大學物理教學演示實驗的創新探索
——基于一堂《劈尖干涉》公開課的思考

丁云

（蘇州大學文正學院光電與能源工程系，江蘇蘇州 215104）

大學物理是理工科專業的重要基礎課程，肩負理工科人才的科學思維、科學方法、工程問題解決等能力培養任務。從物理思維的特征來看，就“物”論“理”，“物”中有“理”，即“物”想“理”，喻“理”用“物”是物理思維的基本特征[1]。在實踐教學中，講授法是最常用的方法之一，但是許多物理知識抽象、難懂，單純地將概念、原理平鋪直敘地講授給學生，容易造成學生學習上的興趣喪失。因此，除了講授法之外，教師還可以輔以其他教學方法，演示實驗法就是高效可行的一種教學手段。物理有別于其他學科的一個重要特點是物理是一門實驗科學，大部分的物理規律都是在實驗的基礎上總結而來的，實驗—理論—實驗是物理學發展的基本模式。因此，實驗是物理教學必不可少的一部分，在大學物理教學中引入演示實驗也變得尤為重要。

雖然在相關理工科專業的培養計劃中，通常會單獨開設大學物理實驗課程，但是和教學相關的演示實驗和一些傳統的大學物理實驗側重點有很大的區別，前者重在引入知識點，引導學生如何探究物理基本規律和方法；后者重在培養學生的實驗技能。在大學物理基礎內容的講授方面，教師在課堂上直接向學生展示與教學內容相關的示范性實驗，一方面使艱澀難懂的物理知識變得直觀生動，為理論內容的講解提供了有力證明；另一方面也激發了學生的好奇心和學習興趣，培養學生獨立思考、勇于實踐、敢于創新的科學精神，形成科學的態度和價值觀，這對于理工科的學習是至關重要的。因此，演示實驗，特別一些和日常生活緊密聯系的演示實驗，能夠較好地提高教學效果。該文基于一堂《劈尖干涉》公開課，探討了演示實驗對大學物理教學的重要性以及改進演示實驗對大學物理教學效果的幾點建議。

1 演示實驗對大學物理教學的重要性

1.1 演示生活中的現象，激發學生的學習興趣

物理學對大部分學生來說，概念、規律以及原理十分抽象，而直觀的物理現象在生活中無處不在。因此，在教學過程中引入來源于生活的實驗現象，引導學生利用所學知識對物理現象進行分析，將抽象的物理理論形象化，使學生感受到學有所用，能夠激發學生的學習興趣，這也是演示實驗的設計目的。

例如，在《劈尖干涉》公開課的教學設計中，筆者使用了肥皂膜干涉實驗作為新課引入環節，采用了自制的金屬圈為實驗教具，課堂上讓學生自己用金屬圈制作一個肥皂膜，觀察肥皂膜的白光干涉現象，效果良好。學生直觀地觀察到了肥皂膜干涉的彩色條紋，首先對本章所闡述的光的干涉知識點有了鞏固的效果，其次對該節課所講授的劈尖干涉現象有了直觀的印象。演示實驗來源于日常生活，這樣使學生從身邊的生活現象，進一步理解物理知識，掌握物理知識，提高了學生的學習興趣。

1.2 驗證所學知識，拓展學生思維

在演示實驗的過程中通過教師的誘導、啟迪，指導學生透過表面現象把握事物本質，可以培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力以及科研創新能力。大學物理演示實驗要努力培養學生的創新意識和創新能力，這是目前各高校物理教學改革的一個主要內容[2]。物理規律的探索和發現離不開科學實驗，在教學過程中教師往往著重于舉例論證或者數學推導，強調規律的應用而忽略了對物理規律探索過程的教學，因此必須輔以直觀的演示實驗，展現物理規律的探索過程，才是真正的科學精神的傳授。例如，通常在雙縫干涉的教學過程中，雙縫干涉規律的講授是通過數學推導完成的，要求學生掌握雙縫干涉的特點，學會分析明暗條紋的位置。而在實際教學過程中，筆者使用了文正學院創新實驗小組的學生在教師的指導下設計制作的“可移動光學演示儀”，向學生展示了雙縫干涉和邁克爾遜干涉儀的實驗現象。學生首先觀察雙縫干涉實驗現象，對雙縫干涉條紋就清晰直觀的感受，再進行理論的分析推導，將實驗現象量化為物理規律；而在《劈尖干涉》的教學中，再一次演示雙縫干涉實驗，學生鞏固了既有知識點的同時，也主動提出問題：實際的雙縫干涉條紋雖然明暗相間，但是各級明條紋光強顯然不是相等的，并且出現了明條紋的“缺失”現象。這些問題的提出為下一章節光的衍射的講授埋下了伏筆。

另外，在該節課的最后，再次向學生演示肥皂膜實驗，學生會發現實際的肥皂膜干涉與課本上介紹的劈尖干涉的條紋等間距這一特點并不完全吻合，通過啟發式教學，引導學生思考“演示的肥皂膜干涉的條紋為什么出現上寬下窄的現象”“為什么條紋從金屬圈的中間部分才開始出現”等問題。因此，演示實驗讓學生親身體驗了科學的探究過程，既可以幫助學生驗證物理規律的正確性、鞏固所學知識，也引導和開發了學生的思維能力，鍛煉學生的綜合分析能力，強化了物理教學目的。

1.3 失敗的演示實驗是科學精神的傳授

首先演示實驗都是教師精心設計的教學環節的一部分，實驗用具和實驗操作上必須提前準備，確保實驗的順利開展，然而實驗失敗也是有可能會發生的。所謂“成也物理敗也物理”，教師在教學過程中要允許出錯不怕出錯。實驗失敗了可以引導學生對實驗失敗的原因進行探究，找出失敗的原因并提出解決的方法，同樣可以培養學生的探索精神和分析問題的能力。探索實驗失敗的原因也體現了科學精神。

2 改進演示實驗對大學物理教學效果的幾點建議

2.1 提高學生參與度，激發學生興趣

演示實驗要求簡單易做，演示給學生看的同時也可以讓學生照著演示自己動手做，激發學生的動手積極性和學習興趣。課堂演示實驗儀器除了購買成品儀器，還可以根據實際需要使用生活中常見的隨手可得的材料制作。例如，肥皂膜干涉實驗，學生課前拿到了筆者預先準備的小號金屬圈，在課堂演示實驗環節中就可以自己動手做一個肥皂膜來觀察現象，這樣學生的學習積極性和主動性更高。學生會因為自己參與到教學實踐當中而產生成就感，進一步激發他們的好奇心和求知欲。

此外，演示實驗的儀器可以根據實驗特點組織學生開展演示實驗儀器的開發和制作。例如，該校物理創新實驗小組通過學院投資、教師指導、學生組隊研發的“可移動光學演示儀”，該平臺可以展示光的干涉、衍射、偏振等涉及光的波動性的所有演示實驗，為大學物理光學教學豐富了實驗儀器的同時，還培養了學生的實踐動手能力。

2.2 實驗現象鮮明，可見度高

演示實驗面向全體學生，應該做到每個學生都能夠清晰地看到實驗現象，因此演示實驗的各個細節都要提前進行確認。然而在我國大學物理教學中，建立專用的大學物理演示實驗教室的學校并沒有很多，演示實驗直接在理論課堂中隨堂進行的情況比較常見。如果出現無法顧及整個班級同學觀察現象的，可以考慮采取提前錄制實驗的方法，在課堂演示的同時，利用教室多媒體進行同步播放，保證所有同學都能觀察到演示實驗的現象和結果。

2.3 實驗過程中注意引導學生思考

科學發現根植于探究與討論，因此課堂上結合一些與教學內容密切相關物理演示實驗，開展啟發式、研討式等教學活動，可為大學物理理論課教學注入新的活力[3]。學生觀察演示實驗，往往被實驗裝置和新奇的實驗現象吸引而忽略了其物理本質。教師在演示實驗過程中要時刻注意引導學生觀察現象，提示學生注意看什么、怎么看。這個過程就要求教師在課前精心設計提問內容和方法，引導學生將具體的現象與抽象的知識有機結合起來，認真觀察，積極思考并做好相應的實驗記錄。例如，肥皂膜干涉實驗中，筆者為學生準備了下面幾個問題：（1）你看到了什么現象？（2）你看到了什么顏色的條紋？（3）這些顏色是怎么分布的？ 然后引導學生記錄觀察到的條紋現象，再開始新課《劈尖干涉》的教學。教師一邊演示一邊提問，既可以集中學生的注意力，還可以培養學生的思維能力，鍛煉學生的綜合分析能力，強化教學目的。

2.4 成立演示實驗室，建立演示實驗網絡教學平臺

建立專門的演示實驗室可以使一些前沿的或者攜帶移動不便的演示實驗儀器有用武之地，同時建立演示實驗網絡教學平臺可以作為一種教學資源，方便學生隨時查閱和學習。此外，有了專門的演示實驗室，對于趣味性較強的演示實驗，不僅僅是理工科學生，文科生也可以通過開設趣味物理等選修課的形式，學習到一些與日常生活密切相關的物理知識，感受物理學的思維方法，提高學生的綜合素養。

3 結語

物理學是實驗科學，物理教學應當以培養學生的發現問題、解決問題的能力，提高大學生科學素質為最終目標，教師應該充分認識演示實驗教學在物理教學中的重要作用。精心設計的演示實驗，既豐富了教學內容，改進了教學手段，還提高了教學質量。在大學物理教學中引入演示實驗，將抽象、艱澀的物理知識概念、規律、原理清晰、直觀地展示給學生，能夠提高學生學習興趣，幫助學生加強物理規律理解，培養學生的獨立思考、勇于實踐、敢于創新的科學精神，提高實踐教學效果。