材料物理课堂教学中演示实验的设计及制作

甄玉花,薛庆忠,张立红

(中国石油大学(华东) 理学院,山东 青岛 266580)

实验课程改革

材料物理课堂教学中演示实验的设计及制作

甄玉花,薛庆忠,张立红

(中国石油大学(华东) 理学院,山东 青岛 266580)

针对目前理工科专业课的理论教学与实践认知易脱离的现状,提出可通过引入课堂演示实验,促进传统理论知识与实践应用的结合。以“材料物理”专业课为例,系统阐述了如何根据不同的教学要求来挑选适合课堂演示的实验,如何利用平时的积累、现有资源、科研成果以及学生的自主创新来设计和制作演示实验,如何将演示实验有效地“揉进”理论课教学。通过2个学年的教学实践发现,引入课堂演示实验后,专业课的教学效果得到了很大提升。

课堂教学;演示实验;材料物理;设计与制作

材料物理是介于物理学与材料学之间的一门边缘学科,主要研究物质的微观结构、组织形式、运动状态、物理性能、化学成分以及他们之间相互关系[1]。目前大学理工科教学中,教师对理论课知识的讲授以“填鸭式”灌输为主,学生学习知识也多半是被动式接受[2-3]。根据美国教育家爱德加·戴尔(Edger Dale)提出的“经验之塔”(cone of experience)教育理论,如果学习是由“直接经验”(亲身实践)到“间接经验”(书本或别人转述),由具体到抽象,那么获得知识和技能就比较容易[4]。演示实验是提高理工科基础课教学效果的一种好方法,它是创造理想实验情境、激发学生学习兴趣的最有效手段[5-7]。演示实验主要通过鲜明、直观、新奇、刺激等实验现象的变化,为学生提供理论学习中的“直接经验”,即感性知识,从而引导学生观察、思考与探索[8-10]。但是,在目前的高校教学中,除了传统的理科基础课,如“大学物理”、“大学化学”,大部分理工科专业都只有专业实验课,很少开设与专业课相对应的演示实验课。随着教学改革的深入,交叉学科的专业课因为实践性强,课堂教学内容要求更丰富、更贴近生活实践,这不仅需要在专业理论课之外开设相关专业实验课和演示实验课,更要在课堂教学中“加点料”,引入更直观感性的“直接经验”,也即演示实验,来加深学生对疑难问题的理解。

1 专业课演示实验的挑选

以“材料物理”专业课为例,其课程内容既有抽象的物理机制，又有先进的新材料以及高技术的发展,针对这些课程特色挑选适合的演示实验,是提高学生感性认识、获得“直接经验”知识的关键。根据学科特色并结合教学实践,演示实验的挑选要尽量达到以下教学效果:

(1) 将抽象问题形象化。“材料物理”课程内容包括金属物理、半导体物理、电介质物理、高分子物理等模块,每个章节都有难点和抽象问题,可以把难懂的物理特性及其原理,通过易观察的实验展示给学生,以启发学生心智[11]。如超导的迈斯纳效应,物理定义很简单,但超导体为何具有迈斯纳效应,其表观形式是怎样的,学生都很难想象,此时可以设立一组超导磁悬浮的演示实验，将课程的难点问题直观再现,将抽象问题形象化,强化“直接经验”的作用。

(2) 培养学生创新思维。材料物理本身在不断发展中,高科技突飞猛进的发展也使得新材料、新物理现象层出不穷。可以将这些新事物以演示实验的形式形象、直观地展示给学生,使学生感受到本学科的魅力,提高学生的科学素养和创新思维。如接触电势这部分知识涉及到金属、半导体的势垒、表面电势,内容很抽象,也比较难理解,但可以将接触电势的应用——TiO2光分解水的实验过程及结果演示给学生,并扩展至新型湿式太阳能电池的应用。将这些看似神秘的科学前沿通过直观实验现象表现出来,让学生印象更为深刻。

(3) 激发学生学习兴趣。兴趣是学习最好的动力,通过2年的教学实践以及总结学生的调查问卷,发现学生感兴趣的内容多为听说过、看得见却不甚清楚其工作原理的一些与物理有关的新器件或者新材料,如碳纳米管、激光器、太阳能电池等,因此,可以根据学生的兴趣,结合课程的具体内容,适当增加一些日常应用的新器件,如多孔吸附的碳材料(取自家用净水机)、激光笔演示其穿透性、纳米板擦等。这些与生活实践紧密集合的新器件或新材料的引入,可有效提高学生的学习兴趣和效率。

2 专业课演示实验的设计与制作

针对“材料物理”这门专业基础课,根据上述原则挑选出演示实验后,在教学实践中主要通过以下渠道完成演示实验的设计与制作。

2.1 直接取材于生活

针对材料物理中一些较为抽象的概念或特性,用具体的器件直观地演示出来。这些器件一方面可以直接取材于日常用品,如表1中所列,演示尺寸效应的纳米板擦和荧光效应的指路标志等,另一方面,还可以通过拆解一些废旧小仪器来做演示实验,如学习二极管、三极管的原理和特性时,可将旧的半导体收音机拆解,就能看到大量二极管、三极管的应用。这种通过生活用品直接来做演示实验的方法,不仅取材便宜,更重要的是这些小器件与学生生活紧密相关,更具说服力,演示效果更好。

表1 材料物理课堂演示实验的设计与制作目录

2.2 自制简易器件

通过自制一些简单、便于操作的小型器件来做课堂演示实验,不仅可以降低演示实验的成本[12],更重要的是让学生意识到材料物理相关器件的设计和制作并不复杂,只要勤于动脑,善于观察,自己也完全能够做到。如表1所示,演示PN结的整流效应时,可将一个小型二极管灯泡两端与直流电源相连,通过切换线路的正负极,就能看到直观的二极管的正向导通(灯亮)和反向截止(灯不亮)特性。还可以自制其他小器件,如通过热敏元件制作简易温度计来演示热敏效应、通过湿度元件在不同湿度环境下所显示出来的电阻不同可演示气敏机理等。

2.3 充分利用其他实验室平台资源

学校配备省级大学物理演示实验室,实验室资源丰富,有一部分演示实验跟“材料物理”课程内容紧密相关,可以直接搬进课堂。如表1所示,有演示光传播的光纤花束、演示迈斯纳效应的超导磁悬浮列车等。另外,可借助材料物理专业实验室的一些源器件或设备,来演示材料的物理性能,如利用光谱仪来演示离子晶体的红外吸收特性等。还可对实验室淘汰的仪器进行改造,有些淘汰的仪器,并不等于它的所有功能都丧失,如果经过改造,开发新的用途,也会产生意想不到的收获。例如实验室淘汰了一套太阳能光伏特性的实验装置,主要是因为模拟自然光的聚焦系统不能达到实验要求,但我们通过拆解找到里面光电转换用的核心器件——半导体硅片,再通过电路板连接小功率的二极管灯泡,设计制作成一光伏组件,在太阳光或模拟光源照射下展示硅材料的光生伏特效应。

2.4 将科研成果有效融入到教学中

在设计课堂演示实验时,可引入前沿科技中的新材料或者本专业教师的科研成果,使教学与科研有效结合。将本专业教师的科研成果合理转化,既可以提升学生的科学素养,也可以提高学生对专业的认同感。材料物理是山东省省级特色专业,开设有“新能源材料”与“材料腐蚀与防护”2个特色方向,其中新能源材料方向的专业成果与“材料物理”课程内容能够有效结合。例如利用专业教师研制的n型和p型热电材料,通过不同阵列连接制备成温差发电器件,放置于温差不同的水源中,通过精细的电流表就能观察出温差发电,反之,还可以利用这些材料根据赛贝克效应的逆效应制备半导体制冷器件。

2.5 通过创新项目鼓励学生制作小型器件

根据课程内容和学生的兴趣,利用学校提供的大学生创新项目的支持,拟定演示实验开发方向,让学生通过调研,自己动手制作器件或演示实验。这既可提高学生的创新和动手能力,又能激发学生学习的热情和参与积极性。如表1中所示,鼓励学生通过放大普通闹钟的机械嘀嗒声来演示压电效应,并制作扩音器。压电陶瓷片来自于专业教师的科研成果,借用常见的闹钟玻璃罩的微小振动,使粘在玻璃罩外侧的压电陶瓷片产生电信号,这个电信号经过放大就能在整个教室听到闹钟的嘀嗒声。

3 专业课演示实验的教学实践

演示实验是深受学生喜欢的一种实验形式,通过演示实验可以将丰富的物理内涵清晰地展现出来,为学生的创新思维提供感官刺激。根据专业课内容而设计制作的演示实验,按照实验原理和特性分为“探究性实验”和“验证性实验”。在展示实验时,根据演示实验的不同性质采用了2种不同的教学方法:对于验证性实验,如上述表1中列出的光电效应、光纤传播、超导的迈斯纳效应等,一般采取“先启发、后演示”的方法,先讲解实验中所包含的专业理论,目的是让学生能用专业知识解释清楚具体的实验现象;而对于探究性实验,如表1中列出的演示光生伏特的太阳能风车、演示压电效应的扩音器、演示整流效应的二极管灯泡等,要采取“先演示、后启发”的方法,注重实验现象和细节的描述,引导学生将实验现象与所学理论知识结合起来。不管是哪一种教学方法,都鼓励学生通过演示实验提出更多的专业知识问题,提高学生的理论创新能力。另外,课堂演示实验的展示更要注重联系实际应用,在讲解完实验现象后,通过举例使这些实验事实与生活实际相结合,激发学生的“头脑风暴”,让课堂更加生动有活力。

4 成效与结论

“材料物理”课程教学中,演示实验的引入极大地调动了学生学习专业课的积极性,通过期末调查问卷可以看到,学生对课堂演示实验环节非常认可,认为是“专业课学习中最令人难以忘却的一幕”。经过引入专业课课堂演示实验后2个学年的教学实践,学生给出的教学效果评价上升至专业第一。演示实验因为设计精巧,多半不占用大量时间,完全可以在规定的时间内完成教学任务,而且挑选设计的演示实验多数都跟实际应用密切相关,属于认知学习中的“直接经验”获得,不仅激发学生最原始的求知欲,提高了学生的科学素养,还有效促进了理论知识与实践应用的紧密结合。

References)

[1] 王国梅,万发荣.材料物理[M].武汉:武汉理工大学出版社,2004:1.

[2] 曹剑辉.实验教学与大学生文化素质教育刍论[J].实验技术与管理,2010,27(2):116-118.

[3] 齐雪林.浅析基于探究式学习的大学课堂教学[J].高等理科教育,2011(1):93-97.

[4] Edgar Dale.Audio-visual methods in teaching[M].Dryden Press,1954:4-36.

[5] 尹晓燕.物理演示实验的基本方法及在实验设计中的应用研究[D].济南:山东师范大学,2011.

[6] 姜成果.物理教学中演示实验的作用[J].大学物理实验,2006,19(3):111-114.

[7] 汤守平,谢玉荣.利用实验创设有效的教学情境[J].物理实验,2010,29(7):25-28.

[8] 邓柏昌,屈晔,刘伟峰.科学研究和大学物理演示实验融合的探讨[J].实验技术与管理,2012,29(7):167-169.

[9] 刘金梅,王世涛.大学物理演示实验探究教育功能的实践[J].实验科学与技术,2008,6(1):101-103.

[10] 梁秀萍,李叶芳.素质教育从这里开始:物理演示实验[J].大学物理实验,2002,15(2):82-84.

[11] 李海宝,刘炳胜,金永君.新形势下大学物理演示实验的利用[J].实验室研究与探索,2009,28(4):109-111.

[12] 阿卜杜勒·哈迪,邵殿春,王文培.低成本物理演示实验[J].物理实验,2010,21(5):29-31.

Design and practice of classroom demonstration experiment in teaching of Materials Physics

ZhenYuhua,Xue Qingzhong,Zhang Lihong

(Department of Science,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580, China)

At present,the detachment between the theory and practice of cognitive usually exists in science and engineering courses teaching.Through the introduction of the classroom demonstration experiment,the combination of the traditional theoretical knowledge and practical application would be promoted. This paper,taking “Material Physics” as an example,expounds how to select the suitable classroom demonstration experiment according to different teaching effect,how to design and fabricate the demonstration experiment by using the living resource,other experiment platform,achievements in scientific research as well as students’ innovation,and finally how to effectively rub the demonstration experiment into the theoretical teaching at classroom. Through two years’ teaching practice,the teaching effect has been greatly improved after introducing demonstration experiment into classroom.

classroom teaching;demonstration experiment;material physics;design and fabrication

2014- 05- 12 修改日期：2014- 10- 16

中国石油大学(华东)校级重点教研项目(JY-A201204);中国石油大学(华东)青年教师教研项目(QN201329)

甄玉花(1979—),女,山东泰安，博士,副教授,硕士生导师,研究方向为材料物理课程体系构建及发展.

E-mail：zhenyh@upc.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2015)1- 0202- 03