大學物理演示實驗資源有效利用探索

張 偉,張 雷,黃傳甫,孟現文,李 艷

(中國礦業大學 材料與物理學院,江蘇 徐州 221116)

高等學校擔負著為國家培養高層次、創新型人才的重任,實驗教學環節在完成這一重任的過程中擔負著特有的使命。實驗教學不僅要向學生傳授知識、驗證理論、培養學生的實驗技能,更重要的是在理論與實踐相結合的過程中,使學生在理解知識的前提下,學會應用知識分析問題和解決問題,這是高等教育過程中不可缺少的重要環節。同時,實驗教學在引導學生掌握科學的思維方法,提高綜合分析問題和解決問題的能力等方面發揮著不可替代的作用[1-5]。

大學物理演示實驗既不同于普通的物理實驗也不同于科研實驗,物理演示實驗不注重數據的測量和儀器的使用,而注重物理原理的展示,更能激發學生的學習興趣[6-8]。物理演示實驗有助于學生理解物理理論、加深知識記憶、激發科學興趣等[9-11]。國外高校對物理演示實驗非常重視,比如美國加利福尼亞州立大學伯克利分校的物理演示實驗室、北加利福尼亞州立大學的物理演示實驗室以及馬里蘭大學的物理演示實驗室都在其網站上對物理演示實驗進行了詳盡的介紹。這三個演示實驗室網站所提供的演示實驗數量非常多,而且每個實驗都給出了照片并對每個實驗的操作步驟和注意事項作了詳細的說明[12]。在德國,物理演示實驗有著深厚的群眾基礎。從博物館到走廊實驗,從經典的演示實驗到現代科技,處處滲透著創造性的物理演示實驗。德國物理學界流傳著這樣的說法:沒有演示實驗的一堂課是不可想象的。德國人對演示實驗的重視程度由此可見一斑[13]。近年來,隨著教育經費投入的增加,國內很多高校開始著手籌建物理演示實驗室,逐漸形成了一定的規模。據統計,目前75%以上的學校演示實驗室面積已達到或超過200 m2,吉林大學的物理演示廳甚至達到1 000 m2。多數高校演示實驗室的儀器已達到70套以上[14]。

中國礦業大學(礦大)的物理演示實驗室也從2020年開始了擴建,目前已建成3個物理演示實驗大廳和演示實驗走廊,擁有超過120套演示實驗儀。雖然具有了一定的規模,但是,這些演示實驗儀器的利用率卻很低。2021年以前,物理演示實驗室只對物理專業的學生開放,其他專業的學生很少有機會了解、參與物理演示實驗。在理論教學中,教師也主要以理論講述為主,基本沒有將演示實驗資源融入到課堂教學中去。當前,很多高校也同樣存在物理演示實驗室的資源利用率偏低的問題,有必要也必須對如何高效利用高校物理演示實驗資源的問題進行深入地探討。

1 礦大物理實驗中心在物理演示實驗資源有效利用方面所做的探索

1.1 物理演示實驗進理論課課堂

物理學是一門實踐性很強的學科,每一個新理論都是通過對大量實驗現象的歸納與總結并經過無數次的實驗檢驗才得以確立的。在物理理論課的教學過程中,借助于演示實驗來再現物理過程、檢驗物理規律是行之有效的教學手段。輔助理論教學是演示實驗的最初目的。

有效利用物理演示實驗資源最主要的方法就是讓演示實驗進入物理理論課的課堂。演示實驗進入理論課課堂的途徑有兩種:一是演示實驗儀器直接進入理論課教室;二是在物理演示實驗大廳通過網絡向理論課課堂在線同步直播演示實驗。

1.1.1 物理演示實驗儀器直接進入理論課教室

教師在課前向演示實驗室借好與本節課內容相關的演示實驗儀器,或者教師與實驗師事先約定好時間,當教師在課堂上講到相應部分的時候由實驗師將演示實驗儀器送到課堂上,然后在課堂上完成演示實驗,如圖1所示。做演示實驗的時候,可以是教師操作,學生觀看,也可以邀請學生一起參與,由教師和學生在課堂上共同完成演示實驗。

圖1 教師指導學生在課堂上做演示實驗

1.1.2 通過網絡在演示實驗大廳向理論課課堂在線同步直播演示實驗

演示實驗儀器直接進入理論課教室,比較直觀,學生也可以參與。但是,該模式比較適合小班教學。受實驗儀器與實驗教師的數量的限制,當有幾十個教室幾千個學生同時上課的時候,這種模式就很難實現。對于向全校學生開設的大學物理理論課程,比較實用的模式是實驗教師在演示實驗大廳通過網絡向理論課課堂在線同步直播演示實驗。需要做演示實驗的教師提前與演示實驗室的實驗教師做好溝通,課上講到需要演示實驗的內容時,打開在線直播軟件,與演示實驗大廳同步進行實驗演示。同步直播演示實驗最大的優勢是不受演示實驗儀器的限制,可以向課堂演示大型演示實驗儀實驗。在課堂演示過程中,可以根據實驗內容進行課程思政,培養學生的愛國精神,家國情懷。

1.2 讓學生參與物理演示實驗儀器的開發探究

礦大物理演示實驗室的儀器資源豐富,有120多套,涉及到力學、熱學、光學、電磁學等各方面的知識,如圖2所示,且有靈活多變的特點,在培養學生的創新能力方面有很大的潛力。

圖2 中國礦業大學物理演示與探索實驗室

物理演示實驗室可以以選修課的形式吸納一些低年級對物理實驗感興趣的學生進入演示實驗室,開展設計性和探究性的實驗。以學生為主,給學生創造一個獨立思考,自由探索,團隊協作的環境。經過一段時間的學習探索,學生在發現問題、解決問題、資料檢索、寫作表達等各方面的能力都將獲得很大的提高。目前,依托大學物理演示實驗室已獲批大學生創新訓練項目3項,教改項目4項,獲得中國礦業大學微視頻大賽一等獎1項。

1.3 面向大眾開放物理演示實驗室

服務社會是高校的三大職能之一,高校需要發揮知識與資源優勢,實現服務社會的發展目標。面向大眾開放物理演示實驗室是高校直接服務于社會的有效方式之一。建立科普教育基地,定期組織參觀學習活動,向中小學生和社會大眾普及物理知識。一方面可以提高中小學生的科學興趣和社會大眾的科學素養,同時也可以提升高校在本地區的影響力。目前,礦大物理演示實驗室已經接待中小學生200余人,接待兄弟院校的教師代表100余人,收到了良好的反饋。

2 探索物理演示實驗資源有效利用過程中遇到的問題

如何有效地利用物理演示實驗資源是很多高校都會面臨的問題。我們在探索物理演示資源有效利用的過程中發現如下因素會嚴重制約物理演示實驗資源的有效利用。

第一、理論課教師對課堂演示實驗的重視程度不夠。當前,很多物理理論課教師并沒有認識到演示實驗在課堂教學中的重要作用,有些教師甚至認為演示實驗會擠占原本就緊張的課堂時間,不利于課堂教學。理論課教師不夠重視演示實驗是影響物理演示實驗走進理論課堂的主要原因。

第二,演示實驗室的專職人員嚴重短缺。我校目前只有一位負責物理演示實驗室的專職實驗教師,這是遠遠不夠的。

第三,演示實驗設備的管理維護有待加強。物理演示實驗室的一個實驗通常只有一套實驗儀器,在演示實驗儀器常態化進理論課堂的狀態下,儀器容易發生故障,演示實驗室就會出現運行困難的情況,進而影響演示實驗儀器的正常使用。此外,很多物理演示實驗是在高壓狀態下工作,比如尖端放電實驗、靜電屏蔽實驗等。在演示實驗室對外開放時,許多中小學生會進到物理演示實驗大廳近距離接觸演示實驗儀器,實驗安全更是重中之重。

3 解決方案

針對上述阻礙演示實驗資源有效利用的問題,我們給出了如下解決方案:

第一,物理實驗中心聯合大學物理教學中心召開有關物理演示實驗的專題研討會,加深理論課教師對物理演示實驗的認識,讓理論課教師真正從思想上認識到演示實驗是課堂教學必不可少的重要環節,其作用不可替代。這樣可以有效地促進演示實驗進理論課堂。

第二,加大演示實驗室專職人員的引進力度,同時培訓理論課教師使用物理演示實驗儀。理論課教師學會使用演示實驗儀后就可以在沒有實驗師協助的情況下獨自在課堂上演示物理實驗,也可以指導學生在課堂上做演示實驗。這樣可以有效地解決因演示實驗室專職人員短缺導致的演示實驗難進理論課堂的問題。

第三,為了安全高效地管理演示實驗室,首先,在高危險系數演示實驗儀處設立安全警示牌,并在其周圍用隔離帶分出安全區,如圖3所示。只允許受過培訓的專業人員進入隔離帶區域操作高危險系數的演示儀器,以確保實驗的安全。其次,建立設備動態臺賬系統,演示實驗儀出借實行預約制。再次,提高實驗管理人員的儀器維修能力,同時購置多臺同一型號的小型便攜式課堂演示實驗儀。大學物理理論課教師的課程進度非常相近,會出現多位教師同時需要用相同演示實驗儀的情況。而且,演示實驗進理論課堂常態化后演示實驗儀器的損壞率會增大。在一個演示實驗只有一套演示實驗儀的情況下,僅靠實驗室管理人員維修損壞的儀器難以保證演示實驗室的正常運轉,因此,實驗中心需要購置多臺同一型號的小型便攜式課堂演示實驗儀,以保證演示實驗順利高效地開展。

圖3 高壓靜電區的演示實驗儀

4 結 論

物理演示實驗在輔助理論課教學、增強學生的科學興趣和創新能力,擴大學校對外宣傳等方面起著不可替代的作用。越來越多的高校開始創建物理演示實驗室。本文以中國礦業大學為例探討了我們在物理演示實驗資源有效利用方面進行的探索,提出了一些新的想法及嘗試,比如借助線上教學軟件讓演示實驗儀器更高效地走進物理理論課堂,通過演示實驗進行課程思政教育,讓學生參與演示實驗儀器的研發來培養學生的科研興趣和創新能力等。在探索實踐的過程中,我們也發現了許多阻礙演示實驗有效開展的因素,比如理論課教師對課堂演示實驗的重視程度不夠、演示實驗室的專職人員嚴重短缺、演示實驗設備的管理維護需要加強、演示實驗室的自研設備比例太低等。這些因素制約著物理演示實驗室的可持續健康發展,本文也給出了相應的解決方案。希望本文的探討能夠對其他高校特別是籌備建設或者正在建設物理演示實驗室的高校提供一定的參考,有利于更好地發揮物理演示實驗在人才培養、科學研究和社會服務中的作用。