復旦大學物理演示實驗教學實踐回顧

呂景林,魏心源

(復旦大學 物理學系,上海 200433)

復旦大學物理演示實驗教學實踐回顧

呂景林,魏心源

(復旦大學 物理學系,上海 200433)

近年來各校物理演示實驗室的規模有了普遍的擴大，但儀器的利用率卻有待提高。復旦大學物理演示實驗室圍繞著如何讓物理演示實驗在培養學生核心素養方面發揮盡可能大作用這一主題，進行了一系列的教學實踐，包括將演示儀器用于理論課堂輔助教學；通過開設選修課，給學生提供一片自由發揮的空間；向全校以及社會開放實驗室等。這些使得演示儀器在各個時間段都得到了充分的利用。特別是物理演示實驗拓展這門選修課，因其獨特的開課方式，在培養學生創新思維、創新能力等方面效果顯著，受到了學生的歡迎，也得到了同行專家的好評，這門課于2014年被評為上海市精品課程。

物理演示實驗； 教學實踐； 課堂演示； 創新平臺； 服務社會

0 引 言

隨著教育經費投入的增加，基礎實驗設施已經擺脫了捉襟見肘的窘況，為了教學和評估的需要，很多高校物理演示實驗從無到有，從小到大，具有了一定的規模。據抽樣調查，截止2012年，75%以上的學校演示實驗室的面積已達到和超過200 m2(抽樣學校32所，其中985學校15所，211學校7所，其他本科院校10所)，吉林大學的物理演示廳甚至達到1 000 m2。而與此不協調的是，有如此規模的演示實驗室中，竟有近1/3的學校沒有一個專職的從事物理演示實驗的實驗員或教師，這使得演示儀器的充分利用受到制約，而長期下去，必然影響到演示實驗室的進一步發展，如何充分發揮演示儀器的作用，走出一條演示實驗持續發展的道路，本文回顧了我校近10年來在演示教學方面的實踐，與同行分享。

1 演示儀器用于理論教學

物理是一門實踐性的學科，縱觀物理學的發展歷程，每一個新理論都或源于對大量實驗現象的歸納總結，或需經過實驗檢驗才得以確立。因而，一直以來，在物理理論的教學中借助于實驗來再現物理過程、驗證物理規律是必不可少的教學手段。這種以輔助理論教學為最初目的的實驗被人們稱之為演示實驗。

我校的物理演示實驗室始建于上世紀50年代，一直以來，堅持在理論課堂上使用演示實驗是我校物理課程的一個傳統，這一傳統也得到了學校的支持，一年級的大學物理課一直盡量排在演示實驗室所在的教學樓，為便于教師攜帶儀器進行課堂演示，演示實驗室準備了100多種儀器，這些儀器涵蓋了力、熱、電、光各部分知識點，大多具備輕便、小巧、易于操作、現象明顯、可重復性好等特點，此外還配了輕便的手推車，值班的老師會隨時向剛上課的青年教師介紹各種演示儀器的使用方法和特點，這些都為理論課的順利進行提供了一定的支持。

從演示儀器的使用效果來看，大大活躍了課堂氛圍，學生的學習興趣和課堂的參與度大幅提高(圖1為學生參與課堂演示場景一例)，通過課堂演示，將各種物理過程生動、形象地展示出來，使學生對理論內容本身有透徹的理解、深刻的記憶，在教務處的教學評估中，學生也會對經常使用演示實驗的老師表示贊許。

圖1 學生參與課堂演示

為了給課堂演示提供盡可能多的素材，演示實驗室堅持自主研發新儀器，近10年，根據教學需要研發的新演示儀器有19套先后在第8～12屆全國高等學校物理演示實驗教學研討會儀器評比中獲獎，其中一等獎6項，二等獎9項，三等獎4項；獲專利5項，其中實用新型專利3項，發明專利2項；錄制實驗錄像80段，這些補充的新資源進一步豐富了課堂演示內容，為物理課的教學增色添彩。

2 將演示實驗室作為培養創新思維、創新能力的平臺

我國學生公認的特點是理論計算能力強，實際動手能力差。這個動手能力不是指某種特定的手工技能，而是指在一切與實踐相關聯的過程中，理論與實踐相脫節的現象。如對物理過程缺乏正確、清晰的物理圖像，以至于對實際出現的現象不會判斷和分析，哪些結果是在預想之中，哪些超出了預料，問題應該從那些條件去找；腦子里只有數學公式，對各個影響實驗結果的因素缺乏數量級的概念，不會半定量的估算，分不清主次；實驗中對實驗儀器和方法不做透徹的了解，所以當需要將實驗進一步深入時，顯得無能為力。另外缺乏良好的實驗習慣，也是我們的學生中普遍存在的問題。如實驗中沒有詳細記錄實驗條件、實驗現象的習慣，只追求數據的多少，導致有時數據測得越多越糊涂。這些問題實際上是由于我們的教育長期重理論、輕實踐導致的。而且我們的實驗課往往缺乏發散性，課上使用的儀器、方法往往都是設計好的，實驗步驟也已經給出，教師用自己的腦力勞動代替了學生的腦力勞動，久而久之，學生便喪失了發散思維，喪失了理論聯系實踐的能力，對實驗的各個細節不會也沒有興趣去探究。

和物理實驗課的儀器相比，演示儀器有種類豐富、涉及知識面廣、與理論課銜接緊密、演示手段多變、現象直觀有趣等特點，因而演示儀器在培養學生學習興趣和創新能力方面都有很大的空間。考慮到物理課主要安排在上午，利用下午的時間，物理演示實驗室又面向學生開出了物理演示實驗拓展、設計性研究性實驗以及一些研究性的項目。其中物理演示實驗拓展是2010年新開出的專業選修課，這是一門頗具特色的課程，其特色表現在：

這是一門具有高度發散性的課程，它不以最后結果為導向，而以培養學生能力為目的，將演示實驗室作為創新平臺，鼓勵學生大膽創新。

課程的發散性表現在課程從形式到內心給學生松綁。形式上的松綁，體現在整個學期只有開學初兩次課是以教師為中心開展活動的，在這個時間里教師向學生介紹演示儀器的特點、本門課程的授課方式、考核方式等，隨后挑選一些儀器演示分析給學生看，這個過程旨在消除學生對演示儀器的陌生感和神秘感，找到一點分析問題的思路。之后的時間做什么、怎么做，全由學生自主選擇，這既有別于理論課的滿堂灌，又有別于通常實驗課按照既定的方法完成既定內容的上課方式，使學生有一種我的課程我做主的自豪感，煥發研究熱情；而內心的松綁，則體現在研究題目本身的選擇沒有好壞之分，課題可以獨自承擔，也可以兩人合作，題目的來源可以自選也可以是從老師給出的題目中挑選。內容可以是對現有演示儀器的原理探究、誤差分析、結構改進，也可以是新演示儀器的設計、制作，還可以通過解剖身邊物品的結構、原理，了解物理理論的實際應用，體會設計者的縝密思考、精巧設計。這方面，我們鼓勵學生大膽拆卸，曾買回過舊的機械鐘、微波爐、電磁爐等供學生研究之用，如果對已選的題目失去興趣，隨時可以更換，一學期可以只研究一個題目也可以研究兩個或兩個以上的題目，如果題目太大，難度太高沒能完成也不會影響成績，一學期里誰的工作做得最多、最出色、進步最快、收獲最大，誰就是成績優異者。這樣學生選題時就不會焦慮、不會患得患失，注意力全部集中在課題研究本身上。

具體的，課程設計成4個階段。第1階段由教師擔任主角——師傅領進門；第2階段是學生的自由體會階段，學生可以對演示室中任何感興趣的儀器進行操作，對實驗現象、實驗儀器剖析、探究，通過2～3周的操作、體驗、分析、討論等，確定接下來的研究題目；第3階段，經過5～6周的研究實踐，大家坐下來談一下各自的研究進展，每個課題10 min內容做成ppt，包括研究的具體內容、資料的查詢、探究的途徑、結果分析、后續工作計劃等；第4階段，再經過6周左右的研究，各組做結題報告，時間仍然是10 min，對一學期的研究工作進行總結、回顧。課程結束時，除提交兩次匯報的ppt外，還需提交一篇研究論文和每次的實驗記錄，成績的評定主要參考一學期的表現。

這樣一門讓學生具有高自由度、高發散性的課程，讓學生耳目一新，給樂于實踐、勇于創新的同學提供了一個平臺，因而學生選課非常踴躍。由于學生的意愿和想法得到了最大程度的尊重，因而學生在課堂上表現出了空前的熱情。以往我們的課程總是要有一些措施來約束和督促學生，但在這里每節課學生們都在專注地傾情投入，無需督促，倒是經常有人早來晚走，下課時間到了也渾然不覺。兩次的課題匯報起到了加油站的作用，雖然教師一再的說明本門課重在過程，結果是次要的，為了能讓自己的課題盡善盡美，學生還是會經常主動找教師要求加課。學生在這門課中有機會充當工程師、研究員、工人、甚至采購員，通過查閱文獻、探究、設計和制作，學生們學會了統籌考慮問題，學會了許多基本工具的使用，探究能力、實踐能力、創新意識都有很大的提高，在合作中，學會了與人溝通，在課題匯報中鍛煉了清晰的表達能力……。圖2所示為課堂剪影示意。

圖2 課堂剪影

在這樣的課程中，教師的位置已從“太陽”轉換成了“月亮”， 教師的工作是盡量為學生的研究創造條件，諸如工具、場地、材料、機械加工等，隨時關注各組的研究進展，當學生的研究遇到瓶頸時，及時與之展開討論，引導學生尋找突破口。由于學生的研究課題五花八門，涉及方方面面，這對教師是一個極大的挑戰。為了滿足學生的各種需求，及時給予他們有效的指導，教師要花費更多的時間準備，其中的辛苦是不難想象的，然而看到學生的迅速成長，這一切都變得那么的值得！這個課堂是雛鷹自由翱翔的藍天，是未來科學家的搖籃！

這樣一門特別的課很讓學生留戀，課程結束時會有同學意猶未盡，詢問后續是否還有類似的課程可以選，可見學生在這門課中真正體會到了創造的快樂，這是一門稱得上幸福指數很高的課程。學生說“我們在演示實驗拓展課上自由自在的學以致用，這才是享受學習。…… 通過知識的積累，完成能力的升華，才是我們的目的。”“說實話，這是我上過的最自由的一堂課，也是讓我真正思考物理的一堂課。以前更多的時候，思考物理是為了做題。而在這里，思考物理純粹為了自己，為了自己想做的事。” “沒有經歷過的事情是不會產生情感的，唯有在這里思考過，設計過，絕望過，絕境逢生過，才會對這些產生真正的愛與期盼，才會真正渴望去探索物理，發自內心，而不是成績。唯有這些可以點燃一個人心中的夢。”

伴隨著學生的成長，幾年來這門課也沉淀出一些研究成果：研究內容已有兩項入選國家級大學生創新訓練計劃項目，一項申請到了學校的曦源計劃；發表文章7篇；編寫制作演示課件1件；設計并開發出可在互聯網上遠程使用的靜電系列演示實驗；6件學生參與研制的儀器在全國演示儀器評比中獲獎，其中一等獎3項，二等,1項，三等獎2項。2014年，這門課獲批上海市精品課程。

3 服務社會

在完成各項教學任務的同時，實驗室還努力挖掘潛力，為盡可能多的人群提供服務，宣傳科學。如每周向全校學生開放2個下午，學生可以自由參觀或自行操作儀器，為文科生、留學生進行專場演示，接待校內學生社團的參觀，接待部分中學生的參觀等，這些活動通過老師的講解和演示，收到了良好的社會效果。來自學生的反饋：“以后多搞類似的活動，這個活動應該推廣到更多的專業里，為通識教育的進行提供一個新的平臺。”“ 很有趣，讓我重新喚起了高中的物理學習經歷。” “突然產生了一種想在大學里學物理的沖動。” “我今天看到了比以前16年所有總和還多的物理實驗,國民教育有很大潛能待開發。”

4 結 語

物理演示實驗室近年來的所有工作都是圍繞著如何讓學生盡可能受益這樣一個宗旨，我們的目標是以豐富的演示儀器為媒介，通過對物理理論的應用，對實驗現象的分析、討論、操作等方式，力圖在物理理論與實際應用間架起一座橋梁，通過學習，提高學生的探究能力，培養學生合理的思維方式和準確的觀察判斷能力，以及清晰的溝通表達能力，將物理演示實驗室建設成為一個進行綜合素質教育的卓有成效的平臺。

未來一段時間的演示教學擬從事3個方向的工作。① 試圖借助于網絡反饋信息，嘗試了解課堂演示教學的最佳模式；② 嘗試將演示實驗引入大學物理實驗課堂中，探索以演示實驗作為輔助的實驗教學模式；③ 繼續通過研制儀器、拍攝錄像等途徑進一步豐富演示資源，全方位的發揮演示實驗的作用，走出一條不斷創新，持續發展的道路。

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Review of Teaching Practice of Physics Demonstration Experiments in Fudan University

LüJinglin,WEIXinyuan

(Department of Physics,Fudan University,Shanghai 200433,China)

In recent years,with the prompt development of physics demonstration lab in many Chinese universities,the sharply expansion of lab space and the rapid increase of physics demonstration instruments are conspicuous.However,the efficiency of demonstration instruments utilization still needs to be improved.Around the theme of maximizing the impact of physics demonstration experiments in the development of students’ core abilities,a series of teaching practices have been made to fully utilize the physics demonstration instruments in physics demonstration lab of Fudan University.The practices include to introduce more physics demonstration instruments in theoretical course teaching,offer the students optional course and allow them to think creatively and practice freely; open laboratory to the whole university and the public,etal.Especially,the course of “Extensional Physics Demonstration Experiments” is warm welcomed by the students,due to its unique way of teaching,the prominent efforts in students’ innovative thinking and creative abilities training.The teaching effectiveness is also highly appreciated by the peer experts.This course was elected “Excellent Course of Shanghai” in 2014.

physics demonstration experiments; teaching practice; classroom demonstration；innovation platform; community service

2016-07-11

呂景林(1959-)，女，湖南永州人,副教授，物理教學實驗中心副主任，研究方向為物理理論及實驗的教學和研究。

Tel.:13032107800; E-mail: lvjinglin@fudan.edu.cn

O 4-33

：A

：1006-7167(2017)07-0178-04