基于便攜式課堂演示實驗的大學物理教學探索與實踐

秦 哲，楊廣武，胡雪蘭，陸小翠，馬增紅

(1. 中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300；2. 天津中德應用技術大學 基礎實驗實訓中心，天津 300350 )

演示實驗是培養學生創新思維和創新能力的重要途徑[1]. 物理課堂演示實驗以最直觀的方式為學生展示物理現象，激發學習興趣，提高觀察能力，探索物理規律. 近幾年，很多文獻針對物理演示實驗從實驗教學對比、教學管理與實踐、實驗體系建設和教學模式創新等方面做了深入的探討[2-9].

雖然關于演示實驗教學法和體系建設的討論已經比較廣泛，但是物理演示實驗在實際教學過程中的利用率和教學效果仍然不盡人意[8]. 只有不斷進行理念創新和實踐創新，將演示實驗更好地應用到物理教學過程中，才能進一步提高大學物理課程教學質量. 基于此本文從高校演示實驗儀器使用現狀和問題出發，介紹便攜式隨堂演示實驗的設計開發、設計思路以及推廣情況，最后通過演示實驗進入課堂的教學實踐、學生創新能力培養、物理課堂演示實驗體系構建等方面探索大學物理演示實驗教學發展方向.

1 高校演示實驗使用現狀調查與分析

項目組根據目前各高校使用演示實驗情況和存在的問題，分別面向高校物理教學負責人、理工類物理教師、理工類學生，通過微信小程序“問卷星”發起問卷調研,收回問卷樣本分別為60、970和164份. 如圖1所示，高校所屬類別分布以問卷樣本總數計算，地方院校約占59%，部屬院校約占35%，獨立學院約占6%. 因此針對演示實驗使用現狀的問卷調查具有一定代表性.

圖1 問卷調查高校所屬類別分布圖

1.1 課堂演示實驗利用率低

通過對大學物理課程負責人的問卷調查發現，大部分高等院校擁有物理演示實驗室或演示實驗儀器存放室. 但是如圖2所示，以課程負責人總數計算，83.3%的高校在理論課堂使用演示實驗數量占本學院已有演示實驗儀器數量的比例明顯小于二分之一，課堂演示實驗利用率很低. 經調查發現，多數學院采用演示實驗單獨開課、學生定期到演示實驗室上課的教學形式，而演示實驗課時安排很少，一般不足6學時.

圖2 高校課堂所使用的演示儀器占總演示儀器數量的比例分布圖

1.2 多數演示實驗進出課堂不方便

如圖3所示，通過對大學物理教師的問卷調查發現，認為實物演示輔助課堂教學效果較好的教師比例最高，占所調查物理教師總人數的84.8%. 教師普遍反映學生對課堂實物演示很感興趣，且實物演示具有視頻和動畫演示無法替代的作用. 但是通過調查也發現，大多數教師因為課程學時緊張和實驗儀器操作不方便，在理論課堂上只是偶爾使用或基本不用實物演示，且只有部分教師能熟練使用課堂演示儀器. 另外，教師更傾向于使用方便搬運的小型便攜式儀器來進行課堂輔助教學.

圖3 高校教師對演示實驗、視頻和仿真認可度分布圖

1.3 課堂演示效果達不到學生期望值

如圖4所示，通過對理工類本科生的問卷調查發現，以調查本科生總數計算，在物理課堂上僅有52.1%的教師經常使用實物演示實驗. 分析原因，可能與院校物理演示實驗的教學形式較為多樣化有關.有安排定期開放演示實驗室的，有將演示實驗編入分組實驗教學的，也有在理論課堂上進行隨堂演示教學的. 但學生普遍認為隨堂物理演示實驗與理論課同步性更好，且課堂演示實驗對提升學習興趣、知識理解、動手實踐、觀察能力、解決問題和創新等能力有幫助.

圖4 教師課堂使用演示實驗頻次分布圖

總之，通過問卷調查分析發現，目前大部分理工類高校雖然開展與演示實驗相關的教學工作，但是在使用效果和利用率上都不盡如人意，很多高校只關注有還是沒有演示實驗，而并不強調是否能有效地利用，所以導致演示實驗教學只流于形式. 目前，很多高校的演示實驗儀器閑置率高，再加上儀器長期不使用故障率也很高，進而在教學中使用頻率逐漸降低，加上對儀器的維護、保養和管理工作不到位，久而久之形成不良循環，這與當初建設演示實驗項目的初衷背道而馳.

2 便攜式隨堂演示實驗儀開發與推廣

通過問卷調查發現，當前高校教師和學生對物理演示實驗的需求比較急迫，但是當前大部分演示實驗儀器體積大、且比較笨重，即便一線教師可以根據教學大綱適當調整教學內容和進度，為隨堂演示實驗教學留出時間，許多物理演示儀器也不便于教師隨堂攜帶展示. 這在很大程度上降低了教師在課堂演示物理實驗的積極性.

本項目團隊鑒于此開發和設計了便攜式物理演示實驗儀.此類儀器具有體積小、重量輕、演示效果好且方便攜帶等特點，特別適合大學物理隨堂教學演示. 部分儀器除了可以在講桌上演示，還可以吸附于黑板上，坐在后排的同學也可以清楚的看到實驗現象，演示效果更好. 項目組自2013年開始根據一線教師理論教學需求研制便攜式大學物理課堂演示儀器，重點開發研制了涉及力學、電磁學和光學等模塊的一系列便攜式物理演示實驗儀并申請國家專利. 目前已經開發物理演示實驗儀器15套，申請專利12項，已經授權10項，演示儀器目錄如表1所示.

表1 便攜式物理演示實驗儀目錄

項目組研發的演示儀器與傳統物理演示儀器相比，最大的特點在于便攜式和可吸附于黑板上演示.此外，部分演示實驗儀還可以實現定量測量. 以便攜式波動光學演示儀為例，本演示儀器涵蓋波動光學大部分教學內容，如雙縫干涉、單縫衍射、單絲衍射、小孔衍射、一維光柵、二維光柵、光的偏振等，且使用紅綠兩種波長的激光器做為光源. 演示實驗裝置如圖5所示，整套儀器可以放于長36 cm、寬24 cm、高10.5 cm的手提箱中，方便攜帶和保存. 傳統波動光學實驗儀器因為有比較長的光學導軌和種類繁多的光學器件，不適合隨堂攜帶和演示，因此便攜式波動光學演示儀用于物理課堂演示教學的好處不言而喻. 項目組根據一線教師的需求設計和開發便攜式隨堂演示儀器的目的也在于此. 另外，本系列演示實驗儀配套有《便攜式大學物理演示實驗教程》(內部講義，待出版)，可以向相關高等院校推廣與應用. 目前已經有20多所高校使用了項目組開發的便攜式物理演示儀，并提出了寶貴的反饋意見，為開發更高質量的演示儀器提供了幫助.

圖5 便攜式波動光學演示儀

3 基于便攜式隨堂演示實驗的教學實踐

3.1 教學實踐

筆者所在的中歐航空工程師學院旨在系統引進法國精英工程師教育理念和培養模式，培養兼具寬厚數理基礎、完備工程能力和綜合創新能力，能勝任研發、設計、制造、適航、運行等航空全產業鏈工作的國際化復合型人才[10]. 學院物理教學內容及要求更接近物理專業要求，演示實驗是培養學生物理思維的重要一環. 以下是筆者在大三下學期波動光學“單縫衍射”教學過程中，隨堂使用便攜式波動光學演示儀的教學案例，演示儀實物圖如圖6所示，單縫縫寬可調，儀器裝有紅綠激光光源.

圖6 波動光學演示儀單縫模塊

在課堂中根據惠更斯-菲涅耳衍射理論推導出單縫衍射中央明條紋寬度公式為

(1)

其中D為單縫與觀測屏幕距離，a為縫寬，λ為激光器光源波長.

隨堂教學中可以使用演示實驗定量驗證的教學方法，先固定演示儀器與黑板觀測屏距離，讓學生仔細思考和觀察中央明紋寬度與縫寬變化的關系. 此外，通過同時打開波長為532 nm的綠光和650 nm的紅光光源，并固定單縫縫寬，讓學生觀察中央明紋寬度與波長的關系. 通過理論和實驗現象對比教學，學生對衍射理論理解更深入. 課后感興趣的同學還可以在教師指導下對演示儀器進行實際操作和討論，拓寬學生的知識面. 當然教師還可以根據學院學生情況靈活設計和安排隨堂演示教學活動，提升教學效果. 圖7為筆者在疫情期間以線上線下相結合的方式，進行單縫衍射理論教學過程中使用便攜式波動光學演示儀，引導學生觀察實驗現象的實拍照片. 課后學生普遍表示比之前純理論推導教學更有興趣，收獲更多.

圖7 單縫衍射演示儀隨堂教學展示

3.2 培養學生創新能力

教師可以通過指導學生申請立項、申請專利、參加比賽，充分調動學生主觀能動性，有效地激勵學生的自主創新意識. 近年來，項目組老師指導學生研制課堂演示儀器，獲批校級以上學生科技立項7項，內容包括“便攜式分辨本領演示儀”“磁吸式角動量守恒演示儀”“便攜式牛頓環演示儀”和“磁吸附式邁克耳孫干涉演示儀”等. 此外，2019年學生以申請授權專利作品“便攜式分辨本領演示儀”參加北京市大學生物理實驗競賽，獲二等獎，2020年“自動控制波動光學演示儀”和“磁吸式彈簧縱波演示儀”作品分獲二、三等獎. 2020年指導學生參加全國大學生物理實驗競賽(創新賽)并獲得一、二、三等獎各1項.

3.3 構建便攜式課堂演示實驗儀器體系

便攜式課堂演示實驗教學與大學物理分組實驗教學功能不同，它重在激發學生學習興趣，加深對物理概念和原理的理解，提升課堂教學效果，可以自成體系. 而構建便攜式課堂演示實驗儀器需要根據大學物理教學內容以及實現難易程度等方面綜合考慮. 課堂演示實驗應該涵蓋力學、熱學、光學、電磁學、振動與波動以及近代物理等內容. 各個模塊演示實驗的開發圍繞從點到面，從少到多的思路，逐步研發可以涵蓋物理學所有分支的演示實驗.這個工作不能一蹴而就，也不是靠一個高校或一個教學團隊就能完成的，相關院校應該從實際出發，結合自身需要，研發當前急需的、容易實現的、使用頻率高的課堂演示實驗儀器，并進行相應的教材建設，各高校可以通過討論和交流，互相取長補短，循序漸進地構建課堂演示實驗體系.

4 結語

大學物理演示實驗教學是個老話題[11]，但隨著教育方法、教育理念以及技術手段的發展，它應該走出一條有特色的路來. 其實，大多數演示儀器的原理比較簡單，設計和制作難度不大，教師可以根據教學需要，自己動手制作一些簡單的演示實驗儀器，或通過學校開展的大學生創新創業項目指導學生完成便攜式物理演示儀器的研制，一方面提升課堂教學效果，另一方面培養學生的創新意識和實踐能力.

筆者經過十多年對大學物理演示實驗教學模式的思考，對物理演示儀器的開發與推廣的親身經歷，以及在教學過程中的不斷摸索和實踐，逐漸意識到便攜式物理演示儀器順應未來隨堂演示實驗教學的發展趨勢. 希望理工類兄弟院校的教師根據本校教學特點和人才培養目標，通過多種多樣的項目和活動開發出更多有價值的物理演示實驗儀器.