物理演示與探索實驗教學設計

樊英杰

（西北工業大學明德學院通識教育學院，西安 710124）

0 引言

隨著教育部組織實施的“復旦共識、天大行動、北京指南”三部曲的逐漸展開，新工科建設成為了時下教育改革話語中矚目的關鍵詞，其建設內涵主要體現在“以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念；以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑；以培養未來多元化、創新型卓越工程人才為主要目標”的人才培養模式上［1］。國內高校在新工科建設背景下必將更加依賴于教學改革和教學創新，而物理學是一門探究物質基本結構和運動規律的自然科學，物理學中的每個概念的建立、每個定律的發現都源于工程性思維和實驗論證［2］。同時，物理學中的許多發現和重要效應，往往是技術發展的先導，每逢物理學取得一次重要突破，總會導致一場新的重大技術革命。現結合目前國內外（特別是中西部地區）高校在物理學教學過程中的教學現狀以及多年來在物理演示與探索實驗方面開展的一些工作嘗試，探討作為自然科學基礎的大學物理教學過程中，如何在新工科建設背景下發揮物理演示與探索實驗的教學設計功能來提高教學質量和教學效果談談自己的體會和一些做法，以便促進大學物理整體教學水平不斷創新和提高。

1 物理演示與探索實驗教學現狀及分析

物理學是以培養觀察能力和實驗操作技能為主的基礎自然科學，物理學的整個教學過程影響著學生對學習物理思想、方法和原理的初始認知，而演示實驗因其現象生動有趣、操作簡單方便、演示方式靈活，有助于活躍課堂氣氛，激發學生學習興趣，成為廣大學生學習和拓展物理科學知識的重要組成部分［3-5］。

在國外，物理演示與探索實驗目前正處于蓬勃發展期，如美國加州大學洛杉磯分校、斯坦福大學、哈佛大學、麻省理工學院、哥倫比亞大學、德國慕尼黑大學等世界一流大學明確將物理演示與探索實驗確定為物理學教學內容不可分割的一部分，從數量上不但演示項目多、內容豐富，而且自制設備也比較多；在演示的方式上從課內到課外、從教師的被動展演到學生的主動參與等多種教學形式；在課堂學時分配，物理演示與探索實驗學時數占到了整個課堂教學一半左右，其教學思想及教學意義影響深遠，值得學習和借鑒。

在國內，特別是中西部地區，①受空間環境等因素的影響，在物理學的課堂教學過程中仍有采取以“粉筆＋黑板”為主的由教師介紹理論、推導理論、學生被動接受理論的傳統教學模式上，而完全將物理演示與探索實驗引進課堂，讓學生參與其中的主動教學的高校相對較少；②部分高校由于受制于課程學時的限制，在物理學教學設計過程中，物理演示與探索實驗采取的教學方式多樣，有的采取隨堂演示、有的采取參觀展示、有的采取網絡視頻、有的采取模擬仿真等，沒有統一標準和要求；③部分高校由于教師教學科研一肩挑，其精力主要集中在科研工作，而在物理學的教學上投入的精力相對有限，在整個教學過程中只是把物理演示與探索實驗當作教學過程中的一種點綴［6］、插曲，沒有真正體會和認識到物理演示與探索實驗教學的開展對學生認識物理、理解物理、應用物理以及培養科學思維能力的重要性［7］；④國內部分高校（特別是中西部地方高校）物理教師從知識結構、專業結構和教學水平上存在差異，并且對物理演示與探索實驗的認識不足，只能按知識點教學，要讓其在演示實驗教學上拓展知識結構和課程內容時就顯得力不從心；⑤部分高校雖然建設了物理演示與探索實驗室，也購置了一些儀器設備，但和東部發達地區相比仍然存在經費投入不足，與之理論教學配套的儀器相對較少，而且現有的儀器設備也參差不齊；同時也受制于學校激勵政策的影響，教師工作積極性并不高，自制儀器設備少之又少、嚴重不足，急待補充；⑥由于物理演示與探索實驗設備大部分是非標產品，而且也難以形成批量化生產，加之國內生產廠商設計開發人員知識結構和技術水平相對有限，部分儀器設備在開發與設計過程中存在原理缺陷，演示效果較差、出現故障時難以維修，同時也難以生產與現代科學技術相配套的實驗教學設備等［8］。

因此，在分析物理演示與探索實驗教學現狀的基礎上，結合自己的工作實踐，探索在“新工科”建設背景下如何進一步發揮物理演示與探索實驗的教學設計功能來提升物理學的教學質量和教學效果。

2 物理演示與探索實驗教學設計目的及意義

教學設計對整個教學過程起著決定性的作用，是教學工作者依據教學標準和教學對象，從教學目標、教學方式、教學方法、教學策略、教學評價和教學時間安排等方面來確定合適的教學設想和教學計劃的系統工程，其目的是為了調動學習者在學習過程中的積極性和主動性，充分體現教師的主導地位和學生在學習過程中的主體地位［9］，而教學設計者只有在充分了解和掌握學生的原有知識結構和學習行為的基礎上，通過精心設計的教學實踐活動來指導學生在學習過程中重建自己的知識結構體系，重塑自己的學習行為，從而使其在單位時間內獲取更多的知識，發揮其更大潛能，最終使學習者取得更好的發展。因此，教師在物理學的教學中只有在不斷地自主學習、自主創新過程中充分發揮自己的教學設計潛能，結合物理演示與探索實驗的教學特點，主動調動學生的積極性和參與度，最大限度地激發課堂的活力，從而實現教學的最優化，達到提高教學質量和教學效果的目的。

3 物理演示與探索實驗教學設計原則

教學設計是一項系統性工程，它是由教學目標和教學對象分析、教學內容和方法的選擇以及教學評估和教學反饋機制等諸多子系統所組成［10］，因此，為了保證物理演示與探索實驗的教學效果和教學質量，教師在進行教學設計時應遵循以下原則：

（1）系統性原則。教學設計是由諸多子系統構成的有機統一體，其中的各系統之間既是相對獨立，又是相對依存，相互制約，而在諸多的子系統中，各子系統的功能并不等價，其中教學目標起著指導其他子系統的作用［11］。因此，教師在物理演示與探索實驗的教學設計過程中應立足于整體，系統地分析和總結，充分發揮教學目標的指導功能，盡可能做到整體與部分的相對辯證和相互統一，從而達到教學體系的整體優化功能。

（2）目標性原則。教學目標在整體的教學設計過程中起著主導作用，是教學內容、教學方法、教學策略、教學媒體等的總導向，是反映施教者和受教者在整個教學過程中的預期結果。因此，只要教學目標明確，才能實現教學過程的最優化，從而保證課堂教學獲得預期效果。因此，教師在教學設計過程中首先要考慮物理演示與探索實驗在教學過程中所要達到的目標要求，通過目標要求，最終能夠使學生真正體會到所學知識要揭示的物理思想、物理原理、物理方法、物理規律等［12］。

（3）可行性原則。可行性原則通常是指教師在教學設計過程中必須充分考慮人的主觀能動性和儀器設備的可操作性，只有這樣才能保證教學設計最終達到教學目的和教學要求。那么，人的主觀能動性通常要考慮的是學習者的年齡結構、知識水平、操作技能、動手能力等；儀器設備的可操作性通常要考慮儀器設備的安全性、直觀性、可重復性等特點。

（4）啟發性原則。啟發性思維能力的培養是當代教學必不可少的作用。在整體的教學過程中，教師必須以學生為主體，注重培養并充分調動學生學習的主動性，引導他們注意觀察、獨立思考、積極探索，自覺掌握學習知識和提高分析問題與解決問題的能力。因此，教師在設計實驗內容的同時要結合必要的提問、釋疑，啟發思維等教學形式來促使學習者掌握獲取知識和學習方法的能力。

（5）創新性原則。物理演示與探索實驗在設計過程中是要以科學思想為指引，以事實為依據大膽創新，要敢于懷疑和批判，敢于運用發散性思維對現有問題提出質疑，這樣才能尊重科學，發展科學［13］。因此，教師在教學設計過程中充分發揮自己的專業特長，融合相關學科之間的教學特點，科學合理的設計教學案例，以達到教學目的和教學要求。

（6）反饋性原則。反饋性原則通常參考物理演示與探索實驗教學過程的前后變化對比和學生掌握知識的程度進行科學考量來測評教學成效，其目的主要是為了掌握更多的反饋信息，以修正和完善原有的教學設計。

4 物理演示與探索實驗的教學設計基本流程

教師在設計物理演示實驗的過程中，為了保證實驗教學的可持續，一般需要經過選題和目標制定、方案和策略設計、方案評價、教案設計和試教評定、方案實施等階段。通常采取圖1 的流程組織實施。

圖1 物理演示與探索實驗教學設計流程圖

（1）制定教學目標。依據教學大綱、教學目的和教學要求，充分分析教學內容，確定物理演示與探索實驗教學設計課題。同時，在所選課題的基礎上，通過查閱資料和調查分析研究，對教學內容和學習者自身情況等進行深入分析，以制定能夠滿足學習者合理化的教學目標。比如，在“靜電場”這一部分內容中，為了能使學生更深刻的了解該章內容，在制定教學目標時，除了要講授教學大綱所規定的知識點之外，在課程教學過程中引入大量的演示與探索實驗（如：電場線模擬、靜電屏蔽、靜電轉筒、靜電乒乓、靜電小球、靜電植絨、靜電除塵、靜電風輪、尖端放電、高壓帶電作業、怒發沖冠等），通過演示和親身參與，使其融入整個教學活動中，從而激發學生的學習興趣，達到對該章內容的理解與掌握。

（2）教學方案設計。在明確教學目標的基礎上，教師通過分析物理演示與探索實驗教學過程中出現的各類因素，采取系統性原則分析教學中存在的問題，從學生的實際出發，精心設計教學方案，制定教學策略，評定教學過程與教學效果，通過反饋機制解決教學進程中的問題、優化教育教學資源、幫助學習者進行個性化的學習，從而形成比較完整的教學設計方案，以滿足施教者和受教者的各自需求［14］。同樣以“靜電場”內容為例，在設計教學方案時，首先通過實際案例，如秋冬季節在脫衣服時會聽見噼里啪啦的聲音，皮膚會感覺麻麻的刺痛，在比較黑暗的地方偶爾還會看到火花的現象導入課程內容，使學生通過自身的經歷初步了解本講所講知識點。其次，在教學過程的不同階段引入不同的實驗內容，通過簡短精彩的表演和親身參與，激發學生的求知欲，起到突出重點、突破難點、鞏固知識、應用知識的作用，達到較好的教學效果。如，在課前通過“驗電器”“韋氏起電機”“范德格拉夫起電機”的工作原理了解靜電產生的機理；在課中通過“電場線的描繪”“靜電平衡”等實驗了解電荷分布情況；在課后通過“靜電除塵”“靜電植絨”“靜電屏蔽”“高壓帶電作業”“導體中的介質”“怒發沖冠”等實驗內容鞏固所學知識，起到理論與實踐相結合，同時為培養學生的科學思維和工程應用能力打好基礎。

（3）教學方案評價。在教學方案設計的基礎上，為了全面提高教學質量，實現教與學的有效性，通常在一定的周期內要側重于對教師的教學過程（包括課前、課中和課后）進行一定的評價，同時還應包括教學內容、教學目標、教學方法、教學策略和教學效果等的評價，其目的是為了及時了解教師在施教過程中存在的問題與不足，以便于及時反饋和修正，從而為學生的自我學習和自我發展奠定一定的基礎，同時也為教師的專業成長和自身的可持續性發展提供服務與幫助。比如在進行“怒發沖冠”演示實驗時，在教學方案評價過程中，需要考慮其教學內容是否恰當合理、教學目標是否明確、教學重難點是否得當、演示實驗效果是否明顯、儀器設備是否易于操作、是否考慮儀器設備的安全性、學生是否參與其中、是否能夠培養學生的科學素養及實踐動手能力等。

（4）試教并評定。教師在明確教學目標和教學方案評價的基礎上，組織編寫教案進行試教，同時教師還要清楚試教的目的是為了檢驗教學方案是否合理，是為了進一步提高教學質量和改進教學方法的過程。因此，教師在試教的過程中要能夠整體把握自己的課堂，做到能詳能簡、張弛有度；同時在重點與難點上能夠做到由淺入深、由表及里、逐漸深化，在細節上也能夠層層推敲，使學生能夠更加深刻理解和掌握所講內容，最終通過評價與反饋機制對教學方案作進一步修正和改進，以保證教學質量和教學效果進一步提升，從而使學生終身受益。比如在進行“怒發沖冠（15 kV 以上）”“高壓帶電操作（220／380 V）”實驗時，要求學生參與其中，并且是在高電壓下進行的，學生會產生害怕和恐懼感，那么，教師在試教過程中就必須反復推敲、精心設計，避免這種現象發生，從而完成教學內容，達到教學效果。

（5）教學方案實施。在各項指標都滿足要求的情況下，對修正過的教學方案組織實施。在方案實施的過程中，教師應牢牢抓住自己是主導，學生是主體的指導思想，注重調動學生學習的積極性和主動性，采取手腦并用、相互融合、相互滲透的教學手法讓學生真正成為課堂的主人，同時還應做到在潛移默化中培養學生的素質，使學生德智體美勞全面發展。

5 結語

總之，在物理學的整個教學過程中，課堂教學的成敗與物理演示與探索實驗的教學效果是息息相關的，故而與物理演示與探索實驗的教學設計在整個物理學教學設計中所占的地位是也不言而喻的。因此，教師只有通過不斷地自主學習、自主創新，充分發揮自己的潛能，做好物理演示與探索實驗的教學設計，就能找到一個提高課堂教學的突破口，就能以點帶面提高教學質量和教學效果，從而為學生的自主學習和全面發展提供服務與幫助。