工科院校物理演示實驗體系的實踐與探索

靳辰飛， 張思琦， 韓 權， 張伶莉， 王曉鷗， 趙 遠

(哈爾濱工業大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

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工科院校物理演示實驗體系的實踐與探索

靳辰飛， 張思琦， 韓 權， 張伶莉， 王曉鷗， 趙 遠

(哈爾濱工業大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

傳統的大學物理課堂演示實驗主要是以輔助學生掌握物理知識為目的。然而，這種演示實驗形式上過于簡單直觀，無法引起學生的深入思考和探究，而且學生只能被動接受，無法參與到演示實驗的設計、制作、演示等環節。論文結合自身特色并且圍繞培養學生從知識學習能力向科研創新能力和工程實踐能力轉變的目標，構建多層次演示實驗教學體系并開展了相應的教學方法改革。多年的教學實踐表明了這種演示實驗體系能夠很好地調動學生獲取知識的主動性和鍛煉思維能力，在培養學生綜合素質和科研創新能力方面發揮著重要的作用。

演示實驗； 大學物理； 教學方法改革； 工科院校

0 引 言

物理學是實驗的科學，這決定了物理演示實驗在大學物理的教學中占有十分重要的地位。物理演示實驗是指教師在講授物理知識的過程中為配合教學內容而演示給學生看，在操作的同時引導學生對實驗進行觀察、思考和分析的一種物理實驗教學方式[1]。其目的就是把要研究的物理現象清晰地展示給學生，引導學生觀察思考和理解物理規律。近些年，美國大學包括美國哈佛大學，伯克利學院、北加利弗尼亞的州立大學， 以及馬里蘭大學的物理演示實驗網站相當出色[2-4]。這些大學非常重視演示實驗教學， 力求通過多種形式包括實物演示、計算機模擬、動態電影、靜態掛圖展示、音視頻等感官刺激達到提高學生的興趣和注意力的目標。國內的一些高校包括清華大學、北京大學、浙江大學、北方交通大學、電子科技大學等也取得了不錯的效果[5-6]。這些大學的演示實驗不但涵蓋力學、熱學、電磁學、光學等全部物理學內容，而且還通過開放性演示實驗教學包括走廊演示、趣味演示、網絡課堂教學等進一步地提高學生對物理實驗的積極參與性和學習興趣。教育部在2004年頒布的“非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求”中明確指出：大學物理課程的主要內容都應有演示實驗(實物演示和多媒體仿真演示)，其中實物演示實驗的數目不應少于40個。實物演示實驗可以采用多種形式進行，如課堂實物演示、開放演示實驗室、演示實驗走廊等。傳統的課堂演示實驗的主要是以輔助學生掌握知識為目的。這種演示實驗的內容與大學物理講授內容直接對應，并且開設的演示項目則為了驗證課堂教學的基本思想、原理和結論[7-10]。然而，這種演示實驗形式上過于簡單直觀，無法引起學生的深入思考和探究，而且學生只能被動接受，無法參與到演示實驗的設計、制作、演示等環節，難以起到培養學生科研創新和工程實踐能力的作用。因此，我們結合學校的工科特色和物理系的學科優勢，開展了建立新型大學物理課堂演示實驗體系的構想和實踐工作，培養學生從知識學習能力向科研創新能力和工程實踐能力轉變。

1 演示實驗平臺的項目建設

哈爾濱工業大學是首批進入國家“211工程”和“985工程”一所工科院校。自從上世紀80年代末，哈工大物理系在全國率先創建了“海王演示展示實驗中心”(面積約60 m2)，旨在加強實驗課教學和加強理論課的演示實驗教學工作。哈工大海王演示實驗展覽室曾經是省級獲獎項目，對擴大學生的視野，提高學生對物理的理解和對科學的興趣極為重要。2006年，學校又對大學物理演示實驗室投入120萬元對“海王”實驗室的硬件和環境進行了改造和建設(面積約180 m2)，成為當時國內高校中最先進的大學物理演示實驗展覽室之一。近些年，大量的經費投入使得我校演示實驗教學平臺建設得到了很大的提高。通過不斷的教學改革和借鑒國外知名高校的教育理念，我校在物理演示實驗體系的項目建設和實踐方面取得了較大的進步。2013年，哈工大大學物理演示實驗室再次投入上百萬元對演示實驗平臺進行改造和提升。目前，我校的大學物理課堂演示實驗是全校大學物理七個系列課程的重要的教學手段，全校有將近4 000名學生受益。已經開設的演示實驗項目總計有210個，均涵蓋了力學、熱學、電磁學、振動與波動、光學、近代物理等全部物理學內容(比例分布見圖1)。

圖1 演示實驗平臺的實驗分布比例圖

我校的實驗室平臺建設主要在如下三方面進行改造和提升：

(1) 對于電磁學、力學等經典物理學內容，增加演示實驗項目的教學套數；對于大學物理而言，力學、電磁學等經典物理理論是學生掌握大學物理知識的基礎，也是學生們最先接觸到的內容。相應的演示實驗項目突出的特點是形象直觀、現象明顯，而且和教學內容結合緊密，有助于學生對物理概念的理解，提高學生對物理學的興趣，最適合在課堂上演示。而我校大學物理課程具有授課信息量大、上課班級多、授課時間密集的特點。經常出現多位老師同時需要同一演示實驗儀器的現象。為了緩解這一問題，我們大幅度地增加這一部分演示實驗的儀器套數。到2014年為止，我們的演示實驗平臺可為這一部分的單次教學內容提供4套教學儀器，確保每堂教學課有實驗項目。

(2) 提高研究探索性物理演示實驗的比例。研究探索性物理演示實驗的特點是實驗現象和所反映的物理內容不是簡單的對應。實驗現象只是表象，其所反映的物理原理需要更深層次的思考，甚至需要一些定量的分析才能揭示出物理的本質。這類實驗以近代實驗和現代實驗為主，所反映的物理內容可能同時涉及到電子學、光學、材料學、量子物理等諸多學科領域之間的交叉。這類實驗如記憶合金水車，首先揭示了能量守恒的基本原理，同時也蘊含著材料學領域的研究前沿。再如通過定量的測量和計算來揭示量子規律的弗蘭克-赫茲實驗，還有利用宏觀現象反映微觀行為的電子衍射儀等等。通過這樣的實驗，培養學生的探索精神和科研思維，幫助學生實現從單純的知識學習向創新研究的轉變。

(3) 利用光學學科優勢，增加自制光學演示實驗。哈工大是一所以“工程師的搖籃”而著稱的工科院校，對學生工程實踐能力的培養也是學校培養計劃的重點目標。而物理系的光學學科在歷次的學科評估中均被評為是國家重點學科。在光學學科下，凝聚了一大批國內外優秀的光學領域的專家學者，多數老師都承擔著基礎研究和應用研究方面的課題項目。借助著這種學科優勢，我們在大學物理演示實驗平臺的建設中吸納了很多老師的研究成果。實驗室提供一定的經費，由老師帶學生將研究成果轉化為自制演示實驗設備。這些實驗即強調前沿性，如壓縮傳感、光通訊及干涉測量等，也注重應用性，如激光掃描成像、3D裸眼視覺、激光竊聽等。學生在參與制作的過程中，可以很好地提高工程實踐能力。

2 物理演示實驗體系的教學實踐

對于傳統大學物理教學而言，演示實驗以課堂教學為主，以輔助學生對知識的理解為目的，這種模式依然是一種單向式教學，而且也忽視了其對學生科研創新能力和工程實踐能力的培養。教育部提倡國內高校應建立開放性的物理演示實驗室，鼓勵和引導學生自己動手觀察實驗，思考和分析問題，進行定性或半定量驗證[11]。近些年，國內一些高校重視以“開放、互動”為特色的分層次物理演示實驗室建設，通過教學效果、促進科研等方面的建設實踐已經取得了良好的演示教學效果[12-14]。我們結合自身“工科”特色并且圍繞培養學生自主探究意識和提高科研創新能力這一教學目標，開展了多種途徑輔助演示實驗教學體系的系列措施。具體來說，主要體現以下幾方面：

2.1 課堂演示、圓桌討論、展覽室參觀相結合

我們將課堂演示、圓桌討論、展覽室參觀作為直接教學實踐的主要方式。首先強調課堂演示教學的效果的提高，主要從教的環節入手，加大對任課老師的培訓力度。目前，很多購買的儀器設備往往無法直接與授課知識點一一對應，這就要求任課教師必須精心準備課堂教學設計，實現演示現象和教學內容的“無縫對接”。由于實驗數目多，工作量大，我們組織大學物理教研室的所有老師，采用分工協作、共同討論的方式。首先進行分組學習，每三位老師負責20多個演示實驗的原理說明、演示流程、注意事項的編寫。然后，分組老師在每周的教研室的例會上為所有的老師做現場演示，通過大家的充分的交流和討論，確定每一個演示實驗的教學材料；最后，每位老師按照各自的課堂教學設計，將大家擬定好的演示實驗內容安排到教學環節中，這樣大家即有統一的教學標準，又保留了各自的教學特色。經過一年的強化訓練，我們的課堂演示實驗的效果明顯提高，學生對大學物理的興趣也更為濃厚。

其次，我們還借鑒國外知名高校新的教育模式，提出了“圓桌討論”式教學模式以培養學生探索物理知識的能力，以及在集體環境中培養學生的團隊合作精神。該教學模式最早是由美國倫塞勒工學院創立的一種集成了理論和實驗的教學方式[15]。目前，這種教學模式已在美國、我國臺灣地區以及一些歐洲國家的大學盛行了將近20年的時間，并取得了良好的教學成效。2014年春季學期，我們從2013級英才學院抽出一個班級共計37名大學一年級新生作為教學試點班，進行工作室物理教學嘗試[16]。教學采取傳統授課和圓桌教學相結合的模式。37名學生被分為4個討論小組，每組9或10人，共用一個由四張課桌拼接而成的平臺，每個小組配備一套演示實驗設備，學生可以自由操作并討論。在這次工作室物理教學模式嘗試中，我們在課堂氣氛、學習研究等方面取得了較滿意的教學效果，包括課堂氣氛更加活躍、學習更加輕松快樂，對問題的研究更加深入。

最后，我們實行演示實驗展覽室全天對學生開放教學模式。目前，我們的演示實驗平臺已有的演示實驗總套數接近500套，涵蓋力學、熱學、電磁學等諸多內容。 展覽室開放以來，年均接待學生5 000人次。此外，作為學校的接待窗口，接待了來校訪問的專家，進修人員，中學生參觀團，有關會議代表等等，均引起了參觀者的極大興趣和好評。我們對不同層次采用不同的解說方式和參觀重點，得到參觀者的高度評價。另外，結合演示實驗展覽室的條件，組織學習大學物理的工科本科生進行創新性實驗研究。結合工科的特點、物理原理的具體應用，指導學生研究一些具有實用價值的小題目，使大學物理教學與培養學生的創新能力有機結合起來并落到實處。

2.2 課余提高興趣——創新實驗、物理節、物理競賽

為了更加豐富物理演示實驗的教學內涵，我們還高度重視課堂外活動對大學生物理興趣和實踐能力的培養。多年來，我們開展的一些課余活動包括創新實驗、物理節、物理競賽受到了在校學生的熱烈歡迎和積極參與。

(1) 憑借 “985”院校的工科特色和學科優勢，我們多年來致力于創新實驗模式對大學生綜合素質及實踐能力的培養研究。通過申請學校支持的“科技創新”項目，本科生不但有機會獨立地完成科研項目的設計、準備及實施全過程，而且能切身地體會到科研工作背后的苦樂酸甜，并獲得自身能力及素質的提高。

(2) 自2005年起至今，我們每年舉辦1次校內物理節，主旨在于展示物理學的魅力、激發物理學習興趣并活躍學術氛圍。通過開設多種形式的活動如物理知識競賽、激光武器講座、物理知識講座等，而趣味實驗活動則是物理節上一個必不可少的組成部分。在這個活動中，我們將大量的演示實驗儀器擺放在學生們常經過的場所、如教室里、食堂門口、活動中心等(見圖1)。路過的學生隨時可以圍過來動手嘗試一下，這種“寓學于樂”的活動很受學生的歡迎，極大提高了學生對物理學的興趣。

圖1 演示實驗在課外活動中的作用

(3) 自2011年起至今，我校每年舉辦一次校大學生物理學術競賽活動。這次活動旨在培養學生的創新意識、創新能力、協作精神和實踐能力，同時也為全國大學生物理學術競賽選拔參賽隊員。在這兩次競賽活動中，無論是賽前的選手培訓，還是賽場上現場演示答辯，我們的物理演示實驗平臺均起到了重要的作用。我校先后在全國的大學生物理學術競賽中取得可喜的成績，分別榮獲了2012年的全國比賽二等獎、2013年的全國比賽一等獎和2014年唯一的特等獎。

2.3 演示實驗體系的考核評估

在大學物理的實驗教學中, 我們通過在學期末大學物理試卷中引入演示實驗的考核來定量評估物理演示實驗的實際教學效果(如學生的掌握情況, 演示實驗項目合理性)。根據學生專業特色和物理基礎的具體情況劃分, 大學物理分為三個層次。在大學物理的試卷中，共設置5道演示實驗題目，要求學生任意選擇一題，總分值為5分。我們定量地對答題內容進行評分。表1給出了2004年春季學期我校物理演示實驗0～5分數段情況(近3 074人)。從整體上看，0～4分數占較小的比例，而5分則占近70%比例。這說明大多數學生對演示實驗有較深的印象，對其蘊含的物理概念有著較為深入的理解，并且能夠很好地掌握演示實驗所對應的教學內容。

表1 演示實驗分數分布情況(2004年春季學期)

3 結 語

本文介紹了哈工大的大學物理演示實驗體系的平臺建設和教學實踐。該演示實驗體系充分地體現了學校的工科特色和物理系的學科優勢。我們將課堂演示、圓桌討論、展覽室參觀作為直接教學實踐的主要方式，培養學生從知識學習能力向科研創新能力和工程實踐能力轉變。我們還開展了系列措施包括創新實驗、物理節、物理競賽等潛移默化地啟發學生的科研興趣和激發學習熱情，達到培養學生自主探究意識和提高科研創新能力的人才培養目標。最后，還將演示實驗考核引入到大學物理課程的考核當中，對學生的學習效果進行評估。

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Practice and Explore on Physics Demonstration Experiment System of Engineering Colleges

JINChen-fei,ZHANGSi-qi,HANQuan,ZHANGLing-li,WANGXiao-ou,ZHAOYuan

(Department of Physics，Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China)

In universities, traditional physics classroom demonstration experiments mainly help students to acquire knowledge of physics. However, these demonstration experiments are too simple and intuitive in form to stimulate students the deeply consideration and exploration of physical natures. The students passively accept knowledge and unable to participate in the design, production, presentation of these demonstration experiments. Considering our own characteristics and students’ conversion from the ability to learn knowledge to the research innovation capacity and engineering practice capacity, we launch a teaching reform and put it into practice around this new multi-level demonstration experiment system. Years of teaching practice shows that such a demonstration experiment system through interactive teaching can greatly excite students to gain knowledge and exercise thinking ability. Thus, it plays an extremely important role in enhancing students’ comprehensive quality and research innovation capacity.

demonstration experiment; university physics; teaching methods reform; engineering colleges

2015-04-21

黑龍江省高等學校教改工程項目(JG2013010239)

靳辰飛(1979-)，男，內蒙古集寧人，博士，副教授，主要從事大學物理、光電信號檢測與處理等課程的教學。

Tel.：0451-86414132；E-mail：jinchenfei@hit.edu.cn

O 4-33，G 420

A

1006-7167(2016)04-0194-04