材料物理課堂教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及制作

甄玉花,薛慶忠,張立紅

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院,山東 青島 266580)

實(shí)驗(yàn)課程改革

材料物理課堂教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及制作

甄玉花,薛慶忠,張立紅

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院,山東 青島 266580)

針對(duì)目前理工科專(zhuān)業(yè)課的理論教學(xué)與實(shí)踐認(rèn)知易脫離的現(xiàn)狀,提出可通過(guò)引入課堂演示實(shí)驗(yàn),促進(jìn)傳統(tǒng)理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用的結(jié)合。以“材料物理”專(zhuān)業(yè)課為例,系統(tǒng)闡述了如何根據(jù)不同的教學(xué)要求來(lái)挑選適合課堂演示的實(shí)驗(yàn),如何利用平時(shí)的積累、現(xiàn)有資源、科研成果以及學(xué)生的自主創(chuàng)新來(lái)設(shè)計(jì)和制作演示實(shí)驗(yàn),如何將演示實(shí)驗(yàn)有效地“揉進(jìn)”理論課教學(xué)。通過(guò)2個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),引入課堂演示實(shí)驗(yàn)后,專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)效果得到了很大提升。

課堂教學(xué);演示實(shí)驗(yàn);材料物理;設(shè)計(jì)與制作

材料物理是介于物理學(xué)與材料學(xué)之間的一門(mén)邊緣學(xué)科,主要研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、組織形式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、物理性能、化學(xué)成分以及他們之間相互關(guān)系[1]。目前大學(xué)理工科教學(xué)中,教師對(duì)理論課知識(shí)的講授以“填鴨式”灌輸為主,學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)也多半是被動(dòng)式接受[2-3]。根據(jù)美國(guó)教育家愛(ài)德加·戴爾(Edger Dale)提出的“經(jīng)驗(yàn)之塔”(cone of experience)教育理論,如果學(xué)習(xí)是由“直接經(jīng)驗(yàn)”(親身實(shí)踐)到“間接經(jīng)驗(yàn)”(書(shū)本或別人轉(zhuǎn)述),由具體到抽象,那么獲得知識(shí)和技能就比較容易[4]。演示實(shí)驗(yàn)是提高理工科基礎(chǔ)課教學(xué)效果的一種好方法,它是創(chuàng)造理想實(shí)驗(yàn)情境、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的最有效手段[5-7]。演示實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)鮮明、直觀、新奇、刺激等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化,為學(xué)生提供理論學(xué)習(xí)中的“直接經(jīng)驗(yàn)”,即感性知識(shí),從而引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考與探索[8-10]。但是,在目前的高校教學(xué)中,除了傳統(tǒng)的理科基礎(chǔ)課,如“大學(xué)物理”、“大學(xué)化學(xué)”,大部分理工科專(zhuān)業(yè)都只有專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課,很少開(kāi)設(shè)與專(zhuān)業(yè)課相對(duì)應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)課。隨著教學(xué)改革的深入,交叉學(xué)科的專(zhuān)業(yè)課因?yàn)閷?shí)踐性強(qiáng),課堂教學(xué)內(nèi)容要求更豐富、更貼近生活實(shí)踐,這不僅需要在專(zhuān)業(yè)理論課之外開(kāi)設(shè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課和演示實(shí)驗(yàn)課,更要在課堂教學(xué)中“加點(diǎn)料”,引入更直觀感性的“直接經(jīng)驗(yàn)”,也即演示實(shí)驗(yàn),來(lái)加深學(xué)生對(duì)疑難問(wèn)題的理解。

1 專(zhuān)業(yè)課演示實(shí)驗(yàn)的挑選

以“材料物理”專(zhuān)業(yè)課為例,其課程內(nèi)容既有抽象的物理機(jī)制，又有先進(jìn)的新材料以及高技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)這些課程特色挑選適合的演示實(shí)驗(yàn),是提高學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、獲得“直接經(jīng)驗(yàn)”知識(shí)的關(guān)鍵。根據(jù)學(xué)科特色并結(jié)合教學(xué)實(shí)踐,演示實(shí)驗(yàn)的挑選要盡量達(dá)到以下教學(xué)效果:

(1) 將抽象問(wèn)題形象化。“材料物理”課程內(nèi)容包括金屬物理、半導(dǎo)體物理、電介質(zhì)物理、高分子物理等模塊,每個(gè)章節(jié)都有難點(diǎn)和抽象問(wèn)題,可以把難懂的物理特性及其原理,通過(guò)易觀察的實(shí)驗(yàn)展示給學(xué)生,以啟發(fā)學(xué)生心智[11]。如超導(dǎo)的邁斯納效應(yīng),物理定義很簡(jiǎn)單,但超導(dǎo)體為何具有邁斯納效應(yīng),其表觀形式是怎樣的,學(xué)生都很難想象,此時(shí)可以設(shè)立一組超導(dǎo)磁懸浮的演示實(shí)驗(yàn)，將課程的難點(diǎn)問(wèn)題直觀再現(xiàn),將抽象問(wèn)題形象化,強(qiáng)化“直接經(jīng)驗(yàn)”的作用。

(2) 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維。材料物理本身在不斷發(fā)展中,高科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展也使得新材料、新物理現(xiàn)象層出不窮。可以將這些新事物以演示實(shí)驗(yàn)的形式形象、直觀地展示給學(xué)生,使學(xué)生感受到本學(xué)科的魅力,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維。如接觸電勢(shì)這部分知識(shí)涉及到金屬、半導(dǎo)體的勢(shì)壘、表面電勢(shì),內(nèi)容很抽象,也比較難理解,但可以將接觸電勢(shì)的應(yīng)用——TiO2光分解水的實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果演示給學(xué)生,并擴(kuò)展至新型濕式太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。將這些看似神秘的科學(xué)前沿通過(guò)直觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái),讓學(xué)生印象更為深刻。

(3) 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。興趣是學(xué)習(xí)最好的動(dòng)力,通過(guò)2年的教學(xué)實(shí)踐以及總結(jié)學(xué)生的調(diào)查問(wèn)卷,發(fā)現(xiàn)學(xué)生感興趣的內(nèi)容多為聽(tīng)說(shuō)過(guò)、看得見(jiàn)卻不甚清楚其工作原理的一些與物理有關(guān)的新器件或者新材料,如碳納米管、激光器、太陽(yáng)能電池等,因此,可以根據(jù)學(xué)生的興趣,結(jié)合課程的具體內(nèi)容,適當(dāng)增加一些日常應(yīng)用的新器件,如多孔吸附的碳材料(取自家用凈水機(jī))、激光筆演示其穿透性、納米板擦等。這些與生活實(shí)踐緊密集合的新器件或新材料的引入,可有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率。

2 專(zhuān)業(yè)課演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與制作

針對(duì)“材料物理”這門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,根據(jù)上述原則挑選出演示實(shí)驗(yàn)后,在教學(xué)實(shí)踐中主要通過(guò)以下渠道完成演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與制作。

2.1 直接取材于生活

針對(duì)材料物理中一些較為抽象的概念或特性,用具體的器件直觀地演示出來(lái)。這些器件一方面可以直接取材于日常用品,如表1中所列,演示尺寸效應(yīng)的納米板擦和熒光效應(yīng)的指路標(biāo)志等,另一方面,還可以通過(guò)拆解一些廢舊小儀器來(lái)做演示實(shí)驗(yàn),如學(xué)習(xí)二極管、三極管的原理和特性時(shí),可將舊的半導(dǎo)體收音機(jī)拆解,就能看到大量二極管、三極管的應(yīng)用。這種通過(guò)生活用品直接來(lái)做演示實(shí)驗(yàn)的方法,不僅取材便宜,更重要的是這些小器件與學(xué)生生活緊密相關(guān),更具說(shuō)服力,演示效果更好。

表1 材料物理課堂演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與制作目錄

2.2 自制簡(jiǎn)易器件

通過(guò)自制一些簡(jiǎn)單、便于操作的小型器件來(lái)做課堂演示實(shí)驗(yàn),不僅可以降低演示實(shí)驗(yàn)的成本[12],更重要的是讓學(xué)生意識(shí)到材料物理相關(guān)器件的設(shè)計(jì)和制作并不復(fù)雜,只要勤于動(dòng)腦,善于觀察,自己也完全能夠做到。如表1所示,演示PN結(jié)的整流效應(yīng)時(shí),可將一個(gè)小型二極管燈泡兩端與直流電源相連,通過(guò)切換線路的正負(fù)極,就能看到直觀的二極管的正向?qū)?燈亮)和反向截止(燈不亮)特性。還可以自制其他小器件,如通過(guò)熱敏元件制作簡(jiǎn)易溫度計(jì)來(lái)演示熱敏效應(yīng)、通過(guò)濕度元件在不同濕度環(huán)境下所顯示出來(lái)的電阻不同可演示氣敏機(jī)理等。

2.3 充分利用其他實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)資源

學(xué)校配備省級(jí)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)室資源豐富,有一部分演示實(shí)驗(yàn)跟“材料物理”課程內(nèi)容緊密相關(guān),可以直接搬進(jìn)課堂。如表1所示,有演示光傳播的光纖花束、演示邁斯納效應(yīng)的超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)等。另外,可借助材料物理專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室的一些源器件或設(shè)備,來(lái)演示材料的物理性能,如利用光譜儀來(lái)演示離子晶體的紅外吸收特性等。還可對(duì)實(shí)驗(yàn)室淘汰的儀器進(jìn)行改造,有些淘汰的儀器,并不等于它的所有功能都喪失,如果經(jīng)過(guò)改造,開(kāi)發(fā)新的用途,也會(huì)產(chǎn)生意想不到的收獲。例如實(shí)驗(yàn)室淘汰了一套太陽(yáng)能光伏特性的實(shí)驗(yàn)裝置,主要是因?yàn)槟M自然光的聚焦系統(tǒng)不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求,但我們通過(guò)拆解找到里面光電轉(zhuǎn)換用的核心器件——半導(dǎo)體硅片,再通過(guò)電路板連接小功率的二極管燈泡,設(shè)計(jì)制作成一光伏組件,在太陽(yáng)光或模擬光源照射下展示硅材料的光生伏特效應(yīng)。

2.4 將科研成果有效融入到教學(xué)中

在設(shè)計(jì)課堂演示實(shí)驗(yàn)時(shí),可引入前沿科技中的新材料或者本專(zhuān)業(yè)教師的科研成果,使教學(xué)與科研有效結(jié)合。將本專(zhuān)業(yè)教師的科研成果合理轉(zhuǎn)化,既可以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),也可以提高學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)同感。材料物理是山東省省級(jí)特色專(zhuān)業(yè),開(kāi)設(shè)有“新能源材料”與“材料腐蝕與防護(hù)”2個(gè)特色方向,其中新能源材料方向的專(zhuān)業(yè)成果與“材料物理”課程內(nèi)容能夠有效結(jié)合。例如利用專(zhuān)業(yè)教師研制的n型和p型熱電材料,通過(guò)不同陣列連接制備成溫差發(fā)電器件,放置于溫差不同的水源中,通過(guò)精細(xì)的電流表就能觀察出溫差發(fā)電,反之,還可以利用這些材料根據(jù)賽貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)制備半導(dǎo)體制冷器件。

2.5 通過(guò)創(chuàng)新項(xiàng)目鼓勵(lì)學(xué)生制作小型器件

根據(jù)課程內(nèi)容和學(xué)生的興趣,利用學(xué)校提供的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的支持,擬定演示實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)方向,讓學(xué)生通過(guò)調(diào)研,自己動(dòng)手制作器件或演示實(shí)驗(yàn)。這既可提高學(xué)生的創(chuàng)新和動(dòng)手能力,又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和參與積極性。如表1中所示,鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)放大普通鬧鐘的機(jī)械嘀嗒聲來(lái)演示壓電效應(yīng),并制作擴(kuò)音器。壓電陶瓷片來(lái)自于專(zhuān)業(yè)教師的科研成果,借用常見(jiàn)的鬧鐘玻璃罩的微小振動(dòng),使粘在玻璃罩外側(cè)的壓電陶瓷片產(chǎn)生電信號(hào),這個(gè)電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大就能在整個(gè)教室聽(tīng)到鬧鐘的嘀嗒聲。

3 專(zhuān)業(yè)課演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

演示實(shí)驗(yàn)是深受學(xué)生喜歡的一種實(shí)驗(yàn)形式,通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)可以將豐富的物理內(nèi)涵清晰地展現(xiàn)出來(lái),為學(xué)生的創(chuàng)新思維提供感官刺激。根據(jù)專(zhuān)業(yè)課內(nèi)容而設(shè)計(jì)制作的演示實(shí)驗(yàn),按照實(shí)驗(yàn)原理和特性分為“探究性實(shí)驗(yàn)”和“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”。在展示實(shí)驗(yàn)時(shí),根據(jù)演示實(shí)驗(yàn)的不同性質(zhì)采用了2種不同的教學(xué)方法:對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),如上述表1中列出的光電效應(yīng)、光纖傳播、超導(dǎo)的邁斯納效應(yīng)等,一般采取“先啟發(fā)、后演示”的方法,先講解實(shí)驗(yàn)中所包含的專(zhuān)業(yè)理論,目的是讓學(xué)生能用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解釋清楚具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;而對(duì)于探究性實(shí)驗(yàn),如表1中列出的演示光生伏特的太陽(yáng)能風(fēng)車(chē)、演示壓電效應(yīng)的擴(kuò)音器、演示整流效應(yīng)的二極管燈泡等,要采取“先演示、后啟發(fā)”的方法,注重實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和細(xì)節(jié)的描述,引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與所學(xué)理論知識(shí)結(jié)合起來(lái)。不管是哪一種教學(xué)方法,都鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)提出更多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)問(wèn)題,提高學(xué)生的理論創(chuàng)新能力。另外,課堂演示實(shí)驗(yàn)的展示更要注重聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用,在講解完實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后,通過(guò)舉例使這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)與生活實(shí)際相結(jié)合,激發(fā)學(xué)生的“頭腦風(fēng)暴”,讓課堂更加生動(dòng)有活力。

4 成效與結(jié)論

“材料物理”課程教學(xué)中,演示實(shí)驗(yàn)的引入極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課的積極性,通過(guò)期末調(diào)查問(wèn)卷可以看到,學(xué)生對(duì)課堂演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)非常認(rèn)可,認(rèn)為是“專(zhuān)業(yè)課學(xué)習(xí)中最令人難以忘卻的一幕”。經(jīng)過(guò)引入專(zhuān)業(yè)課課堂演示實(shí)驗(yàn)后2個(gè)學(xué)年的教學(xué)實(shí)踐,學(xué)生給出的教學(xué)效果評(píng)價(jià)上升至專(zhuān)業(yè)第一。演示實(shí)驗(yàn)因?yàn)樵O(shè)計(jì)精巧,多半不占用大量時(shí)間,完全可以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù),而且挑選設(shè)計(jì)的演示實(shí)驗(yàn)多數(shù)都跟實(shí)際應(yīng)用密切相關(guān),屬于認(rèn)知學(xué)習(xí)中的“直接經(jīng)驗(yàn)”獲得,不僅激發(fā)學(xué)生最原始的求知欲,提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),還有效促進(jìn)了理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用的緊密結(jié)合。

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Design and practice of classroom demonstration experiment in teaching of Materials Physics

ZhenYuhua,Xue Qingzhong,Zhang Lihong

(Department of Science,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580, China)

At present,the detachment between the theory and practice of cognitive usually exists in science and engineering courses teaching.Through the introduction of the classroom demonstration experiment,the combination of the traditional theoretical knowledge and practical application would be promoted. This paper,taking “Material Physics” as an example,expounds how to select the suitable classroom demonstration experiment according to different teaching effect,how to design and fabricate the demonstration experiment by using the living resource,other experiment platform,achievements in scientific research as well as students’ innovation,and finally how to effectively rub the demonstration experiment into the theoretical teaching at classroom. Through two years’ teaching practice,the teaching effect has been greatly improved after introducing demonstration experiment into classroom.

classroom teaching;demonstration experiment;material physics;design and fabrication

2014- 05- 12 修改日期：2014- 10- 16

中國(guó)石油大學(xué)(華東)校級(jí)重點(diǎn)教研項(xiàng)目(JY-A201204);中國(guó)石油大學(xué)(華東)青年教師教研項(xiàng)目(QN201329)

甄玉花(1979—),女,山東泰安，博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)椴牧衔锢碚n程體系構(gòu)建及發(fā)展.

E-mail：zhenyh@upc.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2015)1- 0202- 03