大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)工作的新思路、新進(jìn)展

陳 征 王玉鳳 趙紅娥 趙 雁 薛菊梅

（北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044）

1 不斷更新改造、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)展，保持物理演示實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)性

1）開發(fā)和引進(jìn)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)內(nèi)涵

科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展，工科物理的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，按照新的《教學(xué)基本要求》，也有了很大的變化.相應(yīng)地，物理演示實(shí)驗(yàn)室也需要不斷更新升級(jí).2006年以來(lái)，我校物理演示實(shí)驗(yàn)室又自主開發(fā)了大型玻璃杯共振、大型蛇形擺、特斯拉放電、腳踏發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)用系統(tǒng)、幾何光學(xué)光路演示、加速器模擬、多普勒效應(yīng)演示、立體攝像與播放系統(tǒng)、超導(dǎo)系列、熱機(jī)系列等20余項(xiàng)新實(shí)驗(yàn).與此同時(shí)，又引進(jìn)了微光夜視、紅外熱成像、X射線衍射、掃瞄隧道顯微鏡、能量穿梭機(jī)、流體流線演示等10余項(xiàng)新設(shè)備.上述實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的知識(shí)內(nèi)涵更加廣泛、深入，演示效果極具震撼力.其陸續(xù)投入使用，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富多彩，得到了學(xué)生、教師和同行的高度認(rèn)同.

2）繼續(xù)開發(fā)導(dǎo)學(xué)軟件并改版升級(jí)，支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)

由于物理演示實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)容豐富、視頻多、圖像多，便于學(xué)生自主學(xué)習(xí).該軟件一期完成并投入使用后，受到了學(xué)生的極大歡迎，8臺(tái)觸摸屏計(jì)算機(jī)前，從早到晚幾乎學(xué)生不斷，每年瀏覽人次超過(guò)兩萬(wàn).2006年以來(lái)，我們又繼續(xù)開發(fā)了該導(dǎo)學(xué)軟件二期，不僅大大豐富了原有6個(gè)欄目的內(nèi)容，而且新增了“科學(xué)探索”欄目，信息量是一期的兩倍多.由于在2000年初開發(fā)的一期軟件是網(wǎng)頁(yè)版，不便于修改和增減內(nèi)容，且有些細(xì)目程序運(yùn)行也不通暢；軟件二期完成以后，我們將其全部改成數(shù)據(jù)庫(kù)版，可以方便地對(duì)內(nèi)容進(jìn)行修改和增減，重新編程，使所有細(xì)目不通暢的問(wèn)題也一并得到解決.與此同時(shí)，對(duì)頁(yè)面也重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，更加靚麗并方便使用.改版后的導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)投入使用3年來(lái)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供了更加豐富的資源，受到學(xué)生的歡迎，觸摸屏計(jì)算機(jī)由8臺(tái)增加到12臺(tái)，還不能滿足需要.

3）升級(jí)改造實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，營(yíng)造育人科學(xué)氛圍

實(shí)驗(yàn)室是育人的重要場(chǎng)所，我們認(rèn)為：育人的效果不僅僅局限在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容上，科學(xué)氛圍的營(yíng)造也會(huì)對(duì)育人起著潛移默化的作用.隨著學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)投入的增加，2007年、2012年先后兩次對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行了升級(jí)改造.現(xiàn)在一走進(jìn)物理演示與探索實(shí)驗(yàn)室，就會(huì)看到墻上多種光柵立體圖：神舟九號(hào)對(duì)接、蛟龍?zhí)枬撍㈤L(zhǎng)征火箭發(fā)射、和諧號(hào)列車等.大廳的地面有大型窺視無(wú)窮、微晶陣列立體圖案；仰首可看到“空間的尺度”和“時(shí)間的長(zhǎng)河”系列燈箱圖片；走廊有“揭秘自然，造福人類的物理學(xué)規(guī)律”組圖、“視錯(cuò)覺”“紅綠立體”系列燈箱圖片；還有自行設(shè)計(jì)的12臺(tái)壁掛式觸摸屏計(jì)算機(jī)導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)綜合展示窗；門廳正中安裝了大型多點(diǎn)觸摸屏，供學(xué)生自主翻閱各種教學(xué)資源；加上大廳迎面的大型物理學(xué)群英照（2007年索爾維會(huì)議歷史照片），所有這些互相襯托，使實(shí)驗(yàn)室的面貌煥然一新.學(xué)生一走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，就猶如走進(jìn)科學(xué)的殿堂，他們會(huì)靜下心來(lái)，仔細(xì)地看、好奇地問(wèn)、認(rèn)真地學(xué)；他們會(huì)恍然大悟：“原來(lái)物理學(xué)是如此地豐富多彩，物理學(xué)是如此地為人類造福！”，同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身一樣起到育人的效果.

2 開發(fā)隨堂演示，集錦視頻插播，支持大學(xué)物理課堂教學(xué)

1）開發(fā)60多項(xiàng)隨堂演示儀器并用于大學(xué)物理教學(xué)

物理演示實(shí)驗(yàn)從歷史上說(shuō)一直是隨堂的，講什么演示什么.但是，由于大學(xué)招生規(guī)模的擴(kuò)大、課堂容量越來(lái)越大、上課教室分散等因素，隨堂演示越來(lái)越少，以至于完全消失.為克服上述困難，我校在工科物理教學(xué)基地建設(shè)時(shí)，建設(shè)了物理演示與探索實(shí)驗(yàn)室并面向全校學(xué)生開課.當(dāng)初的想法只是學(xué)生在課堂上看不到的物理現(xiàn)象，課后到實(shí)驗(yàn)室可以看到，作為一種彌補(bǔ).經(jīng)過(guò)多年的建設(shè)和實(shí)踐，演示實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)取得了出乎意料的好效果.學(xué)生們說(shuō)：“在實(shí)驗(yàn)室看到如此美妙的現(xiàn)象，內(nèi)心既驚奇，又有一種想刨根問(wèn)底的欲望，引發(fā)了我的興趣以及對(duì)自然界的無(wú)限思考……”“許多現(xiàn)象過(guò)去一直是從書本上看到的，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里我們都參與進(jìn)來(lái)了，不僅更加明白了現(xiàn)象背后的道理，而且許多巧妙的實(shí)驗(yàn)構(gòu)思也令我驚嘆不已……”甚至有的學(xué)生說(shuō)“早知道物理學(xué)是這樣的豐富多彩、震撼人心，我就學(xué)物理了……”，盡管如此，我們認(rèn)識(shí)到：實(shí)驗(yàn)室再好也不能替代隨堂演示！實(shí)驗(yàn)室演示和隨堂演示各有特點(diǎn)、各具優(yōu)勢(shì)，兩者應(yīng)該是相輔相成的關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)室演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是：（1）大型的、不能進(jìn)課堂的，如：大型法拉第籠、大型靜電高壓球、特斯拉放電、大型玻璃杯共振、熱成像、微光夜視等.這樣的大型演示實(shí)驗(yàn)不僅密切結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生對(duì)相應(yīng)物理概念的理解，而且對(duì)學(xué)生產(chǎn)生了終生難忘的強(qiáng)烈震撼.（2）開拓知識(shí)視野的，如：光纖通信、激光全息系列、動(dòng)態(tài)立體成像系列、超導(dǎo)系列、記憶合金系列等.這些內(nèi)容雖然不是大學(xué)物理教學(xué)的主體內(nèi)容，但是它在現(xiàn)代科技中有著廣泛的應(yīng)用，學(xué)生應(yīng)該有所了解.多年的教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生絲毫沒(méi)有因?yàn)檫@些內(nèi)容不考試而不感興趣，由于演示生動(dòng)有趣，講解聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生感到大開眼界，非常喜歡.（3）有探索意義的，如：蛇擺、視覺暫留、掃描成像、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)系列、靜電系列等.這些內(nèi)容極易引起學(xué)生的疑問(wèn)和好奇，這正是引導(dǎo)學(xué)生探究的切入點(diǎn).（4）趣味物理展示，如：輝光球、放電盤、智能旋轉(zhuǎn)燈、窺視無(wú)窮、超聲霧化等.這些內(nèi)容多屬生活中的物理，學(xué)生可以用所學(xué)物理知識(shí)解釋周圍的物理現(xiàn)象，讓學(xué)生感受到生活中到處都有物理.（5）在實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以自己動(dòng)手操作、觀察現(xiàn)象、探究問(wèn)題，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和探索熱情.

隨堂演示實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)是：講什么演什么，內(nèi)容針對(duì)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、時(shí)效性好.至今，我們已經(jīng)研發(fā)了包括力學(xué)系列、靜電系列、電磁系列、振動(dòng)波動(dòng)系列、熱學(xué)、光學(xué)系列、近代物理等60多項(xiàng)隨堂演示實(shí)驗(yàn)儀器并投入使用，極大地活躍了課堂氣氛、提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、取得了很好的教學(xué)效果.常常是儀器車一推到教室，學(xué)生就興奮，教師表演時(shí)學(xué)生那種專注，真的讓人感覺到什么叫無(wú)可替代.略有遺憾的是：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)還不夠多，有些項(xiàng)目效果還不夠理想，這也正是我們今后需要努力的方向.

2）剪輯并拍攝300多段隨堂視頻插播片并用于大學(xué)物理教學(xué).

我們知道，并不是所有的物理現(xiàn)象都可以用演示實(shí)驗(yàn)來(lái)表現(xiàn)的，所以計(jì)算機(jī)仿真和視頻插播片的使用也是必不可少的.在計(jì)算機(jī)仿真方面，目前我們基本上是利用別人開發(fā)的現(xiàn)成軟件.在隨堂視頻插播片方面，盡量采用實(shí)景錄像，所以剪輯的比較多.比如力學(xué)中介紹潮汐的形成時(shí)，播放錢塘江大潮的洶涌澎拜；講到動(dòng)量守恒時(shí)，播放火箭發(fā)射的壯觀場(chǎng)景；講到剛體進(jìn)動(dòng)時(shí)，播放槍膛、炮膛里的來(lái)復(fù)線，槍彈炮彈飛出彈膛的進(jìn)動(dòng)情況；講到尖端放電時(shí)，播放避雷針避雷帶的避雷實(shí)景；講到靜電應(yīng)用時(shí)播放靜電復(fù)印、靜電噴漆、靜電植絨等應(yīng)用實(shí)景；講到等電位原理時(shí)，播放工人在高壓線上不斷電維修的觸目驚心的實(shí)景，真是無(wú)比震撼！目前剪輯并使用得比較好的有200多段.

此外，我們還把演示實(shí)驗(yàn)室中與課堂教學(xué)密切相關(guān)的內(nèi)容和全部隨堂演示實(shí)驗(yàn)拍成了視頻插播短片，總計(jì)100多段，供教師選用.

隨著隨堂演示實(shí)驗(yàn)和隨堂視頻插播片的內(nèi)容逐步豐富，效果越來(lái)越好，教師的使用熱情也越來(lái)越高.其效果反映在學(xué)生評(píng)教的打分在不斷提高，凡是隨堂演示用得比較好，視頻插播用得比較多的老師，大體上都在自己原來(lái)的基礎(chǔ)上提高3到5分.

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校演示實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和隨堂演示的發(fā)展逐步進(jìn)入了理性化和有序建設(shè)的階段.僅就近3年不完全統(tǒng)計(jì)，到我校參觀取經(jīng)的學(xué)校就有百余所，請(qǐng)我校協(xié)助設(shè)計(jì)、建設(shè)演示實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校有30余所，從我校購(gòu)買隨堂演示儀器的學(xué)校有50余所，且已經(jīng)帶動(dòng)近20所重點(diǎn)中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室建設(shè).總之，物理演示實(shí)驗(yàn)工作受重視程度之高、發(fā)展之迅速，真是超乎想象！我們相信，隨著教育經(jīng)費(fèi)投入的不斷增加，隨著對(duì)物理演示實(shí)驗(yàn)重要性的認(rèn)識(shí)不斷提高，今后演示實(shí)驗(yàn)工作必將發(fā)展得更快，更好！