大学物理演示实验室开放教学初探

蒋雅琴

(国防科技大学理学院,湖南长沙 410073)

大学物理演示实验室开放教学初探

蒋雅琴

(国防科技大学理学院,湖南长沙 410073)

开放式演示实验可以改变传统教学模式的弊端,充分发挥学生在教学中的主体和自主地位.从深化教学改革角度来看,应针对不同类型的学生开放不同的实验内容,密切联系工程生产生活实际,充分利用多媒体教学,培养学生创新实践能力.从利用教学条件的角度来看,要建立多项制度,细化演示实验室开放,努力实现可持续发展.

演示实验;物理教学;开放教学

1 对物理演示实验的认识

1.1 演示实验的重要性

物理演示实验是通过对具体物理现象的展示以及将抽象的理论形象化,帮助学生观察物理现象,增加感性认识,提高学习兴趣和物理思维能力的重要教学手段.杨振宁先生说:“现象是物理学的根源.[1]”实践表明通过观察现象来学习物理学是一条有效的途径,演示实验在大学物理教学中是不可或缺的,通过物理演示实验,可以把瞬时的或不易分辨或难以理解的物理现象以及定律转化成直观的、清晰的、持久的物理图像或数字电信号,帮助学生加深对抽象的物理定理、定律、法则等的理解和掌握,巩固记忆.

1.2 新形势下对演示实验提出的新要求[2]

新形势对物理演示实验教学提出如下新要求:

(1)教学基本要求.教育部最新颁布的“非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求”中明确指出:大学物理教学中,物理演示实验的数量不少于 40个,并且要逐年增加.

(2)科学技术的发展.通过物理演示实验,让学生直观感受到物理学在科技发展中的作用,物理学理论和实验的发展是自然科学和工程技术的基础.

(3)培养高素质人才需求.要求演示实验内容拓宽并与科学技术接轨,使科学技术的进步成果渗透到传统的经典物理课程中来,激发学生学习物理的兴趣,培养创新意识和创新能力,适应新世纪发展需求.

2 演示实验室开放的必要性

传统的大学物理演示实验教学多数限于在大学物理课堂演示,一般由实验教师或实验技术人员操作,学生只是看,使一些简单的演示实验如同蜻蜓点水,一些重要的演示实验也如同走马观花,学生只能被动地接受,效果不理想,更不利于培养学生的动手能力和创新能力.而且有些大型的演示实验装置过于庞大,不方便搬到课堂.开放式演示实验可以改变传统教学模式的弊端,为学生提供灵活机动的自主学习、个性发展的时间和空间,充分发挥学生在教学中的主体和自主地位,营造良好的主动学习氛围,进一步增强演示实验的教学效果.

有些教学内容只靠老师在课堂上讲解,并不一定能使学生真正理解.比如对于转动惯量的概念,许多老师在授课时都感觉比较困难,虽然可以与物体的质量相类比,但是学生接受起来依然很困难.质量是可以称量的、比较直观的物理量,而转动惯量的实验测定较复杂,一般学生很难形成深刻印象.但是在演示实验室里,学生坐在茹可夫斯基转椅上,在手握和不握哑铃两种状态下,只要通过伸开双臂和收拢双臂,便可直观感受角速度的变化,不仅使学生观察到了物体角动量守恒现象,而且加深了对转动惯量概念的理解,从而达到理论课难以达到的教学效果.

3 探索物理演示实验室的开放形式

3.1 针对不同类型的学生开放不同的实验内容

学校既有工科和理科专业的学生,还有文科专业的学生,物理演示实验既要照顾到点,也要照顾到面,既要密切配合大学物理课的教学,同时又能活跃学校的教学气氛.

3.1.1 利用网上选课系统对工科、理科学生实现开放

学生可先在“网上选课系统”中进行选课,在规定的开放时间内自主地安排上课时间.在网上选课系统中公布演示实验室的开放时间,并将有关演示实验的导学系统上载,系统中有教师做示范性实验的视频,这样可以增加学生的积极性.来到实验室之后,教师先进行示范性实验,学生再根据展示板上简短的说明,注意事项、操作要点等自己动手完成演示过程,最大限度地发挥学生的主观能动性,并要求他们针对部分半定量实验作出实验报告.比如,GZ-1共振演示仪实验,它是属于半定量的,该仪器利用长、短不同的弹性钢片在周期性外力作用下做强迫振动,当弹性钢片的固有频率与强迫外力的频率相同时,产生共振现象,调节频率,将在弹性钢片中形成驻波.观察现象的同时,学生还可以分别记录不同钢片共振时的频率,分析其规律,写出相应的实验报告.

3.1.2 面向文科学生开设物理演示实验选修课

文科学生需要一定的自然科学知识,而他们的数学基础决定了他们在学习自然科学知识时比较困难.因此面向文科学生主要是根据学生的兴趣爱好开设物理演示实验选修课,目的是让学生开阔眼界,增加科学知识,提高科学素养,以拓宽学生的知识面.在演示实验过程中留两三个有趣的物理现象让学生自行查找相关资料,作出解释或假设,留给学生足够的思考空间,经过学生科学研究,撰写出实验小论文,达到由被动接受灌输转变为主动学习的目的.例如,在超导磁悬浮的动态演示实验中,该装置是一个盛放高临界温度超导体的简易列车模型,将超导体移近永磁铁轨道表面时,超导体沿轨道以悬浮状态无摩擦地连续运转.学生观察与亲自演示结束后对超导体有了初步的认识,要求他们查找目前磁悬浮系统的分类、原理及其特性,再进一步分析我国自制的磁悬浮列车的现状、特点及在世界所处的水平等.

3.2 营造新奇浓厚的物理氛围

趣味物理曾经是物理演示的一个内容,现在将其拓展、加强,建设趣味物理走廊,其目的是创造一种物理氛围,启迪学生思维,激发学习兴趣,培养创造能力.这些趣味物理模型应具有新、奇、疑的特点,即用学生生活中最熟悉的材料来组建在其经验中少有的结构或场所;教具所呈现出的现象是学生们意想之外的;其现象只有用特定的物理知识才能解释[6].

实验室开放可以达到课堂不能达到的效果:比如,演示小孔成像,向上或向下移动小孔的位置,像的大小发生变化吗?还有波的演示、光电效应的演示,等等[4].因此,从第一堂课开始就让学生观摩一些实验室,做一些演示实验,认识实验的基本仪器等.通过这个过程,再加以引导,学生就有了感性的认识,这样学生的兴趣就可被激发起来了.

3.3 密切联系工程生产生活实际

作为工科院校,使学生受到理论联系实际的教育,树立工程意识,从而提高学生的综合素质应是我们着力探讨的问题.让物理演示实验紧跟当代科技发展步伐,密切联系工程生产生活实际,其目的是让学生了解物理学原理在科技发展中的作用,了解其在工程技术中的应用.多数演示实验装置结构简单、原理直观,但却是很多高新技术和工程应用的缩影.例如,能够演示现代光信息通信技术的光纤通信演示装置;能够演示磁悬浮列车原理的超导磁悬浮装置;能够演示电磁炉工作原理的涡流热效应等.

能否真正达到目的,关键在于教师适当的引导[7].由于一件完整的演示装置,通常结合了物理、机械、电子等多方面的知识.因此,适当介绍所涉及的知识,将使学生直观感受到物理学在科技发展中的作用,认识到科学技术的发展特点是各学科间的相互渗透、交叉和综合.在实际教学中,我们可以实施“典型工程实例教学”模式[3],其教学方式为:①基本内容学习时,作为典型工程应用实例,由教师讲授;②指定专题由学生自学.这种方式,首先丰富了课堂教学,使我们的课堂教学内容丰富,信息量大.并由于与工程实际联系紧密,使学生充分认识到有关物理理论的重要性,增强了学生对物理的兴趣与学习的积极性.

3.4 充分利用多媒体教学,向现代化教学迈进

在演示实验室外,摆放几台导学系统,学生通过触摸屏点击,可以观看实验操作的全过程视频;还可以观看课堂实验无法演示的宏观的、微观的、极快的、极慢的物理过程,从而突破时间以及空间的束缚,进行逼真的模拟,灵活地放大或缩小物理场景,将物理过程生动形象地展现于学生眼前,使学生加强认识,理解透彻.学生进入演示实验室后,可以根据导学系统视频中所示进行操作,同时每套仪器都配有包括原理和操作过程的说明牌,鼓励同学自己动手操作.

另外,合理利用多媒体课件可以加强效果.演示实验的直观性不容否认,但并非每个演示装置所演示的现象都很直观.例如巴克豪森效应的演示,单纯从仪器的外观和演示的现象不容易使学生产生共鸣.这时,考虑到多媒体投影的优越性,在学生预习板块中展示和讲解了仪器的结构图和原理,而在随后的课堂上利用实物进行对照演示,效果就会十分理想.

4 实施科学管理

为充分发挥演示实验在工科物理教学中的重要作用,落实新形势对演示实验教学提出的新要求,加强督促和管理十分必要.

4.1 建立多项制度,细化演示实验室开放

在“非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求”中指出,提倡建立开放性的物理演示实验室,鼓励和引导学生自己动手观察实验、思考和分析问题,进行定性或半定量验证.为此,我们要建立多项制度,细化实验室开放.

入学参观,即新生以班级为单位到演示实验室参观学习.目的是利用物理现象的丰富多彩引发学生的好奇心,提高他们对物理学规律和现象的认识;年度开放,即学生学习大学物理课程的学年里,到实验室参观学习.一些仪器设备如气体火焰驻波演示装置,不宜搬到课堂教学当中,年度开放制度可大大提高这些设备的利用率;日常开放,即允许全校各年级学生以小组为单位,不分年级和专业,按需进行参观学习;集中开放,即针对在学习大学物理课程时,向参加“小制作”等活动的学生开放,为他们提供实践场地、物质保障以及技术支持.

4.2 努力实现可持续发展

要保证演示实验利用的效果,发挥其多元功能,拥有一个基地化的演示实验室是十分必要的,而且要实现这个基地的可持续发展[4],必须做到以下两点:(1)鼓励自制仪器,树立节约意识,实现物理演示实验基地硬件可持续发展,其实现途径包括鼓励自主设计创新、开展横向合作等;(2)以培养学生实践能力为核心,实现基地内涵可持续发展,其实现途径包括精细运行机制、深入挖掘培养学生能力与素质的题材等.

5 结语

通过演示实验室的开放教学,可以加强大学物理理论课的实践教学功能,也为大学生课外科技活动提供了一个良好的平台,从而促进了素质教育.演示实验室的开放教学针对不同类型的学生开放不同的实验内容,密切联系工程生产生活实际,充分利用多媒体教学,培养学生创新实践能力.同时进行科学的管理措施,保障演示实验室高效的利用.

[1] 杨振宁.杨振宁文集 [M].上海:华东师范大学出版社,1998.507～508

[2] 教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会.非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求[J].物理与工程,2006,16(5):1～8

[3] 李富全,张晓春,赵志洲等.围绕工程意识和创新能力的培养深化大学物理教学改革[J].中国高教研究,2007,(2):66～67

[4] 李海宝,刘炳胜等.新形势下大学物理演示实验的利用[J].实验室研究与探索,2009,28(4):109～111

[5] 李海宝,任敦亮,李晓萍等.构建可持续发展的物理演示实验基地[J].实验室研究与探索,2007,26(10):124～126

[6] 王玉风,成正维.开拓创新建设一流的物理演示与探索实验室[J].中国大学教学,2005,(10):7～9

[7] 周菊林,李蓓,周华林.加强大学物理演示实验培养工程应用型人才[J].湖南工业大学学报,2009,(3):103～105

PRELIMINARY OF OPENING TEACHING OF PHYSICAL DEMONSTRATING LABORATORY

Jiang Yaqin
(College of Science,National University of Defense and Technology,Changsha,Hunan 410073)

Opening demonstration experiment can alter disadvantage of traditional teaching mode,and give full scope to students’initiative sufficiently in teaching.Viewed from the deepening reform of teaching,different experiment content should be opened to different students,closely combining with the engineering production and living realities,making the best of multimedia teaching,and cultivating innovative and practical abilities of the students.Viewed from the teaching conditions,we should establish some system,refine the progra-mming demonstration laboratory opening,and try to realize the sustainable development.

demonstration experiment;physical teaching;opening teaching

2010-05-04;

2010-09-23)