大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)*

金 桂　姚 敏　蔣純志　陳亞琦

(湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院　湖南 郴州　423000)

*湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下理工科學(xué)生創(chuàng)造性思維培育的研究與實(shí)踐”,編號(hào)：XJK012CGD023；湖南省普通高校教學(xué)改革課題資助項(xiàng)目，編號(hào)：2012443，2013452，2015-485；湖南省教育廳科學(xué)研究課題，編號(hào)：14C1061.

大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)*

金 桂姚 敏蔣純志陳亞琦

(湘南學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院湖南 郴州423000)

*湖南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下理工科學(xué)生創(chuàng)造性思維培育的研究與實(shí)踐”,編號(hào)：XJK012CGD023；湖南省普通高校教學(xué)改革課題資助項(xiàng)目，編號(hào)：2012443，2013452，2015-485；湖南省教育廳科學(xué)研究課題，編號(hào)：14C1061.

摘 要：通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行總結(jié)，從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)、實(shí)驗(yàn)室開放、自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備和充分使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源4個(gè)方面闡述了大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的作用．

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)應(yīng)用型人才

1引言

所謂創(chuàng)新素質(zhì)是指能根據(jù)已有的知識(shí)創(chuàng)造出某種獨(dú)特而全新的、具有個(gè)人或社會(huì)價(jià)值產(chǎn)品的素養(yǎng)，這種產(chǎn)品可以是一項(xiàng)新的技術(shù)和工藝，也可以是一個(gè)新的概念或思想．創(chuàng)新素質(zhì)包括創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力兩個(gè)基本要素，前者是指人在客觀事物的刺激之下所產(chǎn)生的改變現(xiàn)狀的欲望，它也是人們進(jìn)行科技創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力，是形成創(chuàng)新素質(zhì)的前提條件；后者則是指人的觀察和實(shí)踐能力，是衡量一個(gè)人創(chuàng)新素質(zhì)高低的重要依據(jù)，人類歷史的發(fā)展表明創(chuàng)新素質(zhì)可以通過后天教育培養(yǎng)．

著名的教育家楊叔子曾經(jīng)說過，創(chuàng)新之根本在于實(shí)踐.大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的最佳途徑之一，因此被普遍使用在大學(xué)物理課堂教學(xué)中．演示實(shí)驗(yàn)從以下幾個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維：

(1)建立教學(xué)情境以激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探索；

(2)觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行邏輯思考；

(3)訓(xùn)練學(xué)生的觀察能力，促進(jìn)其將已掌握的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析；

(4)訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和初步的科學(xué)研究技能，促進(jìn)其在以后的工作或?qū)W習(xí)中采用科學(xué)的方法解決問題．

因此，大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理教學(xué)中的地位不可替代，甚至可以說一節(jié)沒有演示實(shí)驗(yàn)的物理課是不完整的．

2大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)的研究

2.1通過演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程應(yīng)用能力

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程應(yīng)用能力，我們組織學(xué)生對(duì)一些演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行分析和討論，通過學(xué)生自主搜集資料，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理和應(yīng)用進(jìn)行探究，通過撰寫小論文或設(shè)計(jì)完成小課題的形式培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生搜集和整理信息、進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力．如超導(dǎo)磁懸浮的動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)，我們將一個(gè)簡(jiǎn)易列車模型放置在低于臨界溫度的高溫超導(dǎo)體之上，當(dāng)永磁體靠近超導(dǎo)體表面時(shí)即可在超導(dǎo)體內(nèi)部形成極大的磁通密度梯度，形成很大的感應(yīng)電流而對(duì)永磁體產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥效應(yīng)，斥力與距離成反比，在一定的高度可以克服永磁體自身的重力而使其懸浮于超導(dǎo)體之上．當(dāng)永磁體離開超導(dǎo)體時(shí)，在超導(dǎo)體內(nèi)形成負(fù)的磁通密度梯度而產(chǎn)生反向感應(yīng)電流對(duì)永磁體產(chǎn)生吸引的作用，同樣在某個(gè)距離可以使超導(dǎo)體倒掛在永磁體的下方，并在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)加速裝置作用下沿軌道以懸浮或倒掛懸浮狀態(tài)無磨擦地運(yùn)動(dòng)．在實(shí)驗(yàn)完成之后，學(xué)生通過觀察與操作對(duì)超導(dǎo)體有了初步的認(rèn)識(shí)，我們要求他們查找資料了解磁懸浮系統(tǒng)的分類、原理以及其特性，再進(jìn)一步搜集資料分析我國(guó)自制磁懸浮列車的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及在世界所處的水平等．

在機(jī)動(dòng)車演示實(shí)驗(yàn)中，汽車模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)均由塑料加工而成，外部則用完全透明的有機(jī)玻璃封裝，發(fā)動(dòng)機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速通過裝在油門處的調(diào)速器控制．變速箱和各擋的齒輪用不同顏色的材質(zhì)制造可以方便觀察，離合器分離明顯，換擋靈活，減速、差速轉(zhuǎn)動(dòng)自如．轉(zhuǎn)向裝置、制動(dòng)管路、油箱、水箱以及電瓶可以從外面看到．通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以清楚觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造如變速箱、離合器、連桿、活塞和冷卻系統(tǒng)，可以親身感受汽車的轉(zhuǎn)向和變速，教學(xué)實(shí)踐表明學(xué)生對(duì)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)、變速系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)非常感興趣．通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)，我們留給學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是分組討論，學(xué)生分組選擇一款自己喜歡的車型與實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)行對(duì)比，通過查閱資料進(jìn)行討論和總結(jié)．實(shí)踐表明有些完成情況比較好的同學(xué)可以給出很詳盡的介紹資料，可以進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)汽車基本原理的了解．

2.2通過開放實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)踐條件幫助學(xué)生探究創(chuàng)新

我們?yōu)閷W(xué)生的實(shí)踐提供必要的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在開放實(shí)驗(yàn)室里面放置一些產(chǎn)生故障的實(shí)驗(yàn)儀器和臺(tái)套數(shù)有多的實(shí)驗(yàn)儀器．學(xué)生普遍對(duì)電光魔球感興趣，我們則購(gòu)買兩個(gè)，一個(gè)允許學(xué)生拆開研究．比如演示駐波的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有3種，第一種是由偏心馬達(dá)和松緊帶組成的狀似手電筒的便攜式駐波發(fā)生器，通過電機(jī)帶動(dòng)馬達(dá)可以在松緊帶上產(chǎn)生明顯的橫駐波；第二種是由棉線和諧振器組成的橫駐波演示儀，通過調(diào)節(jié)諧振器的頻率可以在棉線上產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的駐波，現(xiàn)象也非常明顯；第三種則為昆特管，用來演示縱駐波，在一根橫著的昆特管里面裝上木屑，在管口大喊一聲，木屑的分布會(huì)出現(xiàn)駐波影響的痕跡．當(dāng)然有同學(xué)在里面放上彩色的泡沫球，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也很明顯．如果采用液體會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象，我們往昆特管中倒入煤油，在其另一端裝一個(gè)超聲波發(fā)生裝置，改變超聲波的頻率，也產(chǎn)生了明顯的橫駐波現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深入地了解了駐波這一比較難的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也了解到聲懸浮的現(xiàn)象和應(yīng)用．

2.3通過自制演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力

在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們注意恰當(dāng)?shù)毓膭?lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)、制作演示實(shí)驗(yàn)裝置，如楞次定律演示實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中閉合鋁環(huán)將隨條形磁鐵一起運(yùn)動(dòng)，而作為參照的開口鋁環(huán)是不會(huì)隨條形磁鐵一起運(yùn)動(dòng)的，區(qū)別在于開口鋁環(huán)中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流而閉合鋁環(huán)中有．在對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的探究過程中，學(xué)生用直徑為5 cm，壁厚度為2 mm的厚鋁管分別制作了閉口環(huán)和開口環(huán)，用磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)的磁鐵代替原來較弱的磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)開口環(huán)也會(huì)隨磁鐵一起運(yùn)動(dòng)，顯然用前面的解釋無法說清楚這個(gè)問題．為了解釋清楚，學(xué)生通過查找資料和一系列實(shí)驗(yàn)，終于找到了結(jié)論，即開口環(huán)隨磁鐵運(yùn)動(dòng)的原因是其內(nèi)部也產(chǎn)生了感應(yīng)電流．通過查閱資料發(fā)現(xiàn)厚開口鋁環(huán)隨磁鐵一起運(yùn)動(dòng)的原因可能有3個(gè)：空氣流動(dòng)、瞬間電流和渦旋電流．首先，空氣流動(dòng)無論是磁鐵還是玻璃棒都可以產(chǎn)生，但是實(shí)驗(yàn)表明磁鐵可以帶動(dòng)而玻璃棒不能帶動(dòng)開口環(huán)運(yùn)動(dòng)，故可排除；為了鑒別是瞬間電流還是渦旋電流，我們制作了由3個(gè)薄鋁環(huán)并聯(lián)的分層絕緣鋁環(huán)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)明顯減弱，對(duì)于從開口環(huán)一端向另一端定向運(yùn)動(dòng)的瞬間電流，分層絕緣不會(huì)改變鋁環(huán)的電阻，但是對(duì)于渦旋電流，分層絕緣將顯著增加其電阻，這說明環(huán)中的渦旋電流減小是開口環(huán)運(yùn)動(dòng)減弱的主要原因．

2.4通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力

現(xiàn)在高校教學(xué)改革的一個(gè)熱點(diǎn)為開放式教學(xué)，從廣義上來講，開放式教學(xué)不但是時(shí)間和空間上開放，而且是教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)觀念的開放．開放式教學(xué)是一種個(gè)性化的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體，使學(xué)生在寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境中主動(dòng)探索新的知識(shí)，滿足其求知、探索和研究的欲望，側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力．網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)則為開放式教學(xué)提供了另外一種可能，通過網(wǎng)站的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)演示實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)上預(yù)約、網(wǎng)上預(yù)習(xí)和仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在課前對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理和內(nèi)容有了初步的了解，有助于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)網(wǎng)站教學(xué)視頻和參考資料也有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的能力．因此加強(qiáng)仿真實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和演示實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的建設(shè)對(duì)演示實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)至關(guān)重要，我們通過搜集、自己拍攝和設(shè)計(jì)制作，形成了一整套的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，編輯做成的視頻文件大小為1～5 MB左右，播放時(shí)間為30 s～ 2 min左右，方便學(xué)生從網(wǎng)站上直接觀看，對(duì)所有的視頻教程都配有文檔型的解說文件以及相應(yīng)的學(xué)習(xí)提問，利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái), 學(xué)生和教師可以方便地交流、討論．

3結(jié)束語

我們通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行總結(jié)，在本校進(jìn)行了一系列的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，通過演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程應(yīng)用能力，通過實(shí)驗(yàn)室的開放為學(xué)生的探究提供實(shí)驗(yàn)條件，通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改進(jìn)和自制演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力，所有的這些舉措都給本校的大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)帶來了良好的教學(xué)效果，但是隨著招生規(guī)模的增加和教育技術(shù)的不斷發(fā)展，演示實(shí)驗(yàn)的開展也不斷遇到挑戰(zhàn)：實(shí)驗(yàn)儀器的大型化、校區(qū)的增加使得授課教室與演示實(shí)驗(yàn)室不在同一棟教學(xué)樓、教師的教學(xué)進(jìn)度基本相同等都帶來諸多問題，這些都需要教師發(fā)揮智慧找到更好的解決辦法，讓演示實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中發(fā)揮更大的作用．

參 考 文 獻(xiàn)

1金桂，黃小益，姚敏.大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.物理通報(bào)，2014(5)：22～25

2金桂，黃小益，姚敏.基于創(chuàng)新思維培育的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014(27)：108～111

3李葉鳳，大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的探索.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2008(12)：104～107

4陳惠敏，石雁祥，張承據(jù).大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的探討.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007(10)：22～25

5郭力，石少波.演示實(shí)驗(yàn)制作促進(jìn)動(dòng)手動(dòng)腦的大學(xué)物理探索式學(xué)習(xí)的改革嘗試.大學(xué)物理，2010,29(3)：50～55

6盧榮德，程福臻，孫臘珍.大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)動(dòng)感創(chuàng)新教學(xué)平臺(tái)的探索與實(shí)踐.物理通報(bào)，2011,20(1)：42～45

收稿日期：(2015-04-15)

通訊作者：姚敏(1963-)，女，教授，主要從事光學(xué)、大學(xué)物理教學(xué)及研究.

作者簡(jiǎn)介：金桂(1978-)，男，講師，從事大學(xué)物理及大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.