在大学物理演示实验教学改革中培养学生的创新思维能力＊

金 桂 黄小益 姚 敏 蒋纯志 邓海明 陈亚琦

（湘南学院物理与电子信息工程系 湖南 郴州 423000）

1 国内外大学物理演示实验教学现状分析

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020年）》指出“我们要创新人才培养模式，注重学思结合.激发学生的好奇心，培养学生的兴趣爱好，营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境”.著名物理学家杨振宁教授在谈到人才培养的问题时说：“要增加中国的社会生产力，需要的是很多会动手的人……我接触到很多第一流的物理学家，他们很会动脑筋，很会做实验，却不善于应付各种考试.”这说明我们不但要重视学生的演算能力，更应重视学生的思考能力和动手能力.因此，如何利用好大学物理演示实验这个教学平台培养学生的创造性思维是一个值得研究的问题.

国外大学对物理演示实验教学非常重视，如美国加利弗尼亚州立大学伯克利分校的物理演示实验网站、北加利弗尼亚州立大学的物理演示实验网站以及马里兰大学的物理演示实验网站都对物理演示实验进行了详尽的介绍.三个演示实验网站上提供的演示实验不仅数量多，而且每个实验都给出了照片、操作步骤和注意事项、所需装备，甚至在哪个教室进行教学都有说明［1］.演示内容的选取也很广泛，注意将高新技术转化为教学内容，但在实验的设计上并不靠复杂取胜.很多演示非常简单，仪器结构简单，现象明显，演示的原理或概念能很轻易地被学生感知、理解.如北加利弗尼亚大学的力学演示实验中，质量标准演示两个分别为1kg和1磅的黄铜棒，长度的标准演示为米尺，以几根自制的棒子演示矢量的加减，一张美钞测反应时间，这也说明了他们的教学理念，能够让学生看到的就一定要让他们亲自去感受和体验，用最简单的东西去展示最基本的原理和概念［2］.德国物理演示实验有着深厚的群众基础，从博物馆到走廊实验，从经典的演示实验到现代科技，处处渗透着创造性的物理演示实验.华东师范大学物理系宣桂鑫教授，复旦大学物理实验中心沈元华教授等对德国大学的演示实验进行了考察，他们发现德国干脆将“普通物理”称为“实验物理”，在基础物理教材中编入大量的演示实验，对现象的描述非常详尽.德国物理界流传着这样的说法：没有演示实验的一堂课是不可想象的.对演示实验的重视由此可见一斑［3］.

我国的大学物理演示实验处于一个比较尴尬的地位，大学物理的课时被压缩，分组实验又占据了大量的时间.由于扩招班额都比较大，教室分散，将实验仪器搬进课堂非常麻烦.特别是随着老一代毕生从事物理演示的老教师的退休，年青一代教师又擅长用多媒体课件来演示物理过程，演示实验不再受到青睐.在实验室的建设上，国内重点大学一般投入较多，有教学软件、投影片、走廊演示和趣味物理演示等，各学校能开设实验的个数从100到200不等，地方本科院校则由于经费的原因对演示实验的投入较少、起步较晚，但是近年来随着国家对教育投资的进一步加大，地方本科院校也逐渐认识到物理演示实验的重要性，相继建立起专门的演示实验室，对演示实验的教学研究也逐步展开［4，5］.由此可见，针对地方本科院校的实际情况，如何在现有的基础上开发大学物理演示实验的教学是值得研究的问题.

2 大学物理演示实验的分类

2.1 演示物理现象

这一类是大学物理演示实验中最广泛的，通过简单明了的实验现象吸引学生的注意，锻炼学生的观察能力，激发学生的探索热情.例如低压放电实验，空气在低压的时候容易被击穿，产生放电现象.通过一个机械泵将真空管中的空气抽成稀薄空气，然后在真空管两端加压，电压加到一定程度时就可以看到真空管中的辉光放电，通过这个实验可以促使学生了解分子的电离、碰撞和分子平均自由程的相关知识.

2.2 演示物理概念

物理学中的很多概念比较抽象，有些是人们为了方便描述假想出来的，如电场线和磁感线，我们可以通过演示实验很形象地将其展现出来.如对电场线的演示，准备一个玻璃槽，用两个球形电极代表两个点电荷置于槽底，槽内装满混有发屑的蓖麻油，给电极加上电压之后，用绝缘棒适当搅拌混合物，可以发现发屑的排列有规则，与两个点电荷之间电场线极为相似，再将图像用投影仪投射到屏幕上就可以将电场线这个极为抽象的物理概念形象而具体地表示出来.

2.3 演示物理规律

有些物理规律比较复杂，通过直观的演示实验和学生的观察、思考可以更加透彻的理解，如晶体的双折射现象.准备方解石晶体一块，氦氖激光器和接收屏各一个，将激光束射入晶体，可以在接收屏上观察到两个光斑，以激光束为轴旋转方解石可以发现一个光斑不动，而另一个光斑随之转动.通过生动的物理实验现象和教师适当的板图讲解，就可以帮助学生理解双折射现象在晶体内部的成因.

3 大学物理演示实验的教学创新

3.1 教学方式的创新

在以往的教学中，演示实验的教学有课堂演示和实验室集中演示两种方式.实验室集中演示，由于在短时间内展示大量的实验，主要有以下弊端：单个实验的展示时间不长，学生的观察浮于表面，没有深入思考实验现象的物理本质；学生没有参与操作而使得许多实验细节不被关注，而许多实验细节往往最能反映该实验的物理本质；交流讨论的缺乏，真理越辩越明，交流和讨论不但知道自己懂什么，而且能发现自己不懂什么.针对以上的弊端，我们在教学中采取了一些措施加以改进.

（1）激励学生预习

如果第二堂课有演示实验，可以将演示实验的内容分解成几个问题，将这些问题在第一堂课下课之前布置给学生.学生可以通过阅读教科书或者是通过网络获得答案，对于不能解决的问题自然会带到课堂来寻求教师的帮助.对于预习的环节笔者一般是采取抽查提问的形式来检验，将成绩计入到考核成绩.

（2）鼓励学生操作

对于某些危险性、技术性要求不高的实验一定要鼓励学生自己操作，如纵波的演示、完全弹性碰撞等.对复杂的实验笔者将实验的操作步骤分解成若干步，让学生在关键的环节自己操作，观察和思考实验中发生的物理现象.对于某些简单的实验则鼓励学生操作和思考：如带静电的玻璃棒使轻质的易拉罐滚动，可以通过比赛的形式让学生如何使其滚动得比较快，引导学生讨论里面涉及到的力学、电学知识.

（3）激发学生讨论

讨论的过程是将学生获得的实验现象和知识明晰化的过程，在每个演示实验完成之后都要引导学生对存在争议的问题进行讨论.比如“电磁炮”实验，很多学生想不明白“子弹”是怎么样获得动量飞出去的.我们是让学生仔细观察“炮管”和“子弹”的结构，特别是尾端的线圈，然后让学生自己操作实验，分析讨论线圈和子弹中产生的感应电流和感应磁场，并分析排斥力产生的原因.讨论不但可以帮助学生认识实验现象的物理本质，也有助于发现和提出新的问题.

（4）培育创新思维

新时代的大学物理演示实验应是联系书本理论知识与学生科研创新的纽带，是与理论教学和大学物理分组实验平行的第三极.大学物理演示实验往往面对的是大学低年级学生，在中学应试教育的影响下，要想使学生摆脱“被动”学习的桎梏，则需要教师营造创新的气氛、提供创新的环境.

首先要让学生从整体上把握知识框架，通过演示实验让学生明白获得相似现象的方法并非唯一；

其次应当引导学生捕捉关键实验现象并对其分析判断，合理地选择实验元件和判断实验操作的正确性以理解实验方案的多样性.

因此大学物理演示实验不但能够增加学生的知识量、能够培养学生的分析和解决问题能力，而且能养成学生崇尚科学、敢于创新的精神，通过团队的协作培养学生收集和处理实验数据、合理表达实验结论的语言驾驭能力.

3.2 教学模式的创新

随着教学投入的不断增加，大学物理演示实验室的建设也得到极大的改善，演示实验仪器的配置和实验室的管理都得到规范，如果我们的教学模式和教学理念还是停留在老阶段，仅仅依赖于课堂演示和集中演示，这样必然导致教学效果的差强人意［6］.因此我们针对本校学生的实际情况对演示实验的教学模式进行了研究，主要有以下三个方面.

（1）开放式实验教学

开放式实验教学有廊设实验和实验室开放两种形式，清华大学和中南大学都在教学楼设置有走廊演示实验，湖南大学采用橱窗图文介绍和多媒体触摸屏演示的形式向学生开放，北京交通大学则建设了大学物理演示实验网上预约，学生可以通过网上预约到开放实验室进行实验和研究.所有这些有益的尝试都给学生带来了方便，也促进了学生思考问题能力的提高.由于投入方面的原因，笔者所在学校对以上的方式进行了折衷，常规的教学方式还是课堂演示和实验室分组演示.演示实验室的实验员定时将实验室开放，面向所有在校学生，使有兴趣的学生有充分的时间可以观察课堂或者分组演示时没有时间做的实验［7］.

（2）利用演示实验室开展科技创新活动

开放的实验教学可以吸引大量优秀的学生，俗话说，兴趣是最好的老师.演示实验室众多的实验设备给了学生思考和挖掘潜力的平台，也能够培养学生进行初步科学研究的能力.一方面通过开放实验室给学生动手操作的空间，学生可以改进实验装置，或者在对物理过程理解的基础上重新制作实验装置，以此激发学生的学习热情、增强学生的动手能力；另一方面在演示实验室设置一些科研题目供学生选择，学生可以通过小论文的形式或者是小制作的形式交给任课教师或者实验员，题目的完成作为学生平时成绩的一部分.

（3）演示实验网络空间的建设

网络空间的建设在很多学校已经试点开展，并且取得了较好的效果［5］.传统的课堂教学是学生获取知识的主要途径，但是随着网络的普及，我们意识到网络空间可能是学生获取知识的另外一个有效途径.我们通过课程建设为契机，利用现代教育技术将原本只能利用数字电视或者专用计算机输出的大学物理演示实验教学资源上传到自己在世界大学城的主页.学生对于自己所学知识最信任和最愿意咨询的对象往往是自己的老师，因此在教师自己的网络空间中上传与课程相关的文献和视频可以方便学生的查阅和下载.

4 演示实验教学管理的创新

4.1 构建学院系部两级管理演示实验室管理体制

大学物理演示实验室是大学里面使用率最高的实验场地之一，实验仪器正常运行是实验教学效果得到保证的前提条件，因此必须制定完善的实验室运行管理机制［8］.比如可以实施教研室主任负责大学物理演示实验室的教学运行、实验室主任负责演示实验室设备的正常运转，实验室的建设则系部协调分工合作.

4.2 教学团队的组建

大学的魅力在于不仅具有先进的设备和实验室，更在于有知识渊博的教师.优秀的大学教师不但应该系统地掌握本专业领域知识，而且也应该从事本专业前沿科技的研究.中南大学就曾经采取强力的措施鼓励年轻教师从事科学研究，因为只有进行过科学研究的教师才能更深刻体会什么是“创造知识”，才能教会学生怎么样探索创新，而不是单纯的“教书匠”，这一点对大学物理演示实验显得更为重要.一方面应该重视青年教师的培养，通过老教师的“传帮带”使青年教师掌握授课技巧，通过激励手段激发青年教师的钻研热情；第二方面要形成合理的教学梯队，学科的发展壮大离不开成熟的教学科研团队，组建以学科带头人、学术骨干力量和青年骨干教师三个梯队的层次结构，通过制定激励政策来激发各梯队教师的教学科研热情.

5 结束语

大学物理演示实验室的建设是我系实验室建设的一个重要组成部分，因为大学物理演示实验室面向全院接近3 000人左右的理、工、医科学生，甚至还常态化地接纳了本市几所重点中学的中学物理竞赛的学生培训.通过一系列的大学物理演示实验教学和管理改革，既促进了实验室的建设，也促进了教师的成长.首先我们提升了大学物理演示实验的教学水平，学生学习大学物理的兴趣明显增强，进入开放平台实验的学生显著增加；其次，通过大学物理演示实验激发了学生的创新思维、培养学生的初步科研能力，借助开放实验室平台，我们的本科生主持了一系列的省级和校级大学生创新项目.

现代化的教学表明进一步对大学物理演示实验教学进行改革，培育学生的创造性思维是一个值得研究的问题.

1 陈惠敏，石雁祥，张承据.大学物理演示实验教学模式的探讨.大学物理实验，2007（10）：22～25

2 汪文明.大学物理演示实验教学研究.华中师范大学学报，2006

3 汪文明.中美大学物理演示实验教学比较.高等函授学报（自然科学版），2005（19）：9～12

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

5 林晓珑，姜永恒，白炳莲.大学物理演示实验网络教学管理平台构建与实施.大学物理实验，2012，25（1）：120～122

6 周菊林，李蓓，周华林.加强大学物理演示实验 培养工程应用型人才.湖南工业大学学报，2009，23（2）：103～105

7 郭力，石少波.演示实验制作促进动手动脑的大学物理探索式学习的改革尝试.大学物理，2010，29（3）：50～54

8 卢荣德.大学物理数字化演示实验教学平台.实验室的探索与研究，2006（4）：56～57