大学物理演示实验工作的新思路、新进展

陈 征 王玉凤 赵红娥 赵 雁 薛菊梅

（北京交通大学理学院，北京 100044）

1 不断更新改造、实现动态发展，保持物理演示实验室的先进性

1）开发和引进新实验项目，丰富实验教学知识内涵

科学技术在不断发展，工科物理的教学目标和教学内容，按照新的《教学基本要求》，也有了很大的变化.相应地，物理演示实验室也需要不断更新升级.2006年以来，我校物理演示实验室又自主开发了大型玻璃杯共振、大型蛇形摆、特斯拉放电、脚踏发电、太阳能发电实用系统、几何光学光路演示、加速器模拟、多普勒效应演示、立体摄像与播放系统、超导系列、热机系列等20余项新实验.与此同时，又引进了微光夜视、红外热成像、X射线衍射、扫瞄隧道显微镜、能量穿梭机、流体流线演示等10余项新设备.上述实验项目的知识内涵更加广泛、深入，演示效果极具震撼力.其陆续投入使用，使教学内容更加丰富多彩，得到了学生、教师和同行的高度认同.

2）继续开发导学软件并改版升级，支持学生自主学习

由于物理演示实验计算机导学系统的内容丰富、视频多、图像多，便于学生自主学习.该软件一期完成并投入使用后，受到了学生的极大欢迎，8台触摸屏计算机前，从早到晚几乎学生不断，每年浏览人次超过两万.2006年以来，我们又继续开发了该导学软件二期，不仅大大丰富了原有6个栏目的内容，而且新增了“科学探索”栏目，信息量是一期的两倍多.由于在2000年初开发的一期软件是网页版，不便于修改和增减内容，且有些细目程序运行也不通畅；软件二期完成以后，我们将其全部改成数据库版，可以方便地对内容进行修改和增减，重新编程，使所有细目不通畅的问题也一并得到解决.与此同时，对页面也重新进行了设计，更加靓丽并方便使用.改版后的导学系统投入使用3年来，为学生自主学习提供了更加丰富的资源，受到学生的欢迎，触摸屏计算机由8台增加到12台，还不能满足需要.

3）升级改造实验室环境，营造育人科学氛围

实验室是育人的重要场所，我们认为：育人的效果不仅仅局限在实验项目的内容上，科学氛围的营造也会对育人起着潜移默化的作用.随着学校对实验室经费投入的增加，2007年、2012年先后两次对实验室环境进行了升级改造.现在一走进物理演示与探索实验室，就会看到墙上多种光栅立体图：神舟九号对接、蛟龙号潜水、长征火箭发射、和谐号列车等.大厅的地面有大型窥视无穷、微晶阵列立体图案；仰首可看到“空间的尺度”和“时间的长河”系列灯箱图片；走廊有“揭秘自然，造福人类的物理学规律”组图、“视错觉”“红绿立体”系列灯箱图片；还有自行设计的12台壁挂式触摸屏计算机导学系统和动态综合展示窗；门厅正中安装了大型多点触摸屏，供学生自主翻阅各种教学资源；加上大厅迎面的大型物理学群英照（2007年索尔维会议历史照片），所有这些互相衬托，使实验室的面貌焕然一新.学生一走进实验室，就犹如走进科学的殿堂，他们会静下心来，仔细地看、好奇地问、认真地学；他们会恍然大悟：“原来物理学是如此地丰富多彩，物理学是如此地为人类造福！”，同实验内容本身一样起到育人的效果.

2 开发随堂演示，集锦视频插播，支持大学物理课堂教学

1）开发60多项随堂演示仪器并用于大学物理教学

物理演示实验从历史上说一直是随堂的，讲什么演示什么.但是，由于大学招生规模的扩大、课堂容量越来越大、上课教室分散等因素，随堂演示越来越少，以至于完全消失.为克服上述困难，我校在工科物理教学基地建设时，建设了物理演示与探索实验室并面向全校学生开课.当初的想法只是学生在课堂上看不到的物理现象，课后到实验室可以看到，作为一种弥补.经过多年的建设和实践，演示实验室的教学取得了出乎意料的好效果.学生们说：“在实验室看到如此美妙的现象，内心既惊奇，又有一种想刨根问底的欲望，引发了我的兴趣以及对自然界的无限思考……”“许多现象过去一直是从书本上看到的，在这个实验室里我们都参与进来了，不仅更加明白了现象背后的道理，而且许多巧妙的实验构思也令我惊叹不已……”甚至有的学生说“早知道物理学是这样的丰富多彩、震撼人心，我就学物理了……”，尽管如此，我们认识到：实验室再好也不能替代随堂演示！实验室演示和随堂演示各有特点、各具优势，两者应该是相辅相成的关系.

实验室演示实验的特点和优势是：（1）大型的、不能进课堂的，如：大型法拉第笼、大型静电高压球、特斯拉放电、大型玻璃杯共振、热成像、微光夜视等.这样的大型演示实验不仅密切结合教学内容，有助于学生对相应物理概念的理解，而且对学生产生了终生难忘的强烈震撼.（2）开拓知识视野的，如：光纤通信、激光全息系列、动态立体成像系列、超导系列、记忆合金系列等.这些内容虽然不是大学物理教学的主体内容，但是它在现代科技中有着广泛的应用，学生应该有所了解.多年的教学实践表明，学生丝毫没有因为这些内容不考试而不感兴趣，由于演示生动有趣，讲解联系实际，学生感到大开眼界，非常喜欢.（3）有探索意义的，如：蛇摆、视觉暂留、扫描成像、旋转磁场系列、静电系列等.这些内容极易引起学生的疑问和好奇，这正是引导学生探究的切入点.（4）趣味物理展示，如：辉光球、放电盘、智能旋转灯、窥视无穷、超声雾化等.这些内容多属生活中的物理，学生可以用所学物理知识解释周围的物理现象，让学生感受到生活中到处都有物理.（5）在实验室，学生可以自己动手操作、观察现象、探究问题，提高学生的实践能力和探索热情.

随堂演示实验的特点和优势是：讲什么演什么，内容针对性强、操作简单、时效性好.至今，我们已经研发了包括力学系列、静电系列、电磁系列、振动波动系列、热学、光学系列、近代物理等60多项随堂演示实验仪器并投入使用，极大地活跃了课堂气氛、提高了学生的学习兴趣、取得了很好的教学效果.常常是仪器车一推到教室，学生就兴奋，教师表演时学生那种专注，真的让人感觉到什么叫无可替代.略有遗憾的是：实验项目数还不够多，有些项目效果还不够理想，这也正是我们今后需要努力的方向.

2）剪辑并拍摄300多段随堂视频插播片并用于大学物理教学.

我们知道，并不是所有的物理现象都可以用演示实验来表现的，所以计算机仿真和视频插播片的使用也是必不可少的.在计算机仿真方面，目前我们基本上是利用别人开发的现成软件.在随堂视频插播片方面，尽量采用实景录像，所以剪辑的比较多.比如力学中介绍潮汐的形成时，播放钱塘江大潮的汹涌澎拜；讲到动量守恒时，播放火箭发射的壮观场景；讲到刚体进动时，播放枪膛、炮膛里的来复线，枪弹炮弹飞出弹膛的进动情况；讲到尖端放电时，播放避雷针避雷带的避雷实景；讲到静电应用时播放静电复印、静电喷漆、静电植绒等应用实景；讲到等电位原理时，播放工人在高压线上不断电维修的触目惊心的实景，真是无比震撼！目前剪辑并使用得比较好的有200多段.

此外，我们还把演示实验室中与课堂教学密切相关的内容和全部随堂演示实验拍成了视频插播短片，总计100多段，供教师选用.

随着随堂演示实验和随堂视频插播片的内容逐步丰富，效果越来越好，教师的使用热情也越来越高.其效果反映在学生评教的打分在不断提高，凡是随堂演示用得比较好，视频插播用得比较多的老师，大体上都在自己原来的基础上提高3到5分.

近几年来，国内高校演示实验室建设和随堂演示的发展逐步进入了理性化和有序建设的阶段.仅就近3年不完全统计，到我校参观取经的学校就有百余所，请我校协助设计、建设演示实验室的学校有30余所，从我校购买随堂演示仪器的学校有50余所，且已经带动近20所重点中学的实验室建设.总之，物理演示实验工作受重视程度之高、发展之迅速，真是超乎想象！我们相信，随着教育经费投入的不断增加，随着对物理演示实验重要性的认识不断提高，今后演示实验工作必将发展得更快，更好！