物理實驗在線上教學及新工科建設中的作用*

李旭光，孫錫良

（中南大學物理與電子學院，湖南 長沙 410083）

1 引言

物理學既是一門理論科學，又是一門實驗科學，理論教學和實驗教學相輔相成。過去，大學物理課程在開展線上教學的時候，遇到的最為突出的問題就是理論與實驗脫節，甚至是完全就沒有實驗支撐。無論是過去的網絡資源共享課，還是現在推廣的MOOC金課，都開始突顯實驗教學之于在線教學的重要價值[1]?！靶鹿た啤笔侵袊逃ぷ髡邔τ谛滦蝿?、新環境、新需求下如何培養新型工科學生達成的初步共識，實現這一共識的途徑多種多樣，既可以進行理論創新，更需要進行實踐創新[2]。“新工科”必須為新技術、新業態、新產業、新模式的新經濟發展服務，課程建設必須增加實驗教學環節[3]。在工科院校，物理演示實驗作為大學物理課程的一部分，在教學實踐中起到貫通理論與實踐的作用，重要的實驗即可以延伸為工業應用過程，不同的領域對應著不同的應用場景。

2 演示實驗可將物理理論呈現為有用的應用科學

大學物理的教學過程，既要重視經典理論的傳授與解惑，也要重視用實驗來證明理論的確定性，因此，大學物理教學過程的實踐性改革或許將成為一種趨勢。如果從理論上講直升機起飛原理，絕大部分學生難以理解，因為直升機的起飛與客機的起飛在原理上有不同之處，不只是涉及伯努力方程。如果能借用一個帶機翼的直升機模型做講解，就會發現角動量守恒原理最直觀的應用場景，直升機旋轉，是因為角動量守恒的要求，直升機停止旋轉，也是因為角動量守恒，只是借助尾翼的平衡作用，把旋轉與平衡的現象結合原理對照講解，學生們就會豁然開朗，如果利用這個實驗再拓展到直升機實際飛行要求，還有更多拓展性知識可以延伸，這對航空航天專業的學生有非常好的導向作用。一堂好的實驗課，可以讓學生體驗到大學物理的“實”——有用的科學。

表面張力，處處可見，但極少感知它有具體的實際應用，一般性的原理講解中，也不會聯系到工程實踐。實際上，選礦工程中的浮選工藝及環境處理工藝等都是表面張力的最直接應用。根據表面張力原理，污水中的各類固體污染物黏附在分散的小氣泡上，當空氣通入到廢水時，廢水中大量細小顆粒物共同組成一個相對固定的三相體系，細小顆粒物會粒黏附到氣泡上面并使氣泡界面發生張力變化。顆粒黏附于氣泡的多少與顆粒和液體的表面張力有關。親水性顆粒較易被水潤濕，水分子與顆粒間有比較強的附著力，氣泡不會把水分子推開，因而該類顆粒不易黏附于氣泡上，就不會被除去。與之對應的是，疏水性顆粒則容易附著于氣泡上面，從而實現分離。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，達到轉型為疏水性的目標，這樣就會更易于黏附在大量的氣泡上面。合適的浮選劑，具有強大的起泡作用，可使廢水中的空氣形成比較穩定的大小氣泡，讓氣浮變得更加容易。

線上教學如何直觀反映表面張力？實現方法很多，一是可以吹肥皂泡，二是可以小氣筒給松香油吹氣，三可以給有機硅油吹氣，對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 利用物理實驗有效組織移動課堂

過去，物理課只能在線下進行，形式非常固定?，F在，線上教學已經可以移植到各類場景。在講授電磁波的時候，可以針對現實生活中人們對電磁輻射的恐懼心理，帶領學生實地測量各類通信工程設施附近的電磁場強度。即使是學習物理專業的學生，在很多情況下，對高壓輸電線路都不敢隨意接近，主要是感覺不安全。不過，如果帶領學生進演示室進行一次高壓輸電線實踐操作，對高壓安全性就有了完全不同的理解。大學物理演示及科普實驗館是大學物理教學實踐中開展多年的創新型實踐基地，它可以承擔各個物理知識點組織移動課堂的任務。在5G時代，信息傳輸越來越快，也越來越便捷，移動課堂既可以師生協同進行，也可以由老師單獨操作并在線傳輸，讓處于不同時空的學生都有身臨其境的感受。

在發達國家，綜合性大學都設有天文專業，而在中國，總共就幾十所大學有成體系的天文專業，天文知識在物理學教學過程中都是選擇性一筆帶過，很少做展開，更談不上天文觀測實踐。近年來，大部分高校物理學院和物理專業系部，陸續開始建立起自己的天文小組，并且以選修的形式開展天文教學，天文觀測儀器越來越緊跟發達國家，這為開展集體性天文觀測活動提供了條件，也為實現線上天文觀測提供了可能，白天，可以用日耳鏡觀測太陽黑子，晚上，可以用望遠鏡展示月球、金星和燦爛星空。野外觀測，只須把觀測到的現象直接通過轉接設備接入到電腦，然后通過網絡實時傳播到各個學生手上的觀測終端。

4 借助演示實驗開通創客課堂

2020年的全球疫情給教育活動產生了巨大影響，過去那種老師帶學生在實驗室開展創新工作就無法開展，“創客”課題無法展開。然而，大學物理演示實驗室既有基礎理論實驗，又有物理探索性實驗，具備其它實驗所沒有的靈活方式，有條件開展在線創新活動，創客小組可以通過虛擬仿真的方式線上進行，由大學物理老師提出創新課題，通過“騰訊會議”集體討論創新方案，然后確定多路徑創新方向，再分組實驗并提交創新產品。除了開展網上創客課題，還可以組織部分有創新思想的工科學生以自身專業為導向進行理工結合的交叉實驗，甚至還可以工程為中心，以個性化實驗設計、獨立性制造為核心內容，參與到大型科學研究課題中來，如果是以學生為主的科研實驗過程，可讓學生對實現的課題成果享有知識產權。

遠程充電技術正在成為人類輸電技術革命的一個重要研究方向，這項技術，導入并不困難，但推進到工業應用卻非常困難。在線上開展遠程創新活動可在一定程度上啟發學生初步觀察到現象的實現，具體方法可以參照電磁波的發射與接收，實驗器材只需要準備J1206型感應圈、氖管、干電池、自制天線和導線即可，從氖燈的發光可以觀察到無線接收電能的可實現性，如果能實現相鄰宿舍的電能傳輸，毫無疑問會激起學生非常大的研究興趣，以此為路徑起點，可探索工業用電遠程傳輸的原理及傳輸效率。

5 依靠演示物理實驗大力推行在線微課堂

在MOOC教學正風靡全國的同時，SPOC教學也緊緊跟進，大學物理教學共享資源課就變得非常重要，如果沒有大學物理演示實驗作為支撐，共享課互動性差，吸引力也會相當差。在線教學內容的重復性太強，各高校推出的單元式視頻碎片化問題非?？粘觯瑹o法幫助學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實驗配套的在線微課堂，在微課堂中，老師分配任務，學生組織在線直播，選課班級集體共享視頻場景，學生討論之后，最后再由老師在線點評實驗現象和拓展應用。在線微課堂的教學重點是培養大學生的質疑精神和求真態度，不同的指標路徑下，會有不同的現象和結論，從而引伸出不同的工程應用分支。通過討論典型問題，及時解決學生不理解的概念和現象。疫情期間，本課題物理教研組借助十個典型實驗開展“在線實驗微課堂”與“理論示范課堂”的有效結合，讓線上教學豐富多彩。

在大學物理教學過程中穿插線上實驗微課堂應該遵循四個“必須”：實驗材料必須容易獲得；實驗現象必須清晰明顯；實驗現象對物理原理的解釋必須精準；對實驗結果的分析必須有拓展性。運動學實驗可以選擇跳芭蕾舞來闡釋轉動慣量，不需要儀器，每個人都可以現場表演。光學實驗可以選擇光的衍射，只需要一支激光筆和一張硬紙片，選擇光的偏振實驗，只需要網購兩張或多張簡易偏振片。電磁學實驗跟工農業生產和日常生活聯系緊密，實驗材料最容易準備，家用微波爐、電磁爐都是教學工具。

實驗目的除了較好地幫助理解物理原理，更重要的目標是讓學生懂得物理理論對工程領域的應用價值。講電磁感應，講渦流的熱效應，可以進一步拓展到工業感應電爐的使用，尤其是要求學生理解工頻、中頻和高頻的實現途徑，以及各自的應用范圍，一般性鑄造產品，中低溫合金的生產，高溫合金的生產，各自的設備選擇和條件選擇都關系到材料的物理性質。

6 把物理實驗有效整合到物理課程教學資源體系中

演示物理實驗作為大學物理理論課的輔助教學過程，幾十年來，能夠共享的理論資源已經非常豐富，不過，大多局限于輔助教師，而不是以學生為中心的傳授過程，因為大家習慣于把大學物理視為理論課，而不是與工程相關的基礎課。如果SPOC教學以后要實現常態化，如果大學物理教學要適應新工科改革，課程資源建設就必須考慮到實驗資源，尤其是做好與各工程專業的應用場景有效嫁接。

信息化時代，大學物理教學改革必須積極推進MOOC資源建設和SPOC教學模式，在這個進程中，大學物理演示實驗教學工作者需要建設的配套資源體系主要有：物理實驗教學課件，物理實驗課程視頻，重點環節的示范課堂交互視頻，移動課堂的實驗視頻，在線微課堂的操作與研討視頻，創新實驗項目的設計及創新成果報告，物理理論與專業理論相結合的交叉型教材體系。

物理演示實驗數據庫的建設，依循的路徑主要是：力、熱、電、聲、光和電磁學普通實驗體系；深空科學與近代物理實驗體系；現代工農業及家庭生活涉及的物理應用實驗體系；未來科學的模擬實驗體系。要把現場實驗、虛擬仿真實驗、計算機模擬實驗等融為一體，從基礎實驗上著力，在工業應用上深入探究，向未來創新上努力拓展，用不斷完善的實驗數據庫為物理教學和科學研究服務。

7 結語

線上教學已經不只是應急需要，必將成為未來的重要教學模式，單調的線下教學模式已經一去不復返。線上教學和“新工科”建設重在求新，大學物理演示實驗必須服務于SPOC教學模式，除此之外，創新重點還要服務于理論教學有效嫁接各類工程應用專業，實現理論與實踐的交叉融合。大學物理課堂實驗和在線實驗首先必須能夠讓學生感受到物理理論的有用性，物理實驗各個操作環節還必須能夠體現出師生互動性，部分實驗可以借用虛擬仿真。新型科技產品以越來越迅猛的速度走向市場，這對物理教學提出了新挑戰，尤其是在物理實驗的拓展講解中，必須體現出最新科技產品的理論支撐點。如果能夠有效地把經典物理理論、近現代物理理論、物理實驗教學和各工程專業課程教學融為一體，必定能最大限度地調動學生學習積極性，大學物理線下課堂和線上課堂也必將保持雙向旺盛的生命力。