在大學物理演示實驗教學改革中培養學生的創新思維能力＊

金 桂 黃小益 姚 敏 蔣純志 鄧海明 陳亞琦

（湘南學院物理與電子信息工程系 湖南 郴州 423000）

1 國內外大學物理演示實驗教學現狀分析

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010～2020年）》指出“我們要創新人才培養模式，注重學思結合.激發學生的好奇心，培養學生的興趣愛好，營造獨立思考、自由探索、勇于創新的良好環境”.著名物理學家楊振寧教授在談到人才培養的問題時說：“要增加中國的社會生產力，需要的是很多會動手的人……我接觸到很多第一流的物理學家，他們很會動腦筋，很會做實驗，卻不善于應付各種考試.”這說明我們不但要重視學生的演算能力，更應重視學生的思考能力和動手能力.因此，如何利用好大學物理演示實驗這個教學平臺培養學生的創造性思維是一個值得研究的問題.

國外大學對物理演示實驗教學非常重視，如美國加利弗尼亞州立大學伯克利分校的物理演示實驗網站、北加利弗尼亞州立大學的物理演示實驗網站以及馬里蘭大學的物理演示實驗網站都對物理演示實驗進行了詳盡的介紹.三個演示實驗網站上提供的演示實驗不僅數量多，而且每個實驗都給出了照片、操作步驟和注意事項、所需裝備，甚至在哪個教室進行教學都有說明［1］.演示內容的選取也很廣泛，注意將高新技術轉化為教學內容，但在實驗的設計上并不靠復雜取勝.很多演示非常簡單，儀器結構簡單，現象明顯，演示的原理或概念能很輕易地被學生感知、理解.如北加利弗尼亞大學的力學演示實驗中，質量標準演示兩個分別為1kg和1磅的黃銅棒，長度的標準演示為米尺，以幾根自制的棒子演示矢量的加減，一張美鈔測反應時間，這也說明了他們的教學理念，能夠讓學生看到的就一定要讓他們親自去感受和體驗，用最簡單的東西去展示最基本的原理和概念［2］.德國物理演示實驗有著深厚的群眾基礎，從博物館到走廊實驗，從經典的演示實驗到現代科技，處處滲透著創造性的物理演示實驗.華東師范大學物理系宣桂鑫教授，復旦大學物理實驗中心沈元華教授等對德國大學的演示實驗進行了考察，他們發現德國干脆將“普通物理”稱為“實驗物理”，在基礎物理教材中編入大量的演示實驗，對現象的描述非常詳盡.德國物理界流傳著這樣的說法：沒有演示實驗的一堂課是不可想象的.對演示實驗的重視由此可見一斑［3］.

我國的大學物理演示實驗處于一個比較尷尬的地位，大學物理的課時被壓縮，分組實驗又占據了大量的時間.由于擴招班額都比較大，教室分散，將實驗儀器搬進課堂非常麻煩.特別是隨著老一代畢生從事物理演示的老教師的退休，年青一代教師又擅長用多媒體課件來演示物理過程，演示實驗不再受到青睞.在實驗室的建設上，國內重點大學一般投入較多，有教學軟件、投影片、走廊演示和趣味物理演示等，各學校能開設實驗的個數從100到200不等，地方本科院校則由于經費的原因對演示實驗的投入較少、起步較晚，但是近年來隨著國家對教育投資的進一步加大，地方本科院校也逐漸認識到物理演示實驗的重要性，相繼建立起專門的演示實驗室，對演示實驗的教學研究也逐步展開［4，5］.由此可見，針對地方本科院校的實際情況，如何在現有的基礎上開發大學物理演示實驗的教學是值得研究的問題.

2 大學物理演示實驗的分類

2.1 演示物理現象

這一類是大學物理演示實驗中最廣泛的，通過簡單明了的實驗現象吸引學生的注意，鍛煉學生的觀察能力，激發學生的探索熱情.例如低壓放電實驗，空氣在低壓的時候容易被擊穿，產生放電現象.通過一個機械泵將真空管中的空氣抽成稀薄空氣，然后在真空管兩端加壓，電壓加到一定程度時就可以看到真空管中的輝光放電，通過這個實驗可以促使學生了解分子的電離、碰撞和分子平均自由程的相關知識.

2.2 演示物理概念

物理學中的很多概念比較抽象，有些是人們為了方便描述假想出來的，如電場線和磁感線，我們可以通過演示實驗很形象地將其展現出來.如對電場線的演示，準備一個玻璃槽，用兩個球形電極代表兩個點電荷置于槽底，槽內裝滿混有發屑的蓖麻油，給電極加上電壓之后，用絕緣棒適當攪拌混合物，可以發現發屑的排列有規則，與兩個點電荷之間電場線極為相似，再將圖像用投影儀投射到屏幕上就可以將電場線這個極為抽象的物理概念形象而具體地表示出來.

2.3 演示物理規律

有些物理規律比較復雜，通過直觀的演示實驗和學生的觀察、思考可以更加透徹的理解，如晶體的雙折射現象.準備方解石晶體一塊，氦氖激光器和接收屏各一個，將激光束射入晶體，可以在接收屏上觀察到兩個光斑，以激光束為軸旋轉方解石可以發現一個光斑不動，而另一個光斑隨之轉動.通過生動的物理實驗現象和教師適當的板圖講解，就可以幫助學生理解雙折射現象在晶體內部的成因.

3 大學物理演示實驗的教學創新

3.1 教學方式的創新

在以往的教學中，演示實驗的教學有課堂演示和實驗室集中演示兩種方式.實驗室集中演示，由于在短時間內展示大量的實驗，主要有以下弊端：單個實驗的展示時間不長，學生的觀察浮于表面，沒有深入思考實驗現象的物理本質；學生沒有參與操作而使得許多實驗細節不被關注，而許多實驗細節往往最能反映該實驗的物理本質；交流討論的缺乏，真理越辯越明，交流和討論不但知道自己懂什么，而且能發現自己不懂什么.針對以上的弊端，我們在教學中采取了一些措施加以改進.

（1）激勵學生預習

如果第二堂課有演示實驗，可以將演示實驗的內容分解成幾個問題，將這些問題在第一堂課下課之前布置給學生.學生可以通過閱讀教科書或者是通過網絡獲得答案，對于不能解決的問題自然會帶到課堂來尋求教師的幫助.對于預習的環節筆者一般是采取抽查提問的形式來檢驗，將成績計入到考核成績.

（2）鼓勵學生操作

對于某些危險性、技術性要求不高的實驗一定要鼓勵學生自己操作，如縱波的演示、完全彈性碰撞等.對復雜的實驗筆者將實驗的操作步驟分解成若干步，讓學生在關鍵的環節自己操作，觀察和思考實驗中發生的物理現象.對于某些簡單的實驗則鼓勵學生操作和思考：如帶靜電的玻璃棒使輕質的易拉罐滾動，可以通過比賽的形式讓學生如何使其滾動得比較快，引導學生討論里面涉及到的力學、電學知識.

（3）激發學生討論

討論的過程是將學生獲得的實驗現象和知識明晰化的過程，在每個演示實驗完成之后都要引導學生對存在爭議的問題進行討論.比如“電磁炮”實驗，很多學生想不明白“子彈”是怎么樣獲得動量飛出去的.我們是讓學生仔細觀察“炮管”和“子彈”的結構，特別是尾端的線圈，然后讓學生自己操作實驗，分析討論線圈和子彈中產生的感應電流和感應磁場，并分析排斥力產生的原因.討論不但可以幫助學生認識實驗現象的物理本質，也有助于發現和提出新的問題.

（4）培育創新思維

新時代的大學物理演示實驗應是聯系書本理論知識與學生科研創新的紐帶，是與理論教學和大學物理分組實驗平行的第三極.大學物理演示實驗往往面對的是大學低年級學生，在中學應試教育的影響下，要想使學生擺脫“被動”學習的桎梏，則需要教師營造創新的氣氛、提供創新的環境.

首先要讓學生從整體上把握知識框架，通過演示實驗讓學生明白獲得相似現象的方法并非唯一；

其次應當引導學生捕捉關鍵實驗現象并對其分析判斷，合理地選擇實驗元件和判斷實驗操作的正確性以理解實驗方案的多樣性.

因此大學物理演示實驗不但能夠增加學生的知識量、能夠培養學生的分析和解決問題能力，而且能養成學生崇尚科學、敢于創新的精神，通過團隊的協作培養學生收集和處理實驗數據、合理表達實驗結論的語言駕馭能力.

3.2 教學模式的創新

隨著教學投入的不斷增加，大學物理演示實驗室的建設也得到極大的改善，演示實驗儀器的配置和實驗室的管理都得到規范，如果我們的教學模式和教學理念還是停留在老階段，僅僅依賴于課堂演示和集中演示，這樣必然導致教學效果的差強人意［6］.因此我們針對本校學生的實際情況對演示實驗的教學模式進行了研究，主要有以下三個方面.

（1）開放式實驗教學

開放式實驗教學有廊設實驗和實驗室開放兩種形式，清華大學和中南大學都在教學樓設置有走廊演示實驗，湖南大學采用櫥窗圖文介紹和多媒體觸摸屏演示的形式向學生開放，北京交通大學則建設了大學物理演示實驗網上預約，學生可以通過網上預約到開放實驗室進行實驗和研究.所有這些有益的嘗試都給學生帶來了方便，也促進了學生思考問題能力的提高.由于投入方面的原因，筆者所在學校對以上的方式進行了折衷，常規的教學方式還是課堂演示和實驗室分組演示.演示實驗室的實驗員定時將實驗室開放，面向所有在校學生，使有興趣的學生有充分的時間可以觀察課堂或者分組演示時沒有時間做的實驗［7］.

（2）利用演示實驗室開展科技創新活動

開放的實驗教學可以吸引大量優秀的學生，俗話說，興趣是最好的老師.演示實驗室眾多的實驗設備給了學生思考和挖掘潛力的平臺，也能夠培養學生進行初步科學研究的能力.一方面通過開放實驗室給學生動手操作的空間，學生可以改進實驗裝置，或者在對物理過程理解的基礎上重新制作實驗裝置，以此激發學生的學習熱情、增強學生的動手能力；另一方面在演示實驗室設置一些科研題目供學生選擇，學生可以通過小論文的形式或者是小制作的形式交給任課教師或者實驗員，題目的完成作為學生平時成績的一部分.

（3）演示實驗網絡空間的建設

網絡空間的建設在很多學校已經試點開展，并且取得了較好的效果［5］.傳統的課堂教學是學生獲取知識的主要途徑，但是隨著網絡的普及，我們意識到網絡空間可能是學生獲取知識的另外一個有效途徑.我們通過課程建設為契機，利用現代教育技術將原本只能利用數字電視或者專用計算機輸出的大學物理演示實驗教學資源上傳到自己在世界大學城的主頁.學生對于自己所學知識最信任和最愿意咨詢的對象往往是自己的老師，因此在教師自己的網絡空間中上傳與課程相關的文獻和視頻可以方便學生的查閱和下載.

4 演示實驗教學管理的創新

4.1 構建學院系部兩級管理演示實驗室管理體制

大學物理演示實驗室是大學里面使用率最高的實驗場地之一，實驗儀器正常運行是實驗教學效果得到保證的前提條件，因此必須制定完善的實驗室運行管理機制［8］.比如可以實施教研室主任負責大學物理演示實驗室的教學運行、實驗室主任負責演示實驗室設備的正常運轉，實驗室的建設則系部協調分工合作.

4.2 教學團隊的組建

大學的魅力在于不僅具有先進的設備和實驗室，更在于有知識淵博的教師.優秀的大學教師不但應該系統地掌握本專業領域知識，而且也應該從事本專業前沿科技的研究.中南大學就曾經采取強力的措施鼓勵年輕教師從事科學研究，因為只有進行過科學研究的教師才能更深刻體會什么是“創造知識”，才能教會學生怎么樣探索創新，而不是單純的“教書匠”，這一點對大學物理演示實驗顯得更為重要.一方面應該重視青年教師的培養，通過老教師的“傳幫帶”使青年教師掌握授課技巧，通過激勵手段激發青年教師的鉆研熱情；第二方面要形成合理的教學梯隊，學科的發展壯大離不開成熟的教學科研團隊，組建以學科帶頭人、學術骨干力量和青年骨干教師三個梯隊的層次結構，通過制定激勵政策來激發各梯隊教師的教學科研熱情.

5 結束語

大學物理演示實驗室的建設是我系實驗室建設的一個重要組成部分，因為大學物理演示實驗室面向全院接近3 000人左右的理、工、醫科學生，甚至還常態化地接納了本市幾所重點中學的中學物理競賽的學生培訓.通過一系列的大學物理演示實驗教學和管理改革，既促進了實驗室的建設，也促進了教師的成長.首先我們提升了大學物理演示實驗的教學水平，學生學習大學物理的興趣明顯增強，進入開放平臺實驗的學生顯著增加；其次，通過大學物理演示實驗激發了學生的創新思維、培養學生的初步科研能力，借助開放實驗室平臺，我們的本科生主持了一系列的省級和校級大學生創新項目.

現代化的教學表明進一步對大學物理演示實驗教學進行改革，培育學生的創造性思維是一個值得研究的問題.

1 陳惠敏，石雁祥，張承據.大學物理演示實驗教學模式的探討.大學物理實驗，2007（10）：22～25

2 汪文明.大學物理演示實驗教學研究.華中師范大學學報，2006

3 汪文明.中美大學物理演示實驗教學比較.高等函授學報（自然科學版），2005（19）：9～12

4 盧榮德，程福臻，孫臘珍.大學物理演示實驗動感創新教學平臺的探索與實踐.物理通報，2011（1）：42～45

5 林曉瓏，姜永恒，白炳蓮.大學物理演示實驗網絡教學管理平臺構建與實施.大學物理實驗，2012，25（1）：120～122

6 周菊林，李蓓，周華林.加強大學物理演示實驗 培養工程應用型人才.湖南工業大學學報，2009，23（2）：103～105

7 郭力，石少波.演示實驗制作促進動手動腦的大學物理探索式學習的改革嘗試.大學物理，2010，29（3）：50～54

8 盧榮德.大學物理數字化演示實驗教學平臺.實驗室的探索與研究，2006（4）：56～57