《大学物理演示实验》的编写思路

卢荣德，程福臻

（中国科学技术大学物理学院，安徽合肥 230026）

《大学物理演示实验》的编写思路

卢荣德，程福臻

（中国科学技术大学物理学院，安徽合肥 230026）

通过《大学物理演示实验》教材编写思路的介绍，逐点地把创新思维融会贯穿到大学物理演示实验教学的实践过程中，培养学生的独立创新能力.教师不仅须有创新的理念，更须有效地将其理念贯彻与落实到具体的大学物理演示实验的实践活动中.

大学物理；演示实验教材；实践教学；编写思路

大学物理演示实验用于配合物理课堂教学，可以随堂演示或独立开课，展现物理现象、验证和诠释物理原理，利于学生构建物理图像，加深物理理论的理解与记忆［1］.如何在物理教材的编写中体现大学物理演示实验教学目标且有效地增强学生的独立创新意识，是教材编写中需要慎重考虑的问题.拓展大学物理演示实验的功能，设计符合大学物理演示实验教学目标，实验探究内容与学生动手能力培养相协同是非常重要的.多年的教学实践告诉我们，当物理演示实验项目和内容确定后，物理演示实验教材建设的核心问题是教材的编写思路问题.学生要从物理演示实验教学中获得他们所需要的知识、技能和创新能力，演示实验教材的编写思路是一个值得认真对待和进一步研究探讨的问题.

《大学物理演示实验》教材［1］（卢荣德，中国科学技术大学出版社，2014年9月）面世了，为了交流、深化和发展大学演示实验教学，我们在此谈谈这本教材的编写思路.

1 传统物理演示实验教材的编写现状

当前大学物理演示实验教材，包括自编的演示实验讲义，存在诸多不足之处.具体表现在以下4个方面.

1）物理演示实验的设计就事论事.没有提供学生预习用的实验背景、实验应用与实验拓展或参考文献等，使得学生把本来鲜活的实验演示主题作为一个孤立的事件一览了事，而未能将其与科学研究、实际应用和日常生活联系起来，未能有更多深层次的理解和拓展.

2）实验演示方案单一化、演示模式固定化.国内大学演示装置大都是购买来的且长期不改进，也不管设计是否合理，动一动看到现象就行.实验演示方案沿用实验仪器厂家单一方案而缺乏自己的创新.师生互动中教师大都“自弹自唱”，学生“好奇看热闹”，而“主唱”影响了学生的主动性和积极性，实际上留给学生发挥创造力的空间少了.物理演示模式往往固化了演示实验的结果和答案是唯一和理想化的，导致学生的思维缺乏多向性和灵活性.

3）物理演示实验拟定的思考题过于简显、缺乏梯度，且深度和高度不够.有些题学生无需深思就知道答案，不能有效地养成学生探讨和研究的习惯.物理演示实验一般都没有一定梯度的思考题库，创新性的思考题就鲜见于教材.

4）物理演示实验单台套、专一性强，不能充分发挥其综合功能.物理演示实验成为“杂耍表演场”，课后又未能产生有效的激励效应，易被误称为“浮于表面、流于形式”而没有显示度的附属品.

一线的教师在教学实践中深切体会到，基于这种情景下的物理演示实验教材（包括自编的实验讲义）使学生的消化力衰退、其依赖性自然养成.按照过详的步骤表演实验，不必预习，也不用动脑，只需“照猫画虎”就能顺利完成演示任务.在这种教材的引导下，学生完成的演示报告易陷入“八股文”，照教材已设计好的表格填鸭式地把实验现象依次填入，依据给定的公式算出结果，稍作分析、回答几个简单的思考题就算完事，特色化、个性化和生活化的演示报告从何而来？而对于物理演示中出现的各种“新奇”现象，教材不注意引领学生认真观察和探究分析，学生仅在一条流水线上作“搬运工作”.由于教材给学生提供发挥想象力的空间很少，难以激发学生的自主实验的动力，结果是一套物理演示实验下来，无深刻印象的看热闹，创新能力的培养更无从谈起.长此以往，学生未能体会到物理演示实验的美、趣味，僵化了思维、弱化了独立意识和创新意识，甚至用应付GPA的态度参与物理演示实验，偏离了大学物理演示实验教学的目标.

2 物理演示实验教材的编写理念

1）突出基础理论、体现学科交叉、密切科学前沿、展示现代应用.

2）建立大学物理演示实验独特发展的新模式，既有课内外又有社会服务和应用的功能，设计引导“情景-探究-应用”的学习过程.

3）重视独立创新意识，培养兴趣、启迪思维、开阔眼界、启发心智.

4）从研究转化而来、反映时代特色的实验内容和方法交叉融合.

3 《大学物理演示实验》教材的主要特点

3.1 大学物理演示实验标准化、规范化的设计

通过分析大学物理探究的技能和探究的物理本质的要素［2］，把演示实验内容与新、奇、味等要素有机结合进行演示实验设计，这是教材设计大学物理演示实验的主要思路，使其规范化、标准化得以有效实施.

大学物理演示实验走过的历程是阵痛的，从附属于理论教学到理论讲授与实验教学分开而自成体系，而现有一些大学将物理演示实验划属于普通物理实验，学生到演示实验室表演实验，而实验前便知道实验的结果.本教材注重理论教学与实验教学的无缝对接，多数物理演示实验属于开放、探究和拓展应用型，学生必须经过自主实验才能得出结论，而且结论可能多元化但又有其标准化的界定.

大学物理演示实验设计方法的规范化、标准化，特别强调“定性描述→物理图像→整理证据→分析数据→辨认关系→计算结果→比较结果→进行推测→做出解释→检验假设”标准化的流程，用具体的、有梯度的演示实验内容来培养学生在实际演示实验过程中行为化标定.

教材以演示探究系列和实验创意制作相交融的形式设计大学物理演示实验，在标准化流程中其目的是明确和规范的.现举教材中“磁路定理的探究实验”［3］为例进行说明.

3.1.1 标准化的演示实验流程

1）探测铁磁材料的相对磁导率μr是该实验的主要目的，为此需要知道哪些物理量？

向实验技术人员提交实验器材清单→设计探测相对磁导率的实验方案→GROUP讨论→列出实验步骤→研究组和实验老师集体研讨；

2）集体互相研讨交换意见后，综合集体的意见，可有效合理地设计实验演示，记录实验日志；

3）根据实验日志上记录的实验步骤，测量磁通、磁阻和磁动势并记录数据，用这些数据估算相对磁导率；

4）与标准值比较并进行数据处理；实验完成后归位和清零.

3.1.2 规范化的实验思考

1）集体汇报实验数据，集体讨论实验数据，现场校验实验数据，总结经验与教训；

2）统一思考梯度化的实验问题：

不同的磁场强度时，磁阻传感器的电阻值与磁感强度关系有何变化？

为什么各组的实验数据会有一定的差别？

该实验可有更好的改进方案？

3）集体围绕着课程内容中的重点与难点展开思考与讨论，如比较各组的改进方案并推荐最佳方案.

3.2 物理演示实验活动化、特色化的过程

将物理演示实验的教学与学生分组进行的探究活动过程有机结合，使得演示实验过程活动化.这样设计物理演示实验可使物理课堂上所强调的重点、难点问题能在物理演示实验中得到有效地贯彻［1］.在教材五章的编写中，实验过程活动化、特色化的特点得到充分体现.

每章的概述十分强调教学法，向教师建议实验安排，向学生建议如何学.为了让学生感受物理的真实世界，呈现的教学法丰富多彩、花样翻新.它们相互交织在整个教学活动中，每章分述如下：

3.2.1 第一章物理观察实验的特色

1）观察实验是鉴赏自然界表演的基本方法，通过感官或仪器有计划、有目的对事物考察和描述；

2）微观（2个专题）的观察实验专题，介绍了微尺度热现象和狭义相对论的观察实验；

3）宇观（2个）的观察实验专题，介绍了宇宙射线和残余引力波、微波背景辐射观察实验；

4）宏观（5个专题）观察实验专题，增加多层次、多尺度和多功能的蜻蜓翅膀纳米结构的观察实验；增加流体力学的流动现象的观察，电磁学非线性电路中混沌现象观察.

3.2.2 第二章物理随堂实验的特色

1）随堂实验是主导操作表演示范性实验，将物理现象展示在学生面前，引导其思考，配合讲授或穿插互动讨论等方式完成课堂教学任务；

2）以实验用途、实验模块、实验操作、实验原理、实验讨论和关于实验的形式呈现；

3）牛顿马戏团、焦耳工作室、法拉第俱乐部、菲涅耳珠宝行四大演示箱的制作，现发展为57个便携实验；

4）与通用的教材紧密结合，实现在普通教室内边上课边实验，使学生获得丰富的感觉、直觉，形成鲜明的表象，为物理课堂的助学系统；增加凝聚态的过桥米线肉片热传导实验.

3.2.3 第三章物理表演实验的特色

1）表演实验是指为配合教学内容由教师操作示范的实验，虽然不便于携带到课堂，但是无缝对接课堂与实验教学；

2）物理表演实验分为基础、综合、现代、先进四大系列，现发展到97个表演实验；

3）每个实验均与通用教材的章节成龙配套，有表演视频，方便教师带入课堂，实现课堂对接实验的理实交融协调模式.

3.2.4 第四章物理趣味探究实验的特色

1）趣探实验是主体从趣味、自然美引发问题，通过自主选题与探究，自主设计与制作，自主选材与实验仪器公司成龙配套等实践活动，获得动机不同的趣味情感体验；

2）趣探实验有四大探究系列已发展有41个实验，印证物质世界的确实性；

3）以Leybold和Phywe教具为数字化平台让学生实际动手、趣味观察、亲身体验；

4）采新猎奇、精酿趣味，追寻现象背后的本质和规律，感受进阶探究带来的乐趣.

3.2.5 第五章物理创意制作实验的特色

1）创意制作需一定时间进行特定方案的自主构建，突破传统、引领趋势的演示作品；

2）简述创意制作的基本要求、加工技术、黏接技术和设计原理，综合建构物理体系；

3）物理平衡、变换、放大、模拟、比较和转换六大专题12个实验尝试性示例，抛砖引玉，让创意制作和自制创新成为源源溪流.

3.3 大学物理演示实验微型化、多元化的方案

为确保物理实验演示方案与随堂教材成龙配套，同时能体现随堂教材的重点和难点，将其演示方案简化、精练，以就近原则安插在随堂物理概念、原理、定律等内容中，以“表演实验”的形式出现，共设计了97个短小精悍的表演实验，表演方案微型化、多元化，如实验97：高导电率材料的电磁悬浮和熔化演示实验［4］.

依据电磁悬浮熔炼技术原理由近代物理系万树德老师［4］研发的高导电率材料电磁悬浮和熔化演示实验装置，实现了在实验室条件下高导电率材料的电磁悬浮和熔化演示悬浮，还有导电体的各种运动如定轴转动、转动与进动、高速旋转等.具有多元化的演示效果，实验现象奇妙，将电磁悬浮和熔化的基本原理非常直观的呈现出来，揭示了浅显物理原理.

分析和思考：为什么高导电率、低导电率材料可以悬浮？在一定范围内为什么不同质量导电体可随机平衡？铁磁质为什么不能悬浮？悬浮材料为什么会产生各种运动？

3.4 物理演示实验人性化、生活化的内容

物理演示实验在物理教学发展的历程中一直保持着辉煌而持久的地位，它不仅仅是观察物理现象、展示物理过程和探究物理规律，更是物理思想、精神和文化的制高点，是物理学家智慧的结晶和永垂不朽的灵魂［1］.物理演示实验之于物理教学的根本生命力在于创新［5］，如何将物理演示实验内容与现实生活世界结合是一个非常重要的问题，为此教材进行了富有创意的构思，从而使实验设计表现出实验内容“人性化、生活化”的特点.

在教材的“过桥米线里的肉片热传导的演示实验”［1］中，让学生们递交一份实验日志，用令人信服的证据说明，过桥米线和旋毛虫里面的物理问题.为了完成这个实验日志，学生们需要学习热传导、热扩散的概念、物理和数学的热传导方程等内容.需要到生活中去收集证据，采集肉片实验的数据.如同涮羊肉厚度及相互叠放、温度与旋转时间，为此要通过动量、能量等概念来优化温度、时间与杀死旋毛虫的实验.

4 思考与启示

1）《大学物理演示实验》编写内容从知识导向转换为行动导向，编写结构从知识逻辑为主线力图以工作逻辑为主线，融理论学习、技能实训于一体，使知识传授与技能培养和谐统一.

2）教材涵盖面广，把纷繁复杂的材料调配到一个大框架中有效地展示给读者，使教师根据物理演示实验的需要方便获取合适、相对独立的模块易于实验教学，使学生能看到他们之间关联，引领学生探索欲望，给学生一个深入探索大量专题的起点［6］.

3）《大学物理演示实验》编写是一项系统工程，融多年大学物理演示实验工作积累、各届参加演示实验学生（如中国科学技术大学本科生的“格物致知社团”有益探索）的汗水，特别是一线老师的辛勤的耕耘和无私的奉献，是一部体现集体智慧和劳动结晶的奋斗史.

5 教学实践的反馈与结论

《大学物理演示实验》的编写力图体现独立创新意识，但仅仅探讨和尝试层面，只有通过具体的物理演示实验实践以及学生的实际实验过程来检验和不断发展.目前，通过理论课程和实践教学的无缝对接，才刚刚开始.通过物理演示实验的实践过程，在教师、实验技术人员和学生中做了一些调查，反馈信息如下.

1）实验教师认为，教学讲授量减少了很多，但是为该实验准备的工作量加大了，而且在物理演示实验过程中要回答学生提出的问题增加了.

2）实验技术人员则认为，指导学生实验技术的工作量也加大了，因为很多实验组别的学生对同一个演示实验采用的方法和设计的思路均不同了，没有一劳永逸的统一方案了，一个实验相当于指导了10个或更多的实验了.

3）学生认为，大学物理演示实验有意思了，也有自主发挥的余地，个性化色彩浓厚.很多同学在实验方案设计中出现许多别出心裁的作品，展现出“万类霜天竞自由”的局面.

这只是初步尝试和局部的调查，但让我们深深的感受到，独立创新能力的培养，不仅须有创新的理念，更须在具体的大学物理演示实验的实践活动中得到有效的贯彻、落实与发展.

［1］卢荣德.大学物理演示实验［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，2014.

［2］霍剑青.大学物理实验课程教学基本要求的指导思想与内容解读［J］.物理与工程，2007，1：5-9.

［3］钱仰德，卢荣德.磁路定理实验仪的研制和应用［J］.大学物理，2011，30（8）：33-35.

［4］万树德.高导电率材料的电磁悬浮和熔化演示实验［J］.大学物理，2015，34（4）：28-32.

［5］Barbara Nagle.Preparing High School Students for the Interdisciplinary Nature of Modern Biology［J］.CBE Life Sci Educ，2013，12（2）：144-147.

［6］卢荣德，程福臻，孙腊珍，等.大学物理演示实验动感创新教学平台的探索与实践［J］.物理通报，2011（1）：42-45.

The thought of compiling《University Physics Demonstration Experiment》

LU Rong-de，CHENG Fu-zhen
（School of Physical Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei，Anhui 230026，China）

The argument in this paper is how to strengthen students’independent innovation consciousness in the textbook of《University Physics Demonstration Experiment》.Supporting my position is that the innovative thinking is mixed point by point through to the practice teaching of demonstration experiment of university physics by the introduction of the compiling of the textbook of《University Physics Demonstration Experiment》.Such a conclusion would be that the cultivation of independent innovation ability not only have innovative ideas，but also be effectively implemented in the practical activities of the university physics demonstration experiment.

universityphysics；teachingmaterialofdemonstrationexperiment；teachingpractice；compiling thought

G 633.7

A

1000-0712（2016）-05-0057-04

2015-08-16；

2016-01-04

安徽省重大教学改革研究项目（2015jyxm006）、中国科学院科普项目（KP2015C10）资助

卢荣德（1968—），男，安徽合肥人，中国科学技术大学物理学院副教授，硕导，主要从事光声光谱生物检测技术研究工作.

程福臻，Email：fzhen@ustc.edu.cn.