜式課堂演示實(shí)驗(yàn)儀器需要根據(jù)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容以及實(shí)現(xiàn)難易程度等方面綜合考慮. 課堂演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、振動與波動以及近代物理等內(nèi)容. 各個(gè)模塊演示實(shí)驗(yàn)的開發(fā)圍繞從點(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)工作不能一蹴而就，也不是靠一個(gè)高?；蛞粋€(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)就能完成的，相關(guān)院校應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合自身需要，研發(fā)當(dāng)前急需的、容易實(shí)現(xiàn)的、使用頻率高的課堂演示實(shí)驗(yàn)儀器，并進(jìn)行相應(yīng)的教材建設(shè)，各高?？梢酝ㄟ^討論和交流，互相取長補(bǔ)短，循序漸進(jìn)地構(gòu)建課堂演示實(shí)驗(yàn)體系.

4 結(jié)語

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)是個(gè)老話題[11]，但隨著教育方法、教育理念以及技術(shù)手段的發(fā)展，它應(yīng)該走出一條有特色的路來. 其實(shí)，大多數(shù)演示儀器的原理比較簡單，設(shè)計(jì)和制作難度不大，教師可以根據(jù)教學(xué)需要，自己動手制作一些簡單的演示實(shí)驗(yàn)儀器，或通過學(xué)校開展的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目指導(dǎo)學(xué)生完成便攜式物理演示儀器的研制，一方面提升課堂教學(xué)效果，另一方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力.

筆者經(jīng)過十多年對大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的思考，對物理演示儀器的開發(fā)與推廣的親身經(jīng)歷，以及在教學(xué)過程中的不斷摸索和實(shí)踐，逐漸意識到便攜式物理演示儀器順應(yīng)未來隨堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢. 希望理工類兄弟院校的教師根據(jù)本校教學(xué)特點(diǎn)和人才培養(yǎng)目標(biāo)，通過多種多樣的項(xiàng)目和活動開發(fā)出更多有價(jià)值的物理演示實(shí)驗(yàn)儀器.