大學(xué)物理演示實驗教學(xué)改革的實踐和探索

鐘曉燕 劉文軍 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院實驗中心 510515

大學(xué)物理演示實驗教學(xué)改革的實踐和探索

鐘曉燕 劉文軍 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院實驗中心 510515

物理演示實驗；教學(xué)改革；實踐探索

1、引言

物理學(xué)是一門實踐性的學(xué)科?？v觀物理學(xué)的發(fā)展歷程，每個概念的建立、每個定律的發(fā)現(xiàn)，都有其堅實的實驗基礎(chǔ)。因而，一直以來，在物理理論的教學(xué)中借助于實驗來再現(xiàn)物理過程、驗證物理規(guī)律是必不可少的教學(xué)手段。這種以輔助理論教學(xué)為最初目的的實驗被人們稱之為演示實驗。演示實驗在物理教學(xué)中占有十分重要的、不可替代的地位。

2、演示實驗的教學(xué)功能

演示實驗是教學(xué)直觀性原則的表現(xiàn)，也是理論聯(lián)系實際的教學(xué)原則的體現(xiàn)。它的功能主要包 括以下幾點：

2.1 創(chuàng)設(shè)生動情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和求知欲望

愛因斯坦說：“興趣是最好的教師。”學(xué)生只有對物理感興趣，才想學(xué)、愛學(xué)，才能學(xué)好，從而用好物理。因此，如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，是提高教學(xué)質(zhì)量的一個關(guān)鍵。而演示實驗本身恰好可以作為這種媒介，教師在實驗當(dāng)中可以通過各種途徑有效地創(chuàng)設(shè)實驗情境，把日常生活中不易觀察到的物理現(xiàn)象明顯地、生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生始而驚奇，繼而深思，激發(fā)起濃厚的興趣。例如，在演示實驗當(dāng)中，學(xué)生的目光總是最先被輝光球那神秘的光彩所吸引。當(dāng)他們好奇的用手指觸摸輝光球的表面時，會發(fā)現(xiàn)輝光被手指吸了過來，而且更加明亮，當(dāng)手指沿輝光球表面來回移動時，輝光也會隨著移動。這時候他們會對這種種現(xiàn)象充滿好奇，心中產(chǎn)生各種疑問。為什么看上去無色透明的玻璃球會發(fā)出如此漂亮的光彩？為什么用手觸摸玻璃球殼，輝光會集中過來？它和生活中霓虹燈的原理是一樣的嗎？

2.2 幫助學(xué)生建立物理概念和認識規(guī)律

實踐和實踐教學(xué)是獲取新知識的源泉，是知識與能力、理論與實踐、學(xué)與用相結(jié)合的關(guān)鍵，是訓(xùn)練學(xué)生綜合技能、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的重要手段[1-2]。因此，加強創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)，是我國高校教育教學(xué)改革的主要內(nèi)容，也是社會經(jīng)濟發(fā)展對人才培養(yǎng)提出的要求[3-4]。特別是對于綜合性學(xué)科，實踐和實踐教學(xué)創(chuàng)新和改革尤為重要。

引入新課時運用演示實驗，目的往往側(cè)重于引導(dǎo)學(xué)生對所研究的問題產(chǎn)生興趣，或者是提出問題，喚起學(xué)生的思考。在概念形成和規(guī)律的建立過程中運用演示實驗，目的往往在于提供必要的感性材料，引導(dǎo)學(xué)生思維活動的發(fā)展。學(xué)生在感知了這些具體的、生動的物理現(xiàn)象后，再進一步學(xué)習(xí)其包含的物理規(guī)律，思維上會平滑過渡，是一種層層深入的學(xué)習(xí)過程。例如，在介紹到角動量守恒定律時，可以以直升機為例。當(dāng)控制演示用直升機旋翼轉(zhuǎn)動時，機身會向反方向轉(zhuǎn)動，從而驗證了角動量守恒定律。這時再對尾翼控制，可以阻止機身繼續(xù)打轉(zhuǎn)。也就說明通過尾槳給飛機體提供一個附加的水平力，其力矩抵消了給機身的轉(zhuǎn)動力矩，從而使機身保持不轉(zhuǎn)，可以進一步加深學(xué)生對轉(zhuǎn)動定律的認識。

2.3 進一步發(fā)展學(xué)生的觀察思維能力

觀察是科學(xué)方法中提取大量事實的基礎(chǔ)，也是我們要進行創(chuàng)造和超越的基礎(chǔ)。實驗當(dāng)中需要學(xué)生精細、敏銳的感知，去捕獲其中的一些重要現(xiàn)象，因此需要學(xué)生有較強的觀察力。然而學(xué)生觀察能力的培養(yǎng)不是自發(fā)形成的，要靠教師的誘導(dǎo)啟迪。在演示實驗之前，要明確觀察目的，做好觀察準備；在實驗過程中，要設(shè)法創(chuàng)造條件，突出觀察對象，排除次要因素干擾，并教給學(xué)生觀察方法，引導(dǎo)學(xué)生從整體到局部、再從局部到整體進行觀察，培養(yǎng)學(xué)生正確的觀察思路與方法；同時采用縱、橫對比，正、反對比的方法，指導(dǎo)學(xué)生透過表面現(xiàn)象把握事物本質(zhì)。例如，在演示錐體由下向上運動這種“反?！爆F(xiàn)象的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生從側(cè)面觀察，分析儀器裝置的結(jié)構(gòu)，并可利用不同錐角的錐體或改變V形斜軌上兩導(dǎo)軌間的夾角來實現(xiàn)錐體在斜軌上根據(jù)我們給定的條件自動上滾、下滾或靜止不動，從而使學(xué)生理解錐體上滾本質(zhì)的原因。

2.4 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新能力

我國學(xué)生“總善于解決一個給定的問題,不善于發(fā)現(xiàn)新的問題?！边@與我國教育是屬于那種“把學(xué)生從有問題教到?jīng)]問題”類型不無關(guān)系。在全社會都呼吁創(chuàng)新型人才的今天，我們應(yīng)該有意識地將它引入物理演示實驗教學(xué)，讓演示實驗教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中發(fā)揮更大的作用。例如，許多教師在做完演示實驗后，往往出于時間考慮而急于講解。但這也正是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生思維能力的最佳時機，應(yīng)當(dāng)著力引導(dǎo)學(xué)生通過共同討論、分析，解釋實驗現(xiàn)象與結(jié)果，并鼓勵學(xué)生對實驗進行充實和擴展。在共振小娃的演示當(dāng)中，由于三個分別以不同粗細和不同半徑的彈簧為底座的物體固定在了同一個底盤上，當(dāng)調(diào)整外力頻率使得其依次達到共振的過程中，會出現(xiàn)“同時共振”的現(xiàn)象。這時可以讓學(xué)生思考這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，并提出改進的方法。

3、演示實驗教學(xué)改革的背景和思考

目前，演示實驗在大學(xué)物理教學(xué)，尤其在非物理專業(yè)工科大學(xué)物理教學(xué)中的現(xiàn)狀并不容樂觀。從大多數(shù)院校演示實驗數(shù)量少、自制教具少、儀器多以購買為主的特點可以看出，大學(xué)物理演示實驗教學(xué)還沒有普遍地得到真正的重視。

3.1 思想上不夠重視

主觀方面，一些院校不重視物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)性學(xué)科，在發(fā)展品牌專業(yè)和重點學(xué)科的同時，忽視了基礎(chǔ)學(xué)科的建設(shè)，在物理演示儀器的購置和建設(shè)上投入不夠，成為制約物理演示實驗發(fā)展的瓶頸；其次，一些院校認為物理實驗不如物理理論重要，物理演示實驗不如物理實驗重要，造成大學(xué)物理演示實驗被擠占甚至取消的尷尬局面。同時，演示實驗的著眼點也并沒有放在培養(yǎng)學(xué)生用實驗方法解決物理問題的能力上，而還是局限在知識的傳授和技能的訓(xùn)練范圍內(nèi)。因此，盡管人人都在提倡素質(zhì)教育，但是由于傳統(tǒng)的教學(xué)理念根深蒂固，使得教育的現(xiàn)狀還是依舊。

3.2 演示實驗設(shè)備及其他演示資料以購買為主，自制教具少

大量簡單明了的演示實驗，是要讓學(xué)生親自去感受和體驗，用最簡單的東西去展示最基本的原理和概念。因此，只有教師和學(xué)生發(fā)揮廣泛的積極性，創(chuàng)造性地利用日常生活里的用具進行演示實驗的教學(xué)，演示實驗才有很強的生命力和活力；而在當(dāng)前的大學(xué)物理演示實驗教學(xué)中，只有很少一些學(xué)校進行演示實驗教具的研制，多數(shù)學(xué)校則傾向于購買現(xiàn)成的儀器、光盤等。

3.3 動畫演示受到重視

隨著辦學(xué)條件的改善，教育技術(shù)的發(fā)展，動畫演示得到了快速的發(fā)展。與實物演示相比，動畫可以在教室里展示課堂上實驗無法演示的宏觀的、微觀的、極快的、極慢的物理過程，它突破時間、空間的束縛，進行逼真的模擬，靈活地放大或縮小物理場景，將物理過程生動形象地展現(xiàn)于學(xué)生眼前，使學(xué)生認識加強，理解透徹。而就實物演示而言，由于一般較少有專門的演示實驗室，而且課前要將演示實驗設(shè)備搬到上課的教室，并進行調(diào)試；此外，其可靠性有時候也存在問題。兩者相比較，就有重動畫演示、輕實物演示的認識和傾向出現(xiàn)。

3.4 只演示，不探討

傳統(tǒng)的演示實驗就是教師演示，學(xué)生只看不參與，演示實驗在物理教學(xué)中沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用。然而演示實驗不僅僅是為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獲得直觀的感性認識，更重要的是啟發(fā)學(xué)生思維，發(fā)展學(xué)生的認識能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。在進行演示實驗時，應(yīng)采用與學(xué)生討論分析的方法，邊演示邊討論，與學(xué)生共同探索物理規(guī)律，給學(xué)生以方法論及思維品質(zhì)培養(yǎng)。

4、演示實驗教學(xué)改革的基本內(nèi)容與實踐

4.1 以有效利用信息技術(shù)作為教育改革的著手點，優(yōu)化教學(xué)模式

信息技術(shù)的飛速發(fā)展及其在社會經(jīng)濟生活各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大的改變了人類的生產(chǎn)生活方式。特別是20世紀90年代中期以來互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，使得信息資源的開放共享和交流溝通的迅速便捷達到了前所未有的程度。面對科技進步為教育帶來的新的契機，研究如何在教育教學(xué)中運用這些高新技術(shù)，如何結(jié)合傳統(tǒng)的教學(xué)手段，是極具現(xiàn)實意義的。通過信息技術(shù)與學(xué)科課程的有效整合，創(chuàng)建理想的學(xué)習(xí)環(huán)境與全新的學(xué)習(xí)方式，從而有可能改變傳統(tǒng)的教學(xué)結(jié)構(gòu)和教學(xué)模式，真正實現(xiàn)學(xué)校教學(xué)深化改革，達到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的目標(biāo)。

4.2 以素質(zhì)教育為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

新世紀中國的物理教育該往哪里去？似乎方向己定：走以創(chuàng)新教育為核心的素質(zhì)教育之路。其中的一項重要目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生的基本學(xué)習(xí)技能、信息素養(yǎng)、合作與交互能力、創(chuàng)新精神和實踐能力。因此在演示實驗當(dāng)中為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，應(yīng)該以學(xué)生為主體，有意識地培養(yǎng)學(xué)生，應(yīng)用各種感官來認知實驗過程所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。同時，實驗后教師還要啟發(fā)學(xué)生進行分析綜合，抽象概括，自行得出結(jié)論，從而使學(xué)生不僅獲得了理性認識，還培養(yǎng)了思維能力、動手能力。

4.3 注重物理實驗和當(dāng)代教育方法和科技前沿的結(jié)合，改革實驗教學(xué)內(nèi)容

對于能力的培養(yǎng)，必須以知識為載體，因為知識是能力的基礎(chǔ)；雖然知識不等于能力，但一般來說豐富知識可以成為提高能力的有效手段，將對能力培養(yǎng)起到事半功倍的效果。因此，需要對物理演示實驗進行教學(xué)內(nèi)容的分析，揭示其涉及的各項知識、技能與課程教學(xué)內(nèi)容之間的結(jié)構(gòu)與關(guān)系，同時也要處理好多個演示實驗教學(xué)內(nèi)容之間的相關(guān)性以及系列性問題。在教學(xué)大綱或課程標(biāo)準規(guī)定的基礎(chǔ)上，對一些演示實驗教學(xué)內(nèi)容作適當(dāng)?shù)难a充、拓展，將之與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)接軌，例如將計算機技術(shù)、光纖技術(shù)、磁共振技術(shù)、核物理技術(shù)、X射線技術(shù)、電子顯微技術(shù)、光譜技術(shù)、真空技術(shù)、傳感器技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)及科研成果融用于學(xué)生物理實驗之中，從而達到激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與熱情的目的，更好地為教學(xué)服務(wù)。

4.4 強調(diào)創(chuàng)新培養(yǎng)，營造多元化教學(xué)環(huán)境

有效地創(chuàng)造一個高技術(shù)的教學(xué)環(huán)境進行雙向教學(xué),可以更加協(xié)調(diào)地促進教學(xué)環(huán)境中的“外部刺激”與作為認識主體的學(xué)生內(nèi)部心理過程之間的相互作用,最大限度地激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)心理要求。

首先，從改進演示實驗教學(xué)模式入手設(shè)計基于演示資源的物理網(wǎng)絡(luò)探究學(xué)習(xí)模式，即在課堂情境、實驗室演示和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)情境中，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下提出問題，通過網(wǎng)絡(luò)支持環(huán)境開展個人化或協(xié)作探究學(xué)習(xí)。

其次，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源, 通過CAI等現(xiàn)代化教學(xué)手段和資源與網(wǎng)絡(luò)實驗平臺相結(jié)合, 可以突破傳統(tǒng)演示實驗的范圍和形式,解決時間和空間的問題。從而實現(xiàn)了時間、內(nèi)容和空間的全方位、深層次開放。

最后，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃,采取實驗室科技立項的方法,鼓勵和帶動學(xué)生利用軟件如Matlab、Labview等,開發(fā)虛擬實驗儀器,進一步提高和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。

5、結(jié)論

物理演示實驗作為大學(xué)生在進校后的第一門科學(xué)實驗課程，不僅應(yīng)讓學(xué)生受到嚴格的、系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實驗的基本知識、方法和技巧，更主要的是要培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析和解決實際問題的能力，特別是與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，適應(yīng)時代的發(fā)展，科技進步的創(chuàng)新能力。

[1] 路峻嶺. 物理演示實驗教程[M]. 北京:清華大學(xué)出版社.2005.

[2] 李元杰, 陸果. 大學(xué)物理學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社.2003.

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G642.423

鐘曉燕（1977-），女，四川內(nèi)江人，碩士研究生，助教，主要從事物理實驗教學(xué)工作；

劉文軍(1967-)，男，湖南長沙人，博士研究生，副教授，實驗中心主任，主要從事物理、電子實驗教學(xué)工作。