便攜式演示在應用型本科大學物理“駐波”知識點教學中的應用

李偉萍

摘 要：習總書記指出，要“著重培養(yǎng)創(chuàng)新型、復合型、應用型人才”，這為高等教育人才培養(yǎng)指明了方向，以培養(yǎng)高質(zhì)量本科應用型創(chuàng)新人才為目標，則在整個教學過程中都應注重理論與實踐相融合.而對于應用型本科院校的公共基礎課大學物理而言，面臨著學時偏少、難度較大、抽象度很強等諸多難題，我校借鑒了國內(nèi)、外高校經(jīng)驗，將便攜式演示實驗融入大學物理課堂，大大調(diào)動了學生學習積極性，培養(yǎng)了學生觀察問題、分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新思維、協(xié)同合作的能力，實現(xiàn)了相關知識點的進一步拓展，鍛煉了學生的動手實踐能力，進而從根本上調(diào)動了學生學習大學物理的主觀能動性，取得了良好的教學效果.本文以大學物理“駐波”知識點為例，介紹了我校大學物理便攜式演示實驗進課堂的具體做法.

關鍵詞：駐波;演示實驗;應用型本科;便攜式

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）05-0096-04

1 引言

當前，我國高等教育正處于內(nèi)涵發(fā)展、質(zhì)量提升、改革攻堅的關鍵時期和全面提高人才培養(yǎng)能力、建設高等教育強國的關鍵階段[1].隨著經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，人才供給與需求關系深刻變化，面對經(jīng)濟結(jié)構(gòu)深刻調(diào)整、產(chǎn)業(yè)升級加快步伐特別是創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的實施，高等教育結(jié)構(gòu)性矛盾日益突出，同質(zhì)化傾向嚴重，大部分普通高等院校過于看重學生的理論知識教育，而輕視了學生實踐能力的培養(yǎng)，結(jié)果造成一方面畢業(yè)生就業(yè)難和就業(yè)質(zhì)量低，另一方面生產(chǎn)服務一線緊缺應用型、復合型、創(chuàng)新型人才這一窘境.

2 應用型人才培養(yǎng)目標與傳統(tǒng)大學物理教學模式矛盾凸顯

我校是經(jīng)教育部批準成立的國內(nèi)第一所應用技術(shù)大學，學校秉承“崇實 求精 致良知”的校訓，結(jié)合國家政策、自身專業(yè)特點和優(yōu)勢，著力培養(yǎng)高素質(zhì)、有基礎、有較強創(chuàng)新能力和實踐能力的應用型人才，以適應經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的需要.我們?yōu)楸究粕_設的大學物理學的基本理論滲透在自然科學的各個領域，應用于生產(chǎn)技術(shù)的許多部門，是其他自然科學和工程技術(shù)的基礎，因此大學物理不僅是理工科學生學習專業(yè)知識的基礎，更是培養(yǎng)應用技術(shù)型人才的重要渠道，是高等學校理工科各專業(yè)學生一門重要的通識性必修基礎課[2].但傳統(tǒng)教學內(nèi)容的理論成分較多、抽象程度高，其推導過程較復雜，甚至有些推理過程使用的數(shù)學方法是學生高等數(shù)學中都未講述的，無形中把大學物理課上成了高數(shù)課，這讓學生們“愛恨交加”.而且近些年的高校擴招，導致生源質(zhì)量下滑，學生的學習水平和知識掌握程度層次不一，再加上應用型本科學生理論根底相對比較薄弱，特別是理解能力和數(shù)學應用能力較弱，尤其是我校還有一部分春考學生，沒有高中數(shù)理基礎，對學習物理理論倍感吃力，認為物理難度大、枯燥乏味，談大學物理就色變，學習積極性較低，從而使得學習效果大打折扣，使得應用型人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)困難重重.

3 便攜式課堂演示進課堂的探索

針對這些問題，我們做了很多調(diào)研：在國外很多高校[3]例如MIT的公開課經(jīng)典力學、電磁學等課程中，講解新知識點都會有大量相關實驗演示，取得了非常好的效果;近些年國內(nèi)的很多高校在大學物理理論學時不斷被壓縮的背景下，也采用了相同的措施[4]，這一點非常值得我們借鑒.課堂教學是人才培養(yǎng)的主陣地，所以我們從課堂教學出發(fā)，在大學物理理論講授中插入演示實驗，使學生回歸到物理本真中去，這種有機地融入既提高了學生的學習興趣，活躍了課堂氣氛，又鍛煉了學生的實踐動手能力，提高了他們的創(chuàng)造性思維能力，更好地實現(xiàn)學生的全面發(fā)展.

物理學本身就是一門實驗科學，理論教學是離不開實驗教學的，我們學校已經(jīng)建立了物理演示實驗室并將其用于教學，學生們反映演示實驗可以使抽象的理論知識形象化，很受學生喜歡.但在我們的理論教學中，很多儀器不方便帶入課堂進行課堂演示，單純利用演示實驗室又不能滿足學生理論實踐完全同步的要求，此時便攜式課堂演示實驗就可以充分發(fā)揮它的作用，便攜式課堂演示儀器小型化，便于攜帶，變實驗室演示為理論課堂直接演示，實現(xiàn)了理論與實驗的完美結(jié)合.演示實驗作為輔助理論課教學的重要手段，既能幫助學生理解和掌握課堂所學理論知識，又能提高學生的實踐應用能力.在大學物理課程中，有很多教學內(nèi)容都可將課堂演示實驗融入理論教學，振動和波是應用演示手段最為豐富的部分，教學中可以充分利用課堂演示實驗.在具體的教學中，我們以“駐波”知識點為例，嘗試了將便攜式演示實驗引入理論教學，讓學生在課堂演示活動中激發(fā)自身的思維能力和創(chuàng)造能力，并使學生養(yǎng)成良好的實踐能力，取得了非常好的教學效果.

4 便攜式課堂演示融入“駐波”知識點理論教學嘗試

波動學是大學物理的重要組成部分，波動不僅在自然界中廣泛存在，而且在科學技術(shù)中也有著極其重要的應用，波動學理論在電子通信、聲學、信息科學及現(xiàn)代物理學等領域是不可或缺的必要基礎，因此，研究波動學具有普遍而重要的意義，而駐波是大學物理波動學中的教學難點，“駐波理論”是“A”類知識點，A類內(nèi)容構(gòu)成大學物理課程教學內(nèi)容的基本框架、核心內(nèi)容，是本科生學習本課程應達到的最低要求[2].除此之外，駐波理論在生活中，例如常見樂器二胡、吉他等樂器音調(diào)設計;在工程上，可應用駐波理論來進行建筑聲場設計;在高新技術(shù)領域，如光纖激光器諧振腔的設計，光學精密加工等都將使用或涉及駐波理論.但通過調(diào)研，學生反應這部分知識抽象，單純的公式推導會模糊真正的物理情境，結(jié)果導致本質(zhì)難以理解，為此我們設計了駐波課堂教學演示，詳細分析研究了駐波形成的機理，駐波的基本特征，定性、定量演示駐波的拉力、密度、弦長、頻率等參數(shù)之間的關系，使物理圖像清晰化，知識理解形象化，課堂教學生動化，學生反饋本章中記憶最深刻理解最透徹的就是該部分內(nèi)容，教學效果很好.

4.1 便攜式課堂演示在“駐波”中的實施過程

在通用的大學物理教材中，將振幅相同的兩列相干波，在同一直線上相向傳播時互相迭加而成的波，稱為駐波，英文為“standing wave”，翻譯為“站立的波”.駐波并沒有波形的推進，也沒有能量傳播，參與波動的各個質(zhì)點處于穩(wěn)定的振動狀態(tài)，各振動質(zhì)點的振幅各不相同，但卻保持不變，有些點振幅始終最大，有些點振幅始終為零.

4.1.1 駐波波函數(shù)

設在同一介質(zhì)中，沿x軸正負兩個方向傳播的振幅相同、頻率相同、同方向振動的兩列簡諧波的波函數(shù)分別為

二者的合成波

利用三角函數(shù)的和差化積公式可得

此式即為駐波方程.式中2A0cos（x）表示簡諧振動，表示坐標x處質(zhì)點簡諧振動的振幅，所以，駐波方程表示的是系統(tǒng)各質(zhì)點具以相同頻率，不同振幅作特殊振動[5].

通常，我們在實驗室可以使用電動音叉來演示弦線上的駐波實驗，這種方法雖然現(xiàn)象明顯，但需要在實驗室操作，在進行理論講解時隨時演示有一定困難.在我校的大學物理課上，首先會給學生播放演示動畫，如圖1，以調(diào)動學生學習興趣，在具體的講授中，再借助于多媒體動畫，如圖2，讓學生觀看駐波形成過程，引發(fā)學生思考，此時學生的興趣上來了，但還未“信以為真”，在這個最恰當?shù)臅r候，將便攜式駐波演示儀將整吸附在黑板上，將頻率逆時針調(diào)到最低，打開電源，逐漸提高頻率，觀察繩波狀態(tài)，直至出現(xiàn)駐波時微調(diào)頻率使其穩(wěn)定，此時學生“心服口服”.讓學生在真實場景中觀察到駐波的特點，看到真實的物理圖像，如圖3，加深了學生的記憶，使抽象的理論具體化，同時了增強課堂教學的吸引力，激發(fā)了學生的求知欲.

4.1.2 駐波的波腹和波節(jié)

形成駐波時，各點都在作簡諧振動，各點振動的頻率相同，即為原來波的頻率，但各點的振幅隨位置的不同而不同.我們討論兩類特殊位置：當cos（x）=0時，振幅為0，稱為波節(jié)，即x=（2k+1）的各點為波節(jié)的位置，因此得到波節(jié)處的坐標為x=（2k+1）（k=0，±1，±2，…）.同理，當cos（x）=1時，振幅為2A0，稱為波腹，即x=k？仔的各點為波節(jié)的位置，因此得到波節(jié)處的坐標為x=k（k=0，±1，±2，…）.介于波腹和波節(jié)之間的各質(zhì)點，他們的振幅隨坐標位置按2Acos（）規(guī)律變化.波腹和波節(jié)是駐波部分非常重要的知識點，對理解駐波特點極其重要，而課堂黑板演示，可以便捷地給學生以“身臨其境”的方式展示波腹波節(jié)的具體位置，加深了對這兩個概念的理解，進而更深刻地理解駐波的本質(zhì).具體演示時，將12V電源驅(qū)動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)輪上的偏心軸帶動彈性繩振動，機械波沿繩傳播.繩的另一端固定在一個吸附在黑板上的立柱上，波在此反射.當滿足公式vn=，n=1，2，3，…時，繩中產(chǎn)生駐波.其中，vn為可能的頻率，L為弦長，F(xiàn)為繩中張力，？籽L為繩的質(zhì)量線密度，我們知道對于張緊的弦線其波速u=.調(diào)節(jié)式可能頻率表達式中的各參數(shù)，可以得到狀態(tài)（頻率，波長）的駐波，見圖3.整個過程我們都可以進行定性的演示：按倍數(shù)改變頻率，可得到不同的波長，同時改變繩長或拉力，波長或頻率隨之改變，此時學生“大呼過癮”.而此時，我們“趁熱打鐵”，進一步加強內(nèi)容的深度，利用演示實驗可實現(xiàn)控制變量，定量地演示駐波與拉力、密度、弦長、頻率等因素的關系，見圖4，這些所有的變化，學生都可以“親眼目睹”并“親力親為”.除此之外，還可以在給定條件下先讓學生理論分析再進行實驗驗證：在張力相同的情況下，通過調(diào)節(jié)頻率可以展示弦線所承載的不同波長;在頻率相同的前提下，通過調(diào)整兩個固定端的距離，即弦長，以實現(xiàn)張力可調(diào)所帶來的波長可調(diào);演示同一頻率下，張力對波長的影響;同樣大小張力下，頻率對波長的影響等等.學生都可以親自在教室里實地操作，這個過程中進行了師生互動、生生互動，不僅有助于培養(yǎng)學生動手能力，還可以擴展學生知識面，有助于學生創(chuàng)新性、批判性思維的培養(yǎng)，適合啟發(fā)式教學.

4.1.3 駐波位相分布特點

如果把相鄰兩波節(jié)之間的各點視為一段，由余弦函數(shù)的取值規(guī)律可知，cos（x）的值對同一段內(nèi)的各質(zhì)點有相同的符號;對于分別在相鄰兩段內(nèi)的兩質(zhì)點則符號相反.以2Acos（x）作為振幅，這種符號的相同或者相反就表明，在駐波中，同一段上的各質(zhì)點振動位相相同，相鄰兩段中各質(zhì)點的振動位相相反.因此，實際上是介質(zhì)一種特殊的分段振動現(xiàn)象.同一段內(nèi)各質(zhì)點沿相同方向同時到達各自振動位移的最大值，又沿相同方向同時通過平衡位置;而波節(jié)兩側(cè)各質(zhì)點同時沿相反方向到達振動位移的正、負最大值，又沿相反方向同時通過平衡位置.以上理論講解，我們都可以通過課堂演示，讓學生由書本上抽象的理論，過渡到教室里真實的課堂演示，思維逐步提升，記憶逐漸加強.

4.2 “居家版”演示實驗新嘗試

在2020突發(fā)的新冠疫情期間，學校延期開學開展網(wǎng)上在線教學，我們的便攜演示只能以視頻的形式發(fā)給學生觀看，為了彌補“隔空演示”的不足，我們也給學生提供了“居家版的弦振動實驗演示”采用電動牙刷作為震源，連接一根弦線，通過改變距離可以產(chǎn)生較穩(wěn)定的駐波現(xiàn)象.學生雖在家里，但也一樣看到了物理現(xiàn)象、物理過程，又全程親手進行操作，達到了課堂演示的效果.這給了我們一個全新的教學思路，探索在線教學模式下如何根據(jù)知識點設計演示實驗，利用生活中常見的物品制作實驗裝置，通過簡單的裝置，做出比較可靠的實驗結(jié)果，這更能讓學生理論聯(lián)系實踐，如果學生還有余力，還可以進一步分析實驗裝置、實驗方法的不足，討論改進的辦法，這個過程中實現(xiàn)了對學生探索精神和創(chuàng)新意識的培養(yǎng).并且目前的智能手機中配置有大量的傳感器，這些傳感器可以實現(xiàn)大部分普通物理實驗數(shù)據(jù)的測量，例如下載手機應用軟件Phyphox就可以實現(xiàn)相應的傳感器功能，這都為我們?nèi)蘸蟮慕虒W積累了豐富的素材.

5 便攜式課堂演示實驗助力應用型人才培養(yǎng)

我校的大學物理課中融入了很多課堂演示，如振動和波部分的旋轉(zhuǎn)矢量與簡諧振動、電磁阻尼;力學部分的角速度合成、角動量守恒、錐體上滾、翼型升力;電磁學部分的輝光球、洛倫茲力、安培力演示等等，都取得了非常好的教學效果.大學物理中有很多抽象理論，沒有實驗演示是很難在學生頭腦中形成清晰的物理情境，而在理論教學中融入演示實驗能很好地起到激發(fā)學習興趣、促進學生思考，鍛煉實踐能力的作用，能夠?qū)⒗碚摵蛯嶒炌昝廊诤希瑵M足多層次的教學要求，既可以對現(xiàn)象做定性解釋，也可以對其進行定量計算，正符合應用型人才培養(yǎng)的要求.綜上所述，物理演示實驗走進課堂，可以在最合適的時候，恰當?shù)亟o學生展示物理現(xiàn)象，引發(fā)學生的求知欲，點燃學生的學習興趣，進而激發(fā)學生自主學習內(nèi)生動力，在這個過程中培養(yǎng)了學生的思辨能力，實現(xiàn)了學生知識、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，符合我校“強基礎、重實踐、培養(yǎng)學生可持續(xù)發(fā)展能力”的人才培養(yǎng)目標，可以很好地助力創(chuàng)新應用型技術(shù)技能型人才培養(yǎng).

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參考文獻：

〔1〕教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見教高〔2018〕2號.

〔2〕教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會.非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求.

〔3〕展凱云.大學物理教學中應用演示實驗的教學方法思考與實踐[J].物理與工程，2016，26（S1）：202-205.

〔4〕宋賢征，竹有章.國內(nèi)大學物理演示實驗教學現(xiàn)狀調(diào)查[J].廣西物理，2009，30（1）：55-57.

〔5〕陳宜生.大學物理學[M].浙江大學出版社，2014.304-305.

〔6〕毛駿健，顧牡.大學物理學[M].高等教育出版社，2013.153-156.