大學物理課堂演示實驗研究
大學物理課堂演示實驗研究
摘要：針對目前大學物理課堂“滿堂灌”的傳統教學模式存在的弊端，提出可以透過演示實驗提高教學效果．總結出了一套能夠充分發揮演示實驗效果的教學經驗，並指出了目前演示實驗教學中存在的一些不足之處．
關鍵詞：大學物理；演示實驗；課堂教學
目前我國的高等教育中，培養人才的基本組織形式和主要方式依然是課堂教學．對教師而言，課堂是其職業生涯最基本的構成，是傳道授業的神聖殿堂；對學生而言，課堂是其學校生活的最重要部分，是知識積累的基本渠道．物理學是透過實驗來探索物質基本結構和運動基本規律的一門自然基礎學科．物理學不僅是一門基礎理論科學，而且也是一門實驗科學．物理知識與規律大多是以實驗為依據的，要求學生理解一些抽象物理規律和物理概念是大學物理課堂上講授的主要內容．然而物理知識由於本身就比較抽象與枯燥，再加上長期以來形成的“滿堂灌”的課堂教學模式使得大學物理課堂死氣沉沉，已嚴重影響到了學生學習的興趣，無法調動學生主動學習、自主思考和發散思維的積極性．根據教學經驗，提高課堂教學效率的方法不外乎講授物理學史、聯絡生活實際、開展演示實驗等幾個方面，其中教師最好的幫手還是理論與實際相結合的演示實驗．演示實驗是指課堂上教師為配合理論教學針對學生所做的具有示範性與表演性的實驗[1-2]，具有的這些獨特的教育功能，是任何教學手段也不能代替的，已被廣大同行所公認．
1新課程標準下引進演示實驗教學方法的必要性
2007年全國高中物理全面實施了新課程標準，與舊教材相比，新課改更注重培養學生的探究方法與科學精神．高中新課改後，實行模組選修制．《物理（選修3-1）》和《物理（選修3-2）》是必選的，有些學校《物理（選修3-3）》、《物理（選修3-4）》、《物理（選修3-5）》只需選修2本，但是很多學校為了擠出更多時間，甚至只選其中1本，這樣學生間高中物理知識基礎差別就很大．學生基礎知識的參差不齊，對當前大學物理的教學產生了較大的影響，也給教師帶來了新的壓力和挑戰，大學教師在課堂上很難把握一個合適的進度，以符合所有學生的接受能力．例如：高中熱學中屬於《物理（選修3-3）》的內容，有些省份沒有作為考試內容，所以部分學生根本沒有熱學的概念，而大學物理教材是假定學生掌握熱學一些基本知識的，這就加大了講授這塊知識的難度．所謂百聞不如一見，對於抽象的物理知識而言更是如此．尤其對於大學物理，在進行理論教學的同時伴有演示實驗，從而使物理概念的實驗基礎得到再現，顯得尤為重要．演示實驗又是物理教學中最具有活力的內容，它對教學的其它環節也能發揮積極作用，所以儘量在課堂上引入一些簡單的演示實驗，生動直觀地展示給學生，以提高講課效率．如光的偏振內容比較抽象，平常學生接觸不到，導致學生不易理解，為此引入鐳射筆發射的演示實驗．在介紹偏振光時，只需攜帶一個作為檢偏器的偏振片和上課隨身使用的鐳射筆（鐳射筆替代一個普通光源和一個起偏器）就能進行演示實驗，這樣既節省了演示裝置，又減少了除錯時間．透過檢偏器在鐳射筆前面的旋轉，讓學生直觀地觀察到光強的變化，加深學生對知識的理解，從而提高教學效果．
2演示實驗教學方法的優勢
演示實驗的過程是實踐對理論知識進行檢驗的過程，能夠化抽象為具體，把枯燥的定理證明和公式推導活靈活現地展示給學生，把物理定理、規律和有趣的實驗現象緊密地聯絡起來．打破了大學物理教學枯燥、無趣的教學模式，透過引導學生仔細觀察並積極思考，加上適當的講解，使學生更加容易地理解物理概念，清楚地掌握物理規律，而且達到了事半功倍的效果．經過多年實踐教學和反思，總結出了演示實驗的優勢：
2.1增強理論說服力，提高課堂教學效率
大多數的大學物理教學模式基本上是以教師的.推導為主，這樣的教學方式費時費力，反而達不到很好的效果．透過演示實驗可以豐富教師的“教學法”，提升課堂的“表現力”．物理演示實驗不僅可以把抽象的理論轉化為具體的實物展現，把深奧的知識轉化為簡單的實驗現象，也可以使模糊的知識變得清晰有條理，枯燥的內容變得生動．物理演示實驗就是把學生在日常生活中看到的和聽到的，運用實驗手段再現，引導學生透過現象看本質，由感性上升到理性高度，從而提升課堂效果．
2.2提高學生的學習積極性，加深對概念與規律的理解
理論教學大多是用枯燥的公式來推導物理定理及其應用，而且用到非常繁瑣的數學知識，容易讓學生排斥而且感到厭煩，很難喜歡上物理[3-4]．如果將有趣的演示實驗引入課堂，或者課堂上穿插對應物理知識的影像，不僅可以調動學生的學習主動性，同時也建立了直觀的物理影象，形成感性認識．如在角動量及角動量守恆定律的學習中，學生如果在高中沒有學過角動量，則不容易理解單純推導公式得出的結論，甚至想象不出對應的生活例項．為此，在講授角動量守恆的內容時，可以藉助“如可夫斯基轉椅”，讓學生親身經歷，直觀體會．實驗時，先讓學生坐在“如可夫斯基轉椅”上，雙手握緊啞鈴兩臂平伸，利用外力使轉椅轉動起來；然後讓學生收縮雙臂，看到人和轉椅的旋轉速度明顯增大；再讓學生握緊啞鈴兩臂平伸，看到轉速明顯降低．此時，可以向學生解釋這一現象，即當人伸縮兩臂的時候，相對中心轉軸的轉動慣量會產生變化，角速度自然也會跟著變化，這就是角動量守恆．透過直觀的實驗現象，可以讓學生加深對角動量守恆的理解與知識的掌握．
2.3提供一個良好的環境，培養學生的創新精神
由於大學物理是專業基礎課，不能引起學生的足夠重視．如果能把大學物理與專業聯絡起來，結合各專業的特點開展演示實驗，就能使學生對演示實驗興趣濃厚，更好地培養學生的綜合能力．演示實驗培養了學生集中注意力與積極思考的能力，同時教師也要適當放手讓學生操作儀器裝置，親自參與到演示實驗中，培養學生的動手能力．嘗試讓學生自己設計演示實驗[5]，不斷培養學生的創新精神．
2.4緊密聯絡科學前沿，拉近學生與前沿科技的距離
近代科學技術的飛速發展，隨之出現了很多新的理論和新的技術．演示實驗不僅是由一些可以簡單的基本實驗、可重複驗證的綜合性實驗組成的，也可以包含一些複雜的設計性實驗等[6]．當然還可以在課堂條件允許的情況下引進一些前沿的、高階的技術，如超導磁懸浮現象、GPS定位演示、鐳射筆演示的利薩如圖形等．這些演示實驗的設計非常巧妙，科技感十足，讓高科技與生產、生活的緊密聯絡，促進了物理學的發展．同時還可以打破高科技生物神秘感，縮短學生與科技前沿的距離，讓學生從高起點進入大學物理的殿堂，逐步走向科學的巔峰．
3演示實驗教學方法的實踐
3.1教師層面
教師應充分準備演示實驗，最大限度地調動學生學習物理的積極性[7]．演示實驗是課堂教學的重要內容之一，為了演示實驗的順暢進行，教師不僅理論上要透徹分析實驗，而且課前要實際操作，熟悉實驗的過程和步驟．3.1.1明確演示實驗的目的性要明確每個演示實驗對應的理論知識，在演示實驗中需要得到哪些實驗現象，尤其是重點演示學生不易覺察的現象，適當提醒，讓學生更加深刻地理解概念和規律．3.1.2演示實驗要現象明顯操作簡單由於學生是否能觀察到實驗現象都是建立在教師演示基礎上的，所以演示實驗操作起來要簡單，容易觀察到實驗現象，如果能夠和實際應用有所結合則更好．3.1.3演示實驗要具有啟發性雖然實驗是物理的基礎，但是演示實驗不能是簡單的重複，演示實驗要與理論相結合，緊扣科技發展前沿，才能使學生對物理越來越感興趣．這樣才能更好地啟發學生去思考而且有廣闊的想象空間，培養學生善於觀察，主動思考的習慣，提升學生的能力，從而達到啟發式教學的目的．3.1.4適當的講解與提引由於學生沒有必要的知識儲備，導致學生缺乏觀察的目的性和準確性，很難撲捉到實驗的本質現象，就容易產生實驗過程中觀察不仔細，不知道該觀察什麼，難以達到理想的效果．所以，演示實驗時教師要進行適當的講解與提引．
3.2學生層面
學生也要充分運用演示實驗更好地學習，在演示實驗中適當增加參與度．教師在操作實驗裝置的同時又要不斷地講解，引導學生觀察，儘量顧及到每個學生的情況．在傳統教室裡尤其是大的階梯教室裡，對於一些現象不是十分明顯的實驗，學生本身就不容易觀察到，後排的學生更是無法觀察到．這就在一定程度上限制了演示實驗的作用，直接影響教學效果．因此，在條件允許的前提下，學生積極主動申請參與到實驗操作，親自動手．這樣不僅可以提升學生實際操作的動手能力，開闊視野，提升學生的主動性與積極性，還可以使沒有親自參與操作的學生透過多次重複看到現象，豐富想象力，培養分析問題和解決問題的能力．
3.3教學方式方法方面
在教學中要不斷最佳化演示實驗的構成，合理運用多種手段演示實驗，實施開放的模式展示實驗．演示實驗可以兼顧點與面，不僅可以在理工科的大學物理課堂上配合理論教學，活躍學術氛圍，也可以在文科專業的選修課上展示，使文科生擴充套件知識面，提高科學素質．另外，在現代教育技術大融合的背景下，可以實現各種教學方法與教學手段的互補．較為複雜的物理實驗，如微觀的、極快的實驗，難以在課堂演示的，可以藉助教學資源（包括影片、動畫和影視片段等）來實現．這些資源來源於實物演示基礎之上，形象而且逼真，突破了時間與空間的束縛[8]，使學生對知識的理解更加透徹，掌握更加牢固．
4演示實驗教學中現存的問題
4.1教師對演示實驗教學重視不足
知識爆炸的時代，知識更新速度不斷加快，加之高中物理課程實行新課改和高校的連年擴招，大學物理作為公共基礎課，知識量的不斷增加與課時不斷被壓縮的矛盾日趨尖銳，只能透過取消或減少部分演示實驗來完成教學計劃．另外，隨著演示實驗儀器越來越精密，演示儀器的搬運、除錯也越來越困難，使得演示實驗教學更加費時費力[9]，教師的付出與課堂效果不成比例．所以教師教學的重點與核心還是放在理論教學上，演示實驗處於可有可無的狀態．
4.2學生參與積極性不夠高
演示實驗最終還是要回歸學生本身，現在使用的大多數儀器裝置都是數字化和整合化的，操作比較簡單，現象直觀明瞭，而且大部分演示實驗帶有很強的趣味性[10]．如果學生長期不能親身參與到實驗中來，學生在實驗中獲得樂趣的減少，挫敗了學生的上進心，達不到演示實驗加深掌握理論知識的效果．同時學生不能實際操作儀器，也不能較直觀地瞭解儀器的構造與原理，無法達到培養創新精神的目的．所以要想實驗有很好的效果，必須讓學生自己親自參與進來．
4.3實驗器材不能滿足教學實際的需要
演示實驗的設定與實驗器材的採購必須緊扣教學大綱，為理論教學提供保障．近年來許多高校面臨本科教育評估，大都採購了一系列的物理實驗儀器，但是許多高校注重了數量而忽略了質量，追求儀器的高科技與趣味性，而忽略了器材的實用性，導致實驗器材與教學實際需要相脫節[11]．
5結語
大學物理教學不再單純是理論教學，演示實驗在課堂中發揮越來越重要的作用，所以必須加強和發展演示實驗，使之與理論教學有機結合．演示實驗不僅可以促使教師教學工作與科研工作相結合，而且提高業務水平的同時也使課堂達到了理想的教學效果，提升學生學習物理的積極性．不僅增強了學生的動手能力，也帶動學生綜合能力的培養，為學生將來從事科研工作打下基礎，成長為創新型人才．當然演示實驗在現代物理課堂上還存在一些不足，這就需要教師在教學中不斷改進與學生的配合，以及在實驗器材研製方面下功夫，使演示實驗真正成為大學物理課堂教學中教師授課的利器，成為學生開啟科學之門的一把鑰匙．