物理演示与探索实验教学设计

樊英杰

（西北工业大学明德学院通识教育学院，西安 710124）

0 引言

随着教育部组织实施的“复旦共识、天大行动、北京指南”三部曲的逐渐展开，新工科建设成为了时下教育改革话语中瞩目的关键词，其建设内涵主要体现在“以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念；以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径；以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为主要目标”的人才培养模式上［1］。国内高校在新工科建设背景下必将更加依赖于教学改革和教学创新，而物理学是一门探究物质基本结构和运动规律的自然科学，物理学中的每个概念的建立、每个定律的发现都源于工程性思维和实验论证［2］。同时，物理学中的许多发现和重要效应，往往是技术发展的先导，每逢物理学取得一次重要突破，总会导致一场新的重大技术革命。现结合目前国内外（特别是中西部地区）高校在物理学教学过程中的教学现状以及多年来在物理演示与探索实验方面开展的一些工作尝试，探讨作为自然科学基础的大学物理教学过程中，如何在新工科建设背景下发挥物理演示与探索实验的教学设计功能来提高教学质量和教学效果谈谈自己的体会和一些做法，以便促进大学物理整体教学水平不断创新和提高。

1 物理演示与探索实验教学现状及分析

物理学是以培养观察能力和实验操作技能为主的基础自然科学，物理学的整个教学过程影响着学生对学习物理思想、方法和原理的初始认知，而演示实验因其现象生动有趣、操作简单方便、演示方式灵活，有助于活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，成为广大学生学习和拓展物理科学知识的重要组成部分［3-5］。

在国外，物理演示与探索实验目前正处于蓬勃发展期，如美国加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、哥伦比亚大学、德国慕尼黑大学等世界一流大学明确将物理演示与探索实验确定为物理学教学内容不可分割的一部分，从数量上不但演示项目多、内容丰富，而且自制设备也比较多；在演示的方式上从课内到课外、从教师的被动展演到学生的主动参与等多种教学形式；在课堂学时分配，物理演示与探索实验学时数占到了整个课堂教学一半左右，其教学思想及教学意义影响深远，值得学习和借鉴。

在国内，特别是中西部地区，①受空间环境等因素的影响，在物理学的课堂教学过程中仍有采取以“粉笔＋黑板”为主的由教师介绍理论、推导理论、学生被动接受理论的传统教学模式上，而完全将物理演示与探索实验引进课堂，让学生参与其中的主动教学的高校相对较少；②部分高校由于受制于课程学时的限制，在物理学教学设计过程中，物理演示与探索实验采取的教学方式多样，有的采取随堂演示、有的采取参观展示、有的采取网络视频、有的采取模拟仿真等，没有统一标准和要求；③部分高校由于教师教学科研一肩挑，其精力主要集中在科研工作，而在物理学的教学上投入的精力相对有限，在整个教学过程中只是把物理演示与探索实验当作教学过程中的一种点缀［6］、插曲，没有真正体会和认识到物理演示与探索实验教学的开展对学生认识物理、理解物理、应用物理以及培养科学思维能力的重要性［7］；④国内部分高校（特别是中西部地方高校）物理教师从知识结构、专业结构和教学水平上存在差异，并且对物理演示与探索实验的认识不足，只能按知识点教学，要让其在演示实验教学上拓展知识结构和课程内容时就显得力不从心；⑤部分高校虽然建设了物理演示与探索实验室，也购置了一些仪器设备，但和东部发达地区相比仍然存在经费投入不足，与之理论教学配套的仪器相对较少，而且现有的仪器设备也参差不齐；同时也受制于学校激励政策的影响，教师工作积极性并不高，自制仪器设备少之又少、严重不足，急待补充；⑥由于物理演示与探索实验设备大部分是非标产品，而且也难以形成批量化生产，加之国内生产厂商设计开发人员知识结构和技术水平相对有限，部分仪器设备在开发与设计过程中存在原理缺陷，演示效果较差、出现故障时难以维修，同时也难以生产与现代科学技术相配套的实验教学设备等［8］。

因此，在分析物理演示与探索实验教学现状的基础上，结合自己的工作实践，探索在“新工科”建设背景下如何进一步发挥物理演示与探索实验的教学设计功能来提升物理学的教学质量和教学效果。

2 物理演示与探索实验教学设计目的及意义

教学设计对整个教学过程起着决定性的作用，是教学工作者依据教学标准和教学对象，从教学目标、教学方式、教学方法、教学策略、教学评价和教学时间安排等方面来确定合适的教学设想和教学计划的系统工程，其目的是为了调动学习者在学习过程中的积极性和主动性，充分体现教师的主导地位和学生在学习过程中的主体地位［9］，而教学设计者只有在充分了解和掌握学生的原有知识结构和学习行为的基础上，通过精心设计的教学实践活动来指导学生在学习过程中重建自己的知识结构体系，重塑自己的学习行为，从而使其在单位时间内获取更多的知识，发挥其更大潜能，最终使学习者取得更好的发展。因此，教师在物理学的教学中只有在不断地自主学习、自主创新过程中充分发挥自己的教学设计潜能，结合物理演示与探索实验的教学特点，主动调动学生的积极性和参与度，最大限度地激发课堂的活力，从而实现教学的最优化，达到提高教学质量和教学效果的目的。

3 物理演示与探索实验教学设计原则

教学设计是一项系统性工程，它是由教学目标和教学对象分析、教学内容和方法的选择以及教学评估和教学反馈机制等诸多子系统所组成［10］，因此，为了保证物理演示与探索实验的教学效果和教学质量，教师在进行教学设计时应遵循以下原则：

（1）系统性原则。教学设计是由诸多子系统构成的有机统一体，其中的各系统之间既是相对独立，又是相对依存，相互制约，而在诸多的子系统中，各子系统的功能并不等价，其中教学目标起着指导其他子系统的作用［11］。因此，教师在物理演示与探索实验的教学设计过程中应立足于整体，系统地分析和总结，充分发挥教学目标的指导功能，尽可能做到整体与部分的相对辩证和相互统一，从而达到教学体系的整体优化功能。

（2）目标性原则。教学目标在整体的教学设计过程中起着主导作用，是教学内容、教学方法、教学策略、教学媒体等的总导向，是反映施教者和受教者在整个教学过程中的预期结果。因此，只要教学目标明确，才能实现教学过程的最优化，从而保证课堂教学获得预期效果。因此，教师在教学设计过程中首先要考虑物理演示与探索实验在教学过程中所要达到的目标要求，通过目标要求，最终能够使学生真正体会到所学知识要揭示的物理思想、物理原理、物理方法、物理规律等［12］。

（3）可行性原则。可行性原则通常是指教师在教学设计过程中必须充分考虑人的主观能动性和仪器设备的可操作性，只有这样才能保证教学设计最终达到教学目的和教学要求。那么，人的主观能动性通常要考虑的是学习者的年龄结构、知识水平、操作技能、动手能力等；仪器设备的可操作性通常要考虑仪器设备的安全性、直观性、可重复性等特点。

（4）启发性原则。启发性思维能力的培养是当代教学必不可少的作用。在整体的教学过程中，教师必须以学生为主体，注重培养并充分调动学生学习的主动性，引导他们注意观察、独立思考、积极探索，自觉掌握学习知识和提高分析问题与解决问题的能力。因此，教师在设计实验内容的同时要结合必要的提问、释疑，启发思维等教学形式来促使学习者掌握获取知识和学习方法的能力。

（5）创新性原则。物理演示与探索实验在设计过程中是要以科学思想为指引，以事实为依据大胆创新，要敢于怀疑和批判，敢于运用发散性思维对现有问题提出质疑，这样才能尊重科学，发展科学［13］。因此，教师在教学设计过程中充分发挥自己的专业特长，融合相关学科之间的教学特点，科学合理的设计教学案例，以达到教学目的和教学要求。

（6）反馈性原则。反馈性原则通常参考物理演示与探索实验教学过程的前后变化对比和学生掌握知识的程度进行科学考量来测评教学成效，其目的主要是为了掌握更多的反馈信息，以修正和完善原有的教学设计。

4 物理演示与探索实验的教学设计基本流程

教师在设计物理演示实验的过程中，为了保证实验教学的可持续，一般需要经过选题和目标制定、方案和策略设计、方案评价、教案设计和试教评定、方案实施等阶段。通常采取图1 的流程组织实施。

图1 物理演示与探索实验教学设计流程图

（1）制定教学目标。依据教学大纲、教学目的和教学要求，充分分析教学内容，确定物理演示与探索实验教学设计课题。同时，在所选课题的基础上，通过查阅资料和调查分析研究，对教学内容和学习者自身情况等进行深入分析，以制定能够满足学习者合理化的教学目标。比如，在“静电场”这一部分内容中，为了能使学生更深刻的了解该章内容，在制定教学目标时，除了要讲授教学大纲所规定的知识点之外，在课程教学过程中引入大量的演示与探索实验（如：电场线模拟、静电屏蔽、静电转筒、静电乒乓、静电小球、静电植绒、静电除尘、静电风轮、尖端放电、高压带电作业、怒发冲冠等），通过演示和亲身参与，使其融入整个教学活动中，从而激发学生的学习兴趣，达到对该章内容的理解与掌握。

（2）教学方案设计。在明确教学目标的基础上，教师通过分析物理演示与探索实验教学过程中出现的各类因素，采取系统性原则分析教学中存在的问题，从学生的实际出发，精心设计教学方案，制定教学策略，评定教学过程与教学效果，通过反馈机制解决教学进程中的问题、优化教育教学资源、帮助学习者进行个性化的学习，从而形成比较完整的教学设计方案，以满足施教者和受教者的各自需求［14］。同样以“静电场”内容为例，在设计教学方案时，首先通过实际案例，如秋冬季节在脱衣服时会听见噼里啪啦的声音，皮肤会感觉麻麻的刺痛，在比较黑暗的地方偶尔还会看到火花的现象导入课程内容，使学生通过自身的经历初步了解本讲所讲知识点。其次，在教学过程的不同阶段引入不同的实验内容，通过简短精彩的表演和亲身参与，激发学生的求知欲，起到突出重点、突破难点、巩固知识、应用知识的作用，达到较好的教学效果。如，在课前通过“验电器”“韦氏起电机”“范德格拉夫起电机”的工作原理了解静电产生的机理；在课中通过“电场线的描绘”“静电平衡”等实验了解电荷分布情况；在课后通过“静电除尘”“静电植绒”“静电屏蔽”“高压带电作业”“导体中的介质”“怒发冲冠”等实验内容巩固所学知识，起到理论与实践相结合，同时为培养学生的科学思维和工程应用能力打好基础。

（3）教学方案评价。在教学方案设计的基础上，为了全面提高教学质量，实现教与学的有效性，通常在一定的周期内要侧重于对教师的教学过程（包括课前、课中和课后）进行一定的评价，同时还应包括教学内容、教学目标、教学方法、教学策略和教学效果等的评价，其目的是为了及时了解教师在施教过程中存在的问题与不足，以便于及时反馈和修正，从而为学生的自我学习和自我发展奠定一定的基础，同时也为教师的专业成长和自身的可持续性发展提供服务与帮助。比如在进行“怒发冲冠”演示实验时，在教学方案评价过程中，需要考虑其教学内容是否恰当合理、教学目标是否明确、教学重难点是否得当、演示实验效果是否明显、仪器设备是否易于操作、是否考虑仪器设备的安全性、学生是否参与其中、是否能够培养学生的科学素养及实践动手能力等。

（4）试教并评定。教师在明确教学目标和教学方案评价的基础上，组织编写教案进行试教，同时教师还要清楚试教的目的是为了检验教学方案是否合理，是为了进一步提高教学质量和改进教学方法的过程。因此，教师在试教的过程中要能够整体把握自己的课堂，做到能详能简、张弛有度；同时在重点与难点上能够做到由浅入深、由表及里、逐渐深化，在细节上也能够层层推敲，使学生能够更加深刻理解和掌握所讲内容，最终通过评价与反馈机制对教学方案作进一步修正和改进，以保证教学质量和教学效果进一步提升，从而使学生终身受益。比如在进行“怒发冲冠（15 kV 以上）”“高压带电操作（220／380 V）”实验时，要求学生参与其中，并且是在高电压下进行的，学生会产生害怕和恐惧感，那么，教师在试教过程中就必须反复推敲、精心设计，避免这种现象发生，从而完成教学内容，达到教学效果。

（5）教学方案实施。在各项指标都满足要求的情况下，对修正过的教学方案组织实施。在方案实施的过程中，教师应牢牢抓住自己是主导，学生是主体的指导思想，注重调动学生学习的积极性和主动性，采取手脑并用、相互融合、相互渗透的教学手法让学生真正成为课堂的主人，同时还应做到在潜移默化中培养学生的素质，使学生德智体美劳全面发展。

5 结语

总之，在物理学的整个教学过程中，课堂教学的成败与物理演示与探索实验的教学效果是息息相关的，故而与物理演示与探索实验的教学设计在整个物理学教学设计中所占的地位是也不言而喻的。因此，教师只有通过不断地自主学习、自主创新，充分发挥自己的潜能，做好物理演示与探索实验的教学设计，就能找到一个提高课堂教学的突破口，就能以点带面提高教学质量和教学效果，从而为学生的自主学习和全面发展提供服务与帮助。