大學物理演示實驗教學的探索與實踐

張小玲 鄧玉榮 雷 杰

（武漢理工大學理學院 湖北·武漢 430000）

物理學從根本上說是實驗的科學。任何物理學的理論都是從實驗現象中抽象總結出來并要受到實驗檢驗的[1]。楊振寧先生曾經說過，物理學最重要的部分是與現象有關的，絕大部分物理學是從現象中來的，現象是物理學的根源，也是物理探究的源泉[2]。物理演示實驗鮮明直觀的特點是能創建出理想的物理情景，能充分地展示物理現象，物理課程的教學應該從物理演示實驗的教學開始，通過物理現象去探索物理的本質。所以，物理演示實驗是大學物理課程的關鍵授課手段之一，在教學體系中有著無可替代的地位。

《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》[3]（教高〔2019〕8號）指出：課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。教師需融合創新的方法、現代化技術進行課程的設計與教學。在這樣形勢下，如何充分利用物理演示實驗教學，突出創新元素、優化重構教學內容與課程體系、提高課程質量，培養既具有扎實基本功底，又具有創新意識和創新能力的復合型、應用型人才，是擺在我們面前的刻不容緩的任務。

1 演示實驗教學的必要性

1.1 增強學習興趣與信心

傳統物理課程更傾向于教授理論，許多學生面對繁雜的理論公式往往就會望而生畏，純理論教學教出來的學生往往是高分低能者居多。通過演示實驗的教學，突破習慣性認知模式，有利于激發學生的學習興趣。有趣的實驗現象能引發學生對新知識的渴望，激發學生探究問題的熱情和解決問題的勇氣，提高學生觀察、分析問題的能力，增強學生學習的信心。

1.2 幫助學生正確認知物理理論

物理課程中不乏較為難懂的抽象理論，僅憑教師的講授，學生很難準確和全面的理解和掌握。借助演示實驗的方式，可以化抽象為具象，直觀、生動地展現出各種物理現象，能讓學生在看到現象（物理現象）的前提下學習本質（物理規律），加深學生的感性認識，促進學生對理論知識的理解和思考，使學生能更深層次地掌握物理理論，并能應用于實踐。

1.3 加強與生活及高新技術的聯系

隨著科技的發展，社會的進步，物理已滲入到人類生活的各個領域，當代大學生無論文理或是工科，都應熟知物理常識，區別僅在于側重部分和認知的深淺。演示實驗能直觀形象生動地展示物理與生活及高新技術的聯系，比如避雷針、互感現象、磁懸浮列車、記憶金屬、光纖通訊等演示實驗，能讓學生切身感受到物理觸手可及，對學生起到建立基礎知識儲備和擴展視野的作用。

2 大學物理演示實驗教學現存問題

2.1 教學課時壓縮

國內眾多高校由于專業發展和專業評估等原因，目前普遍存在物理課程學時被壓縮，隨堂演示實驗進一步被削減的情況，甚至，有的高校至今未將演示實驗納入教學體系。鑒于課時壓縮的現狀，如何在已經不多的理論授課學時中讓演示實驗在課堂上占有一席之地，并與大學物理理論教學有機融合，發揮其應有的作用，這是一個值得深入研究和亟待解決的問題。

2.2 演示實驗教學形式單一

大學物理演示實驗在教學形式上多采用傳統模式：教師將準備好的儀器帶到課堂上進行隨堂演示，學生只需觀察。這種形式下，一方面，由于時間和空間的限制，無法保證每位學生清楚仔細的觀察到每個實驗的全過程，使得實驗觀測的覆蓋率不高；另一方面，教師操作儀器展示給學生看，學生仍然是被動接受，少有參與，這種傳統的演示實驗教學模式在教學效果上達不到預期[5]。

2.3 考核方式陳舊

常見的演示實驗課程成績考核方式有兩種[5]：第一種是將學期實驗報告、考勤等一些分數折算后的總和作為成績；第二種是期末的筆試成績。采用以上述兩種方案進行考核時，學生只要保證較高的出勤率，按時提交實驗報告，報告內容規范清晰，或者考前對實驗原理，關鍵實驗操作進行記憶，便可取得優良的分數。這樣的考核方式往往使學生對演示實驗的學習拘泥于形式，學生只是按老師規定的步驟進行操作，學習依然是處于比較被動的狀態，很難培養出主動思考、善于探究、具有創新意識的人才。

3 大學物理演示實驗教學的探索與實踐

3.1 在大學物理理論課教學中融入隨堂演示實驗教學

針對教師對演示實驗重視程度不夠，以及課時縮減演示實驗時間被壓縮的問題，從以下兩個方面進行改進：

3.1.1 提升教師重視程度，演示實驗全面進課堂

在硬件方面，我校教務處在主教學樓調配了一間教室作為大學物理演示實驗儀器陳列室，極大增加了隨用隨取的便利性。在培訓方面，大學物理教研室多次組織專項教研活動，由演示實驗專職教師介紹各種演示實驗器材及其實驗原理、實驗方法并演示其操作過程，以此教研活動促進演示實驗的隨堂教學。同時大學物理教研室將演示實驗納入物理理論課教學的必備環節，達到全面覆蓋的效果。

3.1.2 形成大學物理課程創新教學模式

近5年來，本教學研究團隊以學生為中心設計教學，在大學物理課中引入隨堂演示實驗，提高學生的學習興趣和參與度，在演示實驗的基礎上，引導學生發現問題和提出問題，用問題驅動課堂，內容由淺入深，加深學生對抽象概念的理解，傳授科學研究方法，提升物理思維，培養學生應對未知的探索精神和能力。同時團隊完成了《大學物理》校級在線課程的建設，在教學中，結合在線課程展開線上和線下相結合的教學方式進行教學，把理論課中的部分內容安排學生通過課前和課后的自主在線學習來完成，既緩解了課時緊張的問題，又培養了學生自學能力，給演示實驗教學也留出了足夠的時間與空間。經過幾個階段的教改實踐，教學團隊對大學物理課的定位和教學規律有了清晰的認識，形成了“以實驗為引導、問題為驅動”的大學物理課程創新教學模式。

3.2 建開放物理演示實驗室

由于大學物理課程往往采取的是大班教學形式，僅僅通過隨堂演示，教學效果達不到預期。為了配合大學物理理論課教學，團隊通過建設開放演示實驗室，使每個學生每學期有4個學時到演示實驗室開放學習機會。

開放物理演示實驗室是物理演示實驗教學的主要形式，開放演示實驗室對于提高學生學習物理的興趣、加深學生對抽象物理概念的理解、培養學生動手能力和創新能力都有十分重要的意義和明顯的效果，是《非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求》中提倡的物理演示實驗教學形式，符合理工科大學基礎課加強實驗、實踐環節的教改方向，對提高物理基礎課教學質量，培養高素質創新人才具有深遠的意義。

開放演示實驗室受到學生的普遍歡迎，學生來演示實驗室學習對演示實驗很感興趣，認真看老師演示，積極動手操作，主動提問，課堂氣氛活躍。課后大多數學生表示做演示實驗提高了學習物理的興趣，加深了對理論的理解，擴展了物理知識。不少同學表示還想再來實驗室。

課程結束后，通過匿名形式的問卷調查，調查學生對課程教學的滿意程度。本次調研樣本數為135人，得到的關鍵反饋結果如下：94%的學生認為通過演示實驗，能夠起到加深對理論知識理解的作用；97%的學生認為演示實驗能夠起到增強學生的科學興趣，培養學生科學素養的作用，其中，71%的學生認為起到的作用非常明顯；96%的學生希望后期物理理論課程中繼續開展演示實驗教學。

由調研結果可知，學生對“以實驗為引導、問題為驅動”的大學物理課程創新教學模式認可程度極高，達到了課程建設的預期效果。

3.3 增設公選課，完善考核方式，教與學形成閉環

結合新形勢下的人才培養需求，根據理工科和文科學生群體的特征，新建了《趣味物理》公選課（24學時）。

《趣味物理》是一門面向所有理工科和文科類大學生的公共選修課，是一門以觀察物理現象為出發點的課程，旨在充分展示物理實驗的趣味性，把探索“枯燥的”物理科學理論寓于生動有趣的物理實驗之中。對理工科學生起到銜接高中知識，連接高新科技知識，培養思維體系，提高創新能力的作用。對文科學生起到科普教育，感知生活，培養邏輯思維，全面提高綜合素質的作用。

本課程教材采用授課教師自編《趣味物理》課程講義，課程內容劃分為：運動的奧秘、振動與波的奇妙現象、冷與熱的變換、光的波動魅力、調皮的靜電、電與磁的共舞等六個模塊。課程教學上采用線上線下相結合的教學方式，由授課教師在武漢理工大學網絡教學平臺建設《趣味物理》在線課程，講義內容發布在教學平臺的每個學習單元里，供學生免費學習使用。網絡平臺有針對性的將演示實驗教學內容和知識的應用拓展融合到一起，為學生提供豐富的學習資源，學生通過網絡平臺進行課前的預習以及課后的總結與回顧。

區別于考試及實驗報告的考核方式，課程采用小論文和制作實驗視頻進行考核。

（1）論文考核方式。每位學生在學期末需提交一份演示課程相關的小論文。論文內容包含但不限于以下三個方面：①選取本期課程中最為感興趣的幾個演示實驗，結合自己的操作經歷，說明實驗步驟、實驗內容及結果，并結合實際進行拓展應用。②結合自身學習效果，探討物理演示實驗在培養動手能力和創新能力方面所能起到的影響和作用。③學習本課程后的所受的啟發。這種方式的考核維度包括實驗內容、原理拓展應用和學習心得三個方面，將學生從每次課后的實驗報告中解放出來，給學生一個開放的學習空間，讓學生自由地體驗探究的樂趣，專注于自己最感興趣的現象，用心去體驗實驗本身。當然，學生只有在上課時認真進行試驗，課后有所思考，才能交出一份滿足要求的小論文。

（2）實驗視頻考核方式。在這種方式中，學生自行組隊，以小組的形式對感興趣的試驗進行拍攝，再結合自己的想法與創意構思視頻內容。課程中安排最后兩節課作為展示課，每組代表上臺就本組實驗視頻進行展示和講解。

首先，通過小組合作的方式增強了學生間的溝通協作能力。在拍攝視頻，完成實驗的過程中，學生間能夠共同探討，相互促進，加深對物理現象和本質的理解。其次，由于視頻內容不設限，學生必須自行構思，在構思過程中，必然要自主的思考查取相關知識點，培養了學生發現、探究、解決問題的科學研究的思維和能力。再次，制作視頻需要用到一些視頻剪輯軟件，比如愛剪輯、Premier、AE等，培養了學生的自學能力，強化了與現代化技術的結合。最后，課堂展示環節加強促進了師生互動與生生互動。學生將學到的知識轉化后又輸出給同學與教師，通過展示課的探討與交流，教師與學生都收獲頗豐。課后，老師經過評定，把學生制作的優秀視頻上傳到網絡教學平臺，作為新的教學資源。在這種考核方式下，學生的成果正反饋于教學，教與學形成了一個完整的閉環。

（3）鼓勵學生自己設計制作實驗儀器，并給予額外的加分。

本公選課深受學生喜愛，每學期選課人數都是爆滿。

3.4 面向中小學生進行科普教育

習近平總書記在全國科技創新大會上提出：“科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置。”

從小學到中學再到大學，物理演示實驗一直是學校教育的薄弱點甚至可以說是盲區，學校對學生在這方面的教育是非常欠缺的，不利于學生實踐能力、創新能力和科學探索能力的培養。

隨著教育改革的深入，高校服務社會的工作日益受到社會各界的重視[6]，我校是武漢地區最早把物理演示實驗列為服務社會項目的高校之一。物理系把演示實驗服務社會列為“十三五規劃”重點項目，學校領導親自過問演示實驗服務社會的工作，并對演示實驗室的建設和引進人才等工作給予大力支持。物理演示實驗室與武昌區教育局、洪山區科協及華師一附中等學校和單位聯合舉辦了多次交流活動，并就演示實驗服務中小學的內容、方式以及在我校演示實驗室建設青少年實驗、實踐課程基地和青少年科技創新基地等工作達成共識。華師一附中率先提出與我校簽訂協議，長期系統參加物理演示實驗室組織的各項活動。

我校物理演示實驗室服務社會的工作，受到中小學的學生、老師和家長的歡迎，取得了良好的社會效果。目前已接待社會參觀學習團體近千人。

4 總結

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”大力開展演示實驗教學，激發學生學習興趣和潛能，增強創新精神和實踐能力，促進學生全面發展，是物理教學改革中極為關鍵的舉措。我們相信，隨著演示實驗教學體系的不斷發展與完善，必將對武漢理工大學培養新時期創新型人才和對科普事業的蓬勃發展產生更大的影響力。