大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀調(diào)查分析①

(武警后勤學(xué)院，天津 300309)

物理學(xué)是基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，物理教學(xué)不僅要使學(xué)生掌握、理解物理規(guī)律，還要通過實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用科學(xué)方法，來體會(huì)探索、求解、驗(yàn)證的過程，培養(yǎng)學(xué)生敢于提出問題、積極解決問題的能力、嚴(yán)密的邏輯思維能力和敢于創(chuàng)新的實(shí)踐能力。大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常重要，深受學(xué)生喜愛，演示實(shí)驗(yàn)為師生提供了近距離交流的機(jī)會(huì)，拉近了學(xué)生與物理的距離；演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲怀鰧?shí)踐對(duì)理論的檢驗(yàn)過程，從現(xiàn)象入手，化抽象為具體，幫助學(xué)生理解物理定理、定律；通過引導(dǎo)學(xué)生觀察和思考，配合適當(dāng)?shù)闹v解，使學(xué)生能夠在理解物理概念、掌握物理規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們的想象力、創(chuàng)造力和發(fā)散性思維。

1 部分高校演示實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

近年來，國(guó)內(nèi)部分高校對(duì)物理演示實(shí)驗(yàn)都十分重視，投入了大量的資金，用于演示實(shí)驗(yàn)室和走廊演示實(shí)驗(yàn)的建設(shè)和改造。

(1)南開大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室面積為200多平方米，陳列了100多個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過多年發(fā)展，自制了一批有特色的實(shí)驗(yàn)儀器，承擔(dān)了供全校學(xué)生選修的物理演示實(shí)驗(yàn)課程、大學(xué)物理集中演示實(shí)驗(yàn)，以及基礎(chǔ)物理課程的隨堂演示實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還是大學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐基地。作為天津市科普基地，南開大學(xué)物理科普教育基地不僅滿足了大學(xué)物理教學(xué)的需求，還兼顧了面向中小學(xué)生以及市民的科普需求，成為“服務(wù)本科課程，面向大眾開放”的特色實(shí)驗(yàn)室。

(2)天津科技大學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)已具備一定規(guī)模，設(shè)置了光、電、力、熱演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，承擔(dān)了較多的演示實(shí)驗(yàn)課，并采用獨(dú)有的教學(xué)模式，將大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程，分兩個(gè)階段開設(shè)演示實(shí)驗(yàn)，第一階段安排面向大一新生的物理演示實(shí)驗(yàn)，以提升學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣，第二階段在學(xué)生完成大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程之后，展示有一定難度的演示實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生找到自己的興趣方向，培養(yǎng)他們勇于探索和創(chuàng)新的科學(xué)精神。

(3)天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院的“科學(xué)體驗(yàn)館”作為天津市科普基地，總面積達(dá)270平方米，以“童趣—開悟—探究(實(shí)踐)”為設(shè)計(jì)思路，設(shè)置三個(gè)層次的科普培訓(xùn)項(xiàng)目，主要承擔(dān)全市大、中、小學(xué)等的科普講座和科普活動(dòng)。

(4)天津工業(yè)大學(xué)建有“趣味與演示實(shí)驗(yàn)室”，主要采用三種形式進(jìn)行教學(xué)，一是課堂演示，教師根據(jù)講課內(nèi)容提前做好準(zhǔn)備，把儀器帶到課堂，邊講邊做；二是把幾個(gè)內(nèi)容相近的實(shí)驗(yàn)事先安排好，組織學(xué)生分批觀摩；三是定時(shí)開放演示實(shí)驗(yàn)室，組織學(xué)生自己動(dòng)手調(diào)試、操作，鼓勵(lì)學(xué)生參與演示儀器的制作和開發(fā)利用。

(5)天津大學(xué)演示實(shí)驗(yàn)室開設(shè)了供全校選修的物理演示實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)室設(shè)有3D電影等趣味性強(qiáng)的演示實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(6)北京交通大學(xué)物理演示與探索實(shí)驗(yàn)室是首批國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，實(shí)驗(yàn)室可用于科普開放的實(shí)驗(yàn)近300項(xiàng)，內(nèi)容涉及力、熱、聲、光、電磁、近代物理等，通過不斷探索，不僅能滿足大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，還探索出了一套較為完善的科普活動(dòng)模式。

(7)清華大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室使用面積約為200多平方米，主要是為大學(xué)物理課堂教學(xué)服務(wù)，分為課堂演示實(shí)驗(yàn)室和物理演示大廳兩部分。歷經(jīng)多年的建設(shè)，現(xiàn)有演示實(shí)驗(yàn)200個(gè)、演示實(shí)驗(yàn)視頻幾百個(gè)，在課堂上把實(shí)驗(yàn)的精華部分展示給學(xué)生，收到了較好的效果。演示實(shí)驗(yàn)大廳是屬于提高層次的部分，向大學(xué)生展示由本校教師研制的有趣味、有深度的物理演示實(shí)驗(yàn)。

(8)北京大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室使用面積約470平方米，始建于1950年，現(xiàn)為北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室有各種演示儀器150多套，每學(xué)年面向全校1000多名學(xué)生開設(shè)近150多個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及力、熱、電磁、光、近代物理等。該實(shí)驗(yàn)室從2012年開始參加北大科普基地項(xiàng)目，開展各項(xiàng)科學(xué)普及工作，產(chǎn)生了良好的社會(huì)影響。

(9)復(fù)旦大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室陳列了一百多套儀器，并錄制了大量的演示實(shí)驗(yàn)視頻，涵蓋物理學(xué)各分支內(nèi)容。還開設(shè)了36學(xué)時(shí)的物理演示實(shí)驗(yàn)拓展課程，供本科生選修，以培養(yǎng)學(xué)生能力為目的，鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，學(xué)生可以自由選題、安排研究進(jìn)度，課程具有高度的開放性。

(10)湖南大學(xué)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室面積達(dá)300多平方米，有力熱、電、光、磁四個(gè)實(shí)驗(yàn)室，開出的實(shí)驗(yàn)約有200多項(xiàng)。作為湖南省科普教育基地，該實(shí)驗(yàn)室不僅承擔(dān)大學(xué)物理教學(xué)任務(wù)，也為社會(huì)的科普教育工作做出了貢獻(xiàn)。

綜上所述，國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校十分重視演示實(shí)驗(yàn)，如清華、北大等高校建有專門的物理演示實(shí)驗(yàn)室，也具有一定的規(guī)模，可演示上百項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn)，能提供多種模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但有許多高校因?yàn)閳?chǎng)地、資金、重視程度、師資力量等原因，并沒有建立專門的物理演示實(shí)驗(yàn)室，甚至有的高校直接省略了演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。各高校演示實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模和數(shù)量有顯著差異，可見對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的重要性認(rèn)識(shí)不一致，重視程度各不相同。

2 演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

物理演示實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理教學(xué)的一個(gè)非常重要的輔助，需跟大學(xué)物理內(nèi)容相匹配。表1列舉了筆者考察的幾所院校開設(shè)的演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和數(shù)量。從數(shù)量上看，近代物理的演示實(shí)驗(yàn)數(shù)目在這幾個(gè)高校中所占比例相對(duì)較少，經(jīng)典物理部分占了很大比例。

表1

3 演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

各高校根據(jù)實(shí)際情況，物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用了以下模式。

(1) 課堂演示

當(dāng)在課堂上講到某些知識(shí)點(diǎn)時(shí)，以演示實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行輔助，主要以教師演示為主，學(xué)生進(jìn)行觀察。課堂演示可以很好地把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理知識(shí)結(jié)合起來，具有形象直觀的特點(diǎn)，可幫助學(xué)生理解抽象的物理概念和規(guī)律，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，有效提升課堂效率。但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題，如一些演示實(shí)驗(yàn)儀器難搬動(dòng)，要求教師花較多的精力去準(zhǔn)備，但又不計(jì)工作量，教師的積極性不高。為此，很多高校采用了實(shí)驗(yàn)視頻、動(dòng)畫等多媒體技術(shù)在課堂展示演示實(shí)驗(yàn)，如復(fù)旦大學(xué)錄制了很多演示實(shí)驗(yàn)視頻，中南大學(xué)制作了具有仿真功能的實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫，天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)自主研制了演示實(shí)驗(yàn)器具，并拍成視頻在課堂上展示。

(2) 集中演示

在大學(xué)物理的一些章節(jié)教學(xué)結(jié)束后，根據(jù)教學(xué)需要和學(xué)生學(xué)習(xí)需求，一般以班級(jí)為單位，集中安排課時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，一般時(shí)長(zhǎng)為1到2個(gè)學(xué)時(shí)。集中演示是課堂演示的延伸與補(bǔ)充，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的興趣，課堂氛圍往往更加活躍，師生互動(dòng)也會(huì)更頻繁，學(xué)生能近距離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。目前集中演示的方式一般是自主參觀實(shí)驗(yàn)室，觀看實(shí)驗(yàn)視頻、實(shí)驗(yàn)資料等，學(xué)生最初上課時(shí)有積極性，時(shí)間一長(zhǎng)就容易變成走馬觀花，所以演示實(shí)驗(yàn)室需要配備有經(jīng)驗(yàn)的教師，引導(dǎo)學(xué)生提問、認(rèn)真講解、適時(shí)演示實(shí)驗(yàn)。目前來說很多高校由于專職實(shí)驗(yàn)人員有限，導(dǎo)致演示實(shí)驗(yàn)的開展最后變成“參觀”或者“表演”，無法滿足學(xué)生自主探究的需求。北京交通大學(xué)理學(xué)院積極探索人員機(jī)制改革，充分調(diào)動(dòng)資源，組建學(xué)生管理團(tuán)隊(duì)、研究生助教團(tuán)隊(duì)，形成了在傳統(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生參與其中、以學(xué)生為主體的較開放的教學(xué)模式，頗有成效。

(3) 開設(shè)選修課

由學(xué)生自主選修，課程模式比較自由，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛好或者學(xué)習(xí)需求選修一些難度較高、綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，該類課程面向全校學(xué)生或者修過大學(xué)物理課程的學(xué)生，教學(xué)過程包括預(yù)約實(shí)驗(yàn)、教師講解指導(dǎo)、師生交流探討、參加考核、綜合評(píng)定成績(jī)。學(xué)生通過教師講解演示、自主觀察現(xiàn)象、提出問題、動(dòng)手操作、查閱資料、選擇課題、研究課題、匯報(bào)、撰寫報(bào)告等，以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在必修課的基礎(chǔ)上，開放了16個(gè)探索性、設(shè)計(jì)性強(qiáng)的選修實(shí)驗(yàn)，供學(xué)生自主選做、探究。北京交通大學(xué)允許學(xué)生預(yù)約申請(qǐng)進(jìn)入演示實(shí)驗(yàn)室，選做演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)于有較好想法、能提出較好演示方案的學(xué)生，學(xué)院還可提供經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)條件支持他們進(jìn)行研究。復(fù)旦大學(xué)開設(shè)了36學(xué)時(shí)的物理演示實(shí)驗(yàn)拓展課，課程內(nèi)容具有高度的開放性和發(fā)散性。

(4) 全開放式教學(xué)

這種教學(xué)模式對(duì)學(xué)生沒有考核要求，學(xué)生自愿在預(yù)約時(shí)間進(jìn)入演示實(shí)驗(yàn)室參觀或?qū)嶒?yàn)，他們都是真正感興趣、想探索物理世界的學(xué)生，學(xué)生和教師可以進(jìn)行更深入的交流。全開放性的教學(xué)模式對(duì)學(xué)校的軟硬件設(shè)施要求都較高，要求有專門的實(shí)驗(yàn)教師、實(shí)驗(yàn)室管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行日常維護(hù)，只有少部分有實(shí)力的學(xué)校，如建設(shè)了省級(jí)科普基地的院校能夠采用這種模式。

各校實(shí)驗(yàn)展示的形式多樣，除了傳統(tǒng)的實(shí)物演示，動(dòng)畫、視頻和專題網(wǎng)站等，基于多媒體和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的演示實(shí)驗(yàn)展示形式也為越來越多的高校所使用。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，在物理演示實(shí)驗(yàn)建設(shè)方面，重點(diǎn)高校的實(shí)力要明顯高于非重點(diǎn)高校，東部地區(qū)的高校要明顯領(lǐng)先于中西部地區(qū)。教育行政部門和高校普遍認(rèn)識(shí)到演示實(shí)驗(yàn)的重要性和對(duì)教學(xué)的促進(jìn)作用，大力建設(shè)物理演示實(shí)驗(yàn)室，南開大學(xué)、天津科技大學(xué)、天津師范大學(xué)等都在積極開展演示實(shí)驗(yàn)室的充實(shí)建設(shè)工作，并逐步進(jìn)入正常運(yùn)行，在具體的教學(xué)模式上各學(xué)校也能結(jié)合自身特點(diǎn)采取不同的方式，希望有志之士都積極參與到物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究中來，努力提高大學(xué)物理教學(xué)質(zhì)量。