物理實(shí)驗(yàn)在線上教學(xué)及新工科建設(shè)中的作用*

李旭光，孫錫良

（中南大學(xué)物理與電子學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

1 引言

物理學(xué)既是一門(mén)理論科學(xué)，又是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)，理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成。過(guò)去，大學(xué)物理課程在開(kāi)展線上教學(xué)的時(shí)候，遇到的最為突出的問(wèn)題就是理論與實(shí)驗(yàn)脫節(jié)，甚至是完全就沒(méi)有實(shí)驗(yàn)支撐。無(wú)論是過(guò)去的網(wǎng)絡(luò)資源共享課，還是現(xiàn)在推廣的MOOC金課，都開(kāi)始突顯實(shí)驗(yàn)教學(xué)之于在線教學(xué)的重要價(jià)值[1]?！靶鹿た啤笔侵袊?guó)教育工作者對(duì)于新形勢(shì)、新環(huán)境、新需求下如何培養(yǎng)新型工科學(xué)生達(dá)成的初步共識(shí)，實(shí)現(xiàn)這一共識(shí)的途徑多種多樣，既可以進(jìn)行理論創(chuàng)新，更需要進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新[2]?！靶鹿た啤北仨殲樾录夹g(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)，課程建設(shè)必須增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)[3]。在工科院校，物理演示實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)物理課程的一部分，在教學(xué)實(shí)踐中起到貫通理論與實(shí)踐的作用，重要的實(shí)驗(yàn)即可以延伸為工業(yè)應(yīng)用過(guò)程，不同的領(lǐng)域?qū)?yīng)著不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 演示實(shí)驗(yàn)可將物理理論呈現(xiàn)為有用的應(yīng)用科學(xué)

大學(xué)物理的教學(xué)過(guò)程，既要重視經(jīng)典理論的傳授與解惑，也要重視用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明理論的確定性，因此，大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程的實(shí)踐性改革或許將成為一種趨勢(shì)。如果從理論上講直升機(jī)起飛原理，絕大部分學(xué)生難以理解，因?yàn)橹鄙龣C(jī)的起飛與客機(jī)的起飛在原理上有不同之處，不只是涉及伯努力方程。如果能借用一個(gè)帶機(jī)翼的直升機(jī)模型做講解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)角動(dòng)量守恒原理最直觀的應(yīng)用場(chǎng)景，直升機(jī)旋轉(zhuǎn)，是因?yàn)榻莿?dòng)量守恒的要求，直升機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，也是因?yàn)榻莿?dòng)量守恒，只是借助尾翼的平衡作用，把旋轉(zhuǎn)與平衡的現(xiàn)象結(jié)合原理對(duì)照講解，學(xué)生們就會(huì)豁然開(kāi)朗，如果利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)再拓展到直升機(jī)實(shí)際飛行要求，還有更多拓展性知識(shí)可以延伸，這對(duì)航空航天專(zhuān)業(yè)的學(xué)生有非常好的導(dǎo)向作用。一堂好的實(shí)驗(yàn)課，可以讓學(xué)生體驗(yàn)到大學(xué)物理的“實(shí)”——有用的科學(xué)。

表面張力，處處可見(jiàn)，但極少感知它有具體的實(shí)際應(yīng)用，一般性的原理講解中，也不會(huì)聯(lián)系到工程實(shí)踐。實(shí)際上，選礦工程中的浮選工藝及環(huán)境處理工藝等都是表面張力的最直接應(yīng)用。根據(jù)表面張力原理，污水中的各類(lèi)固體污染物黏附在分散的小氣泡上，當(dāng)空氣通入到廢水時(shí)，廢水中大量細(xì)小顆粒物共同組成一個(gè)相對(duì)固定的三相體系，細(xì)小顆粒物會(huì)粒黏附到氣泡上面并使氣泡界面發(fā)生張力變化。顆粒黏附于氣泡的多少與顆粒和液體的表面張力有關(guān)。親水性顆粒較易被水潤(rùn)濕，水分子與顆粒間有比較強(qiáng)的附著力，氣泡不會(huì)把水分子推開(kāi)，因而該類(lèi)顆粒不易黏附于氣泡上，就不會(huì)被除去。與之對(duì)應(yīng)的是，疏水性顆粒則容易附著于氣泡上面，從而實(shí)現(xiàn)分離。若要用浮選法分離親水性顆粒(如紙漿纖維、煤粒、重金屬離子等)，就必須添加適量的浮選劑，以此改變顆粒表面的張力性質(zhì)，達(dá)到轉(zhuǎn)型為疏水性的目標(biāo)，這樣就會(huì)更易于黏附在大量的氣泡上面。合適的浮選劑，具有強(qiáng)大的起泡作用，可使廢水中的空氣形成比較穩(wěn)定的大小氣泡，讓氣浮變得更加容易。

線上教學(xué)如何直觀反映表面張力？實(shí)現(xiàn)方法很多，一是可以吹肥皂泡，二是可以小氣筒給松香油吹氣，三可以給有機(jī)硅油吹氣，對(duì)比各自形成氣泡的難度和大小，從而可以看出兩相間的表面張力不同。還可以取一塊普通玻璃板，然后把三種液體分別滴一小滴于玻璃板上，然后觀察液滴的形狀，再分析不同液體在同一界面上表面張力的差異。

3 利用物理實(shí)驗(yàn)有效組織移動(dòng)課堂

過(guò)去，物理課只能在線下進(jìn)行，形式非常固定?，F(xiàn)在，線上教學(xué)已經(jīng)可以移植到各類(lèi)場(chǎng)景。在講授電磁波的時(shí)候，可以針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中人們對(duì)電磁輻射的恐懼心理，帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)地測(cè)量各類(lèi)通信工程設(shè)施附近的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。即使是學(xué)習(xí)物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在很多情況下，對(duì)高壓輸電線路都不敢隨意接近，主要是感覺(jué)不安全。不過(guò)，如果帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)演示室進(jìn)行一次高壓輸電線實(shí)踐操作，對(duì)高壓安全性就有了完全不同的理解。大學(xué)物理演示及科普實(shí)驗(yàn)館是大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐中開(kāi)展多年的創(chuàng)新型實(shí)踐基地，它可以承擔(dān)各個(gè)物理知識(shí)點(diǎn)組織移動(dòng)課堂的任務(wù)。在5G時(shí)代，信息傳輸越來(lái)越快，也越來(lái)越便捷，移動(dòng)課堂既可以師生協(xié)同進(jìn)行，也可以由老師單獨(dú)操作并在線傳輸，讓處于不同時(shí)空的學(xué)生都有身臨其境的感受。

在發(fā)達(dá)國(guó)家，綜合性大學(xué)都設(shè)有天文專(zhuān)業(yè)，而在中國(guó)，總共就幾十所大學(xué)有成體系的天文專(zhuān)業(yè)，天文知識(shí)在物理學(xué)教學(xué)過(guò)程中都是選擇性一筆帶過(guò)，很少做展開(kāi)，更談不上天文觀測(cè)實(shí)踐。近年來(lái)，大部分高校物理學(xué)院和物理專(zhuān)業(yè)系部，陸續(xù)開(kāi)始建立起自己的天文小組，并且以選修的形式開(kāi)展天文教學(xué)，天文觀測(cè)儀器越來(lái)越緊跟發(fā)達(dá)國(guó)家，這為開(kāi)展集體性天文觀測(cè)活動(dòng)提供了條件，也為實(shí)現(xiàn)線上天文觀測(cè)提供了可能，白天，可以用日耳鏡觀測(cè)太陽(yáng)黑子，晚上，可以用望遠(yuǎn)鏡展示月球、金星和燦爛星空。野外觀測(cè)，只須把觀測(cè)到的現(xiàn)象直接通過(guò)轉(zhuǎn)接設(shè)備接入到電腦，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳播到各個(gè)學(xué)生手上的觀測(cè)終端。

4 借助演示實(shí)驗(yàn)開(kāi)通創(chuàng)客課堂

2020年的全球疫情給教育活動(dòng)產(chǎn)生了巨大影響，過(guò)去那種老師帶學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展創(chuàng)新工作就無(wú)法開(kāi)展，“創(chuàng)客”課題無(wú)法展開(kāi)。然而，大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室既有基礎(chǔ)理論實(shí)驗(yàn)，又有物理探索性實(shí)驗(yàn)，具備其它實(shí)驗(yàn)所沒(méi)有的靈活方式，有條件開(kāi)展在線創(chuàng)新活動(dòng)，創(chuàng)客小組可以通過(guò)虛擬仿真的方式線上進(jìn)行，由大學(xué)物理老師提出創(chuàng)新課題，通過(guò)“騰訊會(huì)議”集體討論創(chuàng)新方案，然后確定多路徑創(chuàng)新方向，再分組實(shí)驗(yàn)并提交創(chuàng)新產(chǎn)品。除了開(kāi)展網(wǎng)上創(chuàng)客課題，還可以組織部分有創(chuàng)新思想的工科學(xué)生以自身專(zhuān)業(yè)為導(dǎo)向進(jìn)行理工結(jié)合的交叉實(shí)驗(yàn)，甚至還可以工程為中心，以個(gè)性化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、獨(dú)立性制造為核心內(nèi)容，參與到大型科學(xué)研究課題中來(lái)，如果是以學(xué)生為主的科研實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可讓學(xué)生對(duì)實(shí)現(xiàn)的課題成果享有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

遠(yuǎn)程充電技術(shù)正在成為人類(lèi)輸電技術(shù)革命的一個(gè)重要研究方向，這項(xiàng)技術(shù)，導(dǎo)入并不困難，但推進(jìn)到工業(yè)應(yīng)用卻非常困難。在線上開(kāi)展遠(yuǎn)程創(chuàng)新活動(dòng)可在一定程度上啟發(fā)學(xué)生初步觀察到現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)，具體方法可以參照電磁波的發(fā)射與接收，實(shí)驗(yàn)器材只需要準(zhǔn)備J1206型感應(yīng)圈、氖管、干電池、自制天線和導(dǎo)線即可，從氖燈的發(fā)光可以觀察到無(wú)線接收電能的可實(shí)現(xiàn)性，如果能實(shí)現(xiàn)相鄰宿舍的電能傳輸，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)激起學(xué)生非常大的研究興趣，以此為路徑起點(diǎn)，可探索工業(yè)用電遠(yuǎn)程傳輸?shù)脑砑皞鬏斝省?/p>

5 依靠演示物理實(shí)驗(yàn)大力推行在線微課堂

在MOOC教學(xué)正風(fēng)靡全國(guó)的同時(shí)，SPOC教學(xué)也緊緊跟進(jìn)，大學(xué)物理教學(xué)共享資源課就變得非常重要，如果沒(méi)有大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)作為支撐，共享課互動(dòng)性差，吸引力也會(huì)相當(dāng)差。在線教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)性太強(qiáng)，各高校推出的單元式視頻碎片化問(wèn)題非?？粘?，無(wú)法幫助學(xué)生深入理解物理概念。為了改變這一局面，在線課堂還可積極探索有生動(dòng)實(shí)驗(yàn)配套的在線微課堂，在微課堂中，老師分配任務(wù)，學(xué)生組織在線直播，選課班級(jí)集體共享視頻場(chǎng)景，學(xué)生討論之后，最后再由老師在線點(diǎn)評(píng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和拓展應(yīng)用。在線微課堂的教學(xué)重點(diǎn)是培養(yǎng)大學(xué)生的質(zhì)疑精神和求真態(tài)度，不同的指標(biāo)路徑下，會(huì)有不同的現(xiàn)象和結(jié)論，從而引伸出不同的工程應(yīng)用分支。通過(guò)討論典型問(wèn)題，及時(shí)解決學(xué)生不理解的概念和現(xiàn)象。疫情期間，本課題物理教研組借助十個(gè)典型實(shí)驗(yàn)開(kāi)展“在線實(shí)驗(yàn)微課堂”與“理論示范課堂”的有效結(jié)合，讓線上教學(xué)豐富多彩。

在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中穿插線上實(shí)驗(yàn)微課堂應(yīng)該遵循四個(gè)“必須”：實(shí)驗(yàn)材料必須容易獲得；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象必須清晰明顯；實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)物理原理的解釋必須精準(zhǔn)；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析必須有拓展性。運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)可以選擇跳芭蕾舞來(lái)闡釋轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，不需要儀器，每個(gè)人都可以現(xiàn)場(chǎng)表演。光學(xué)實(shí)驗(yàn)可以選擇光的衍射，只需要一支激光筆和一張硬紙片，選擇光的偏振實(shí)驗(yàn)，只需要網(wǎng)購(gòu)兩張或多張簡(jiǎn)易偏振片。電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)跟工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活聯(lián)系緊密，實(shí)驗(yàn)材料最容易準(zhǔn)備，家用微波爐、電磁爐都是教學(xué)工具。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康某溯^好地幫助理解物理原理，更重要的目標(biāo)是讓學(xué)生懂得物理理論對(duì)工程領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。講電磁感應(yīng)，講渦流的熱效應(yīng)，可以進(jìn)一步拓展到工業(yè)感應(yīng)電爐的使用，尤其是要求學(xué)生理解工頻、中頻和高頻的實(shí)現(xiàn)途徑，以及各自的應(yīng)用范圍，一般性鑄造產(chǎn)品，中低溫合金的生產(chǎn)，高溫合金的生產(chǎn)，各自的設(shè)備選擇和條件選擇都關(guān)系到材料的物理性質(zhì)。

6 把物理實(shí)驗(yàn)有效整合到物理課程教學(xué)資源體系中

演示物理實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)物理理論課的輔助教學(xué)過(guò)程，幾十年來(lái)，能夠共享的理論資源已經(jīng)非常豐富，不過(guò)，大多局限于輔助教師，而不是以學(xué)生為中心的傳授過(guò)程，因?yàn)榇蠹伊?xí)慣于把大學(xué)物理視為理論課，而不是與工程相關(guān)的基礎(chǔ)課。如果SPOC教學(xué)以后要實(shí)現(xiàn)常態(tài)化，如果大學(xué)物理教學(xué)要適應(yīng)新工科改革，課程資源建設(shè)就必須考慮到實(shí)驗(yàn)資源，尤其是做好與各工程專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景有效嫁接。

信息化時(shí)代，大學(xué)物理教學(xué)改革必須積極推進(jìn)MOOC資源建設(shè)和SPOC教學(xué)模式，在這個(gè)進(jìn)程中，大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作者需要建設(shè)的配套資源體系主要有：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件，物理實(shí)驗(yàn)課程視頻，重點(diǎn)環(huán)節(jié)的示范課堂交互視頻，移動(dòng)課堂的實(shí)驗(yàn)視頻，在線微課堂的操作與研討視頻，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及創(chuàng)新成果報(bào)告，物理理論與專(zhuān)業(yè)理論相結(jié)合的交叉型教材體系。

物理演示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，依循的路徑主要是：力、熱、電、聲、光和電磁學(xué)普通實(shí)驗(yàn)體系；深空科學(xué)與近代物理實(shí)驗(yàn)體系；現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)及家庭生活涉及的物理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)體系；未來(lái)科學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)體系。要把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)等融為一體，從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上著力，在工業(yè)應(yīng)用上深入探究，向未來(lái)創(chuàng)新上努力拓展，用不斷完善的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)為物理教學(xué)和科學(xué)研究服務(wù)。

7 結(jié)語(yǔ)

線上教學(xué)已經(jīng)不只是應(yīng)急需要，必將成為未來(lái)的重要教學(xué)模式，單調(diào)的線下教學(xué)模式已經(jīng)一去不復(fù)返。線上教學(xué)和“新工科”建設(shè)重在求新，大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)必須服務(wù)于SPOC教學(xué)模式，除此之外，創(chuàng)新重點(diǎn)還要服務(wù)于理論教學(xué)有效嫁接各類(lèi)工程應(yīng)用專(zhuān)業(yè)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的交叉融合。大學(xué)物理課堂實(shí)驗(yàn)和在線實(shí)驗(yàn)首先必須能夠讓學(xué)生感受到物理理論的有用性，物理實(shí)驗(yàn)各個(gè)操作環(huán)節(jié)還必須能夠體現(xiàn)出師生互動(dòng)性，部分實(shí)驗(yàn)可以借用虛擬仿真。新型科技產(chǎn)品以越來(lái)越迅猛的速度走向市場(chǎng)，這對(duì)物理教學(xué)提出了新挑戰(zhàn)，尤其是在物理實(shí)驗(yàn)的拓展講解中，必須體現(xiàn)出最新科技產(chǎn)品的理論支撐點(diǎn)。如果能夠有效地把經(jīng)典物理理論、近現(xiàn)代物理理論、物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和各工程專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)融為一體，必定能最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，大學(xué)物理線下課堂和線上課堂也必將保持雙向旺盛的生命力。