“新工科”背景下物理演示與探索實驗的自主開發與創新研究

樊英杰

（西北工業大學明德學院 通識教育學院，陜西 西安 710124）

近年來，隨著科學技術的日新月異和國家創新驅動發展戰略的快速實施，企業對工程技術人才的要求越來越高，專業范圍越來越廣，工程技能教育改革日益迫切。在這樣的背景下，“新工科”建設應運而生[1]。隨著教育部組織實施“復旦共識”“天大行動”及“北京指南”，“新工科”建設成為時下教育改革的關鍵詞，其內涵主要體現在“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[2]，這就決定了“新工科”建設必須重視理論基礎課程的教學改革和教學創新。

物理學是一門探究物質基本結構和運動規律的自然科學，是學生進入大學后接觸的第一門實踐性和操作性非常強的基礎性學科。物理學中每個概念的建立、每個定律的發現都源于工程思維和實驗論證[3]，而工程思維和實驗論證所具有的獨特性，在物理學課程教學中可通過工程技術和實驗演示來展現。因此，在物理學的教學中，要堅持灌輸工程性思維和充分利用演示實驗所具有的功能，讓學生仔細觀察和研究實驗現象，分析總結其中的奧秘（物理現象和物理規律），從而激發學生的學習興趣，提高學生的創新意識和創造能力。同時，還要通過實驗教學研究，突出手腦并用，促進理論與實踐的結合。

本文結合我院現狀，本著“重視基礎、加強實踐、突出能力、強化應用”的教學理念，借助工程性思維和創新驅動意識，探討在大學物理教學過程中如何發揮物理演示與探索實驗的作用。

1 物理演示與探索實驗現狀分析

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、演示方式靈活等特點，有助于活躍課堂氣氛，激發學生學習興趣，調動學生學習積極性，是學生學習和拓展物理知識的重要手段[4]。目前在國外的物理演示與探索實驗蓬勃發展，如美國的加州大學洛杉磯分校、斯坦福大學、哈佛大學、麻省理工學院、哥倫比亞大學及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作為物理學教學內容不可分割的一部分。而在國內，不少高校的物理學教學還停留在以“粉筆+黑板”為主的，由教師介紹理論、推導理論，由學生被動接受的傳統教學模式上。雖然有的高校在課堂上也進行了一些以驗證或介紹課程內容為目的的演示與探索實驗，但總體上演示實驗內容整體偏少，覆蓋面不全，水平不高。具體表現在演示實驗設備陳舊、數量有限，學時數少，學生人數多，演示效果不佳，學生積極性不高。基于大量走訪調查、查閱大量文獻資料及分析研究等，下面從主、客觀兩個方面來分析造成這種情況的原因。

1.1 實驗效果不佳的主觀原因分析

從教師角度看，大部分教師都是科研教學一肩挑，且主要精力都放在了科研工作上，在教學上的投入相對有限。他們在物理學教學過程中，往往只是把物理演示與探索實驗當作教學過程的點綴[5]或插曲，沒有體現演示與探索實驗對學生認識物理、理解物理、應用物理以及培養學生科學思維能力的重要作用。

從學生角度看，現在的學生大都是00 后的獨生子女，往往由于生活條件優越而缺乏動手能力，有的學生從心理上排斥動手做實驗，排斥課堂教學，還有的學生不重視物理實驗，認為只要背背公式、做做題就能學好物理學。

1.2 實驗效果不佳的客觀原因分析

雖然教育部在《工科大學物理課程教學基本要求》和《工科大學物理實驗課程教學基本要求》中都對演示與探索實驗提出了明確的具體要求，部分高校也設立了物理演示與探索實驗室，但目前存在很多不足之處。

首先，國內大部分高校對實驗室建設的經費投入嚴重不足，與理論教學配套的儀器類別和套數嚴重不足，實驗室面積偏小。其次，大部分演示與探索實驗設備屬于非標產品，國內儀器生產廠商相對較少，開發設計人員相對匱乏，有的儀器設計存在原理錯誤或缺陷，演示效果較差，一旦出現故障難以及時修復，與現代科學技術配套的近代物理實驗設備更是缺乏。第三，理論課教師年齡結構、知識結構、專業結構不盡合理，教學水平上參差不齊，一些教師只是按知識點教學，而不是以工程性思維模式注重培養學生的綜合能力。第四，演示實驗教學方式和教學模式五花八門，課堂演示、參觀展示、網上模擬仿真等不一而足，學時數相對較少，且沒有統一的教學標準和教學要求。第五，激勵機制缺乏創新，教師工作積極性不高，儀器設備的可持續研發與后期維護跟不上需求。

2 自主開發演示與探索實驗的意義

實驗室既是高校的實踐實習場所，又是科研創新場所及各種前沿技術孵化場所。高校自主開發實驗的多寡及實驗設備的先進性在一定程度上決定著高校的辦學水平和科研水平。教師通過不斷學習和自主創新開發配套的教學實驗和教學設備，既是高校實驗室建設的需要，也是教師科研水平的體現。

3 自主開發演示與探索實驗的原則

（1）實驗原理的科學性原則。要做到實驗原理的科學性，就必須遵循以下規律：一要尊重科學規律，實事求是；二要尊重實驗規律，使結果無錯誤[6]，弄虛作假、人為改造實驗結果是不允許的。應區分錯誤與誤差，誤差是由于實驗系統和條件的非理想化而產生的，是實驗過程中不可避免的，但因實驗原理錯誤而引起的實驗錯誤是絕對不允許的。

（2）儀器操作的安全性原則。在進行物理實驗過程中不可避免會涉及一些安全隱患，所以安全問題是實驗設備開發研究時首先要考慮的問題。如在設計靜電學實驗設備時，需要考慮高壓電源的安全性問題；在設計轉動慣量實驗設備時，需要考慮儀器設備因轉速過快而引起的安全性問題等。

（3）儀器設備的簡易性原則。簡易性原則是指盡可能選擇器件相對少、操作相對簡單、現象直觀的設計思路。因此應盡可能選取與日常生活相關的、能夠就地取材的生活資料，如平日生活中使用的鍋碗瓢盆等，以便降低物理實驗的難度，調動學生的學習積極性、主動性和創造性。比如學生為參加物理科普知識展演而設計開發的“美妙華章彈奏器”，就是選取生活中常用的玻璃杯而制作完成的。

（4）實驗形式的趣味性原則。興趣是最好的老師，是學生學習的內動力，而物理學中的很多內容都可以激發學生學習興趣。教師在教學中，可以有意識地創設情境，啟發學生，引導學生進入角色，通過富有趣味性的創新實驗，激發學生的學習動機和學習興趣。比如教師在展演“手蓄電池”實驗時，先讓一位學生展示，再讓多位學生手拉手一起展示，會大大激發學生的學習興趣。

（5）實驗效果的創新性原則。知識是能力的載體，創新是能力的靈魂，素質教育的重要目標之一就是要培養學生的創新精神和實際應用能力，以適應現代科學和現代生產的需求[7]。這就要求實驗設備的開發，在考慮應用性和實用性的同時，還要具有一定的創新性。教師可以通過課堂教學、興趣小組、第二課堂、學科競賽、研究性學習和創新創業大賽等形式開展創新活動，讓生活走進課堂，讓知識走向社會。同時，創新實驗的開發還應增加物理知識的科普性，緊密聯系生活、生產實際，緊扣時代脈搏與現代科技發展步伐，讓物理學充滿生機、富于創新精神[8]。例如，學生在科技周創新創業大賽中，利用電磁學原理設計的“無線充電器”“考試屏蔽器”，以及借助光電探測技術設計的“耳蝸探針”等演示設備，除了可供教學使用外，還具有一定的市場推廣價值。

（6）儀器開發可持續性原則。近年來，隨著素質教育、創新驅動在高校的深入發展，實驗設備數量不斷增加，但有的只注重設備采購，而忽略了設備的后期維護和保養。儀器設備出現故障，將直接影響設備的使用率，進而造成資源浪費。因此，在演示與探索實驗開發過程中，應重視實驗設備的再次開發利用，體現實驗開發的可持續性[9]。比如，“霍爾效應”實驗設備在保持原有功能的同時，可通過增加多組線圈的二次開發，來演示電磁感應現象和外界磁場對實驗結果的影響程度。

4 演示實驗自主開發模式

（1）依托教學科研自主開發。將科研成果與教學內容相結合，并形成良性互動是高校發展的必然選擇。高校教師可根據自己的專業所長以及掌握的科技前沿信息，利用廣泛的社會資源，通過市場化機制、專業化服務和資本化運作形式，構建低成本、便利化、全要素的自主創新研發平臺，為高校實驗設備的更新換代提供優質高效的服務，促進教學改革與教學創新[10]。

（2）依托學術團體自主開發。隨著經濟增長方式的轉變和創新型國家戰略的實施，高校人才培養規模越來越大，各類學術團體不斷涌現，教師可借助這些團體的力量進行自主創新。

（3）依托產教融合自主開發。產教融合、協同育人是高校發展的必然之路。企業具有資金實力和技術裝備實力，高校具有創新思想和人才儲備，校企聯合是將技術實踐和理論學術相融合、促進人才培養的有效途徑[11]。因此，教師在實驗設備的自主開發上可以借助企業資源優勢，協同并進，推動發展。

5 結語

教師通過不斷學習和自主創新，開發配套的教學設備，不但有助于提高自身的業務水平，而且由于對設備性能熟悉，在教學過程中也更能得心應手，能夠在一定程度上提高教學質量和教學效果。