工科院校物理演示实验体系的实践与探索

靳辰飞， 张思琦， 韩 权， 张伶莉， 王晓鸥， 赵 远

(哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)



工科院校物理演示实验体系的实践与探索

靳辰飞， 张思琦， 韩 权， 张伶莉， 王晓鸥， 赵 远

(哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)

传统的大学物理课堂演示实验主要是以辅助学生掌握物理知识为目的。然而，这种演示实验形式上过于简单直观，无法引起学生的深入思考和探究，而且学生只能被动接受，无法参与到演示实验的设计、制作、演示等环节。论文结合自身特色并且围绕培养学生从知识学习能力向科研创新能力和工程实践能力转变的目标，构建多层次演示实验教学体系并开展了相应的教学方法改革。多年的教学实践表明了这种演示实验体系能够很好地调动学生获取知识的主动性和锻炼思维能力，在培养学生综合素质和科研创新能力方面发挥着重要的作用。

演示实验； 大学物理； 教学方法改革； 工科院校

0 引 言

物理学是实验的科学，这决定了物理演示实验在大学物理的教学中占有十分重要的地位。物理演示实验是指教师在讲授物理知识的过程中为配合教学内容而演示给学生看，在操作的同时引导学生对实验进行观察、思考和分析的一种物理实验教学方式[1]。其目的就是把要研究的物理现象清晰地展示给学生，引导学生观察思考和理解物理规律。近些年，美国大学包括美国哈佛大学，伯克利学院、北加利弗尼亚的州立大学， 以及马里兰大学的物理演示实验网站相当出色[2-4]。这些大学非常重视演示实验教学， 力求通过多种形式包括实物演示、计算机模拟、动态电影、静态挂图展示、音视频等感官刺激达到提高学生的兴趣和注意力的目标。国内的一些高校包括清华大学、北京大学、浙江大学、北方交通大学、电子科技大学等也取得了不错的效果[5-6]。这些大学的演示实验不但涵盖力学、热学、电磁学、光学等全部物理学内容，而且还通过开放性演示实验教学包括走廊演示、趣味演示、网络课堂教学等进一步地提高学生对物理实验的积极参与性和学习兴趣。教育部在2004年颁布的“非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求”中明确指出：大学物理课程的主要内容都应有演示实验(实物演示和多媒体仿真演示)，其中实物演示实验的数目不应少于40个。实物演示实验可以采用多种形式进行，如课堂实物演示、开放演示实验室、演示实验走廊等。传统的课堂演示实验的主要是以辅助学生掌握知识为目的。这种演示实验的内容与大学物理讲授内容直接对应，并且开设的演示项目则为了验证课堂教学的基本思想、原理和结论[7-10]。然而，这种演示实验形式上过于简单直观，无法引起学生的深入思考和探究，而且学生只能被动接受，无法参与到演示实验的设计、制作、演示等环节，难以起到培养学生科研创新和工程实践能力的作用。因此，我们结合学校的工科特色和物理系的学科优势，开展了建立新型大学物理课堂演示实验体系的构想和实践工作，培养学生从知识学习能力向科研创新能力和工程实践能力转变。

1 演示实验平台的项目建设

哈尔滨工业大学是首批进入国家“211工程”和“985工程”一所工科院校。自从上世纪80年代末，哈工大物理系在全国率先创建了“海王演示展示实验中心”(面积约60 m2)，旨在加强实验课教学和加强理论课的演示实验教学工作。哈工大海王演示实验展览室曾经是省级获奖项目，对扩大学生的视野，提高学生对物理的理解和对科学的兴趣极为重要。2006年，学校又对大学物理演示实验室投入120万元对“海王”实验室的硬件和环境进行了改造和建设(面积约180 m2)，成为当时国内高校中最先进的大学物理演示实验展览室之一。近些年，大量的经费投入使得我校演示实验教学平台建设得到了很大的提高。通过不断的教学改革和借鉴国外知名高校的教育理念，我校在物理演示实验体系的项目建设和实践方面取得了较大的进步。2013年，哈工大大学物理演示实验室再次投入上百万元对演示实验平台进行改造和提升。目前，我校的大学物理课堂演示实验是全校大学物理七个系列课程的重要的教学手段，全校有将近4 000名学生受益。已经开设的演示实验项目总计有210个，均涵盖了力学、热学、电磁学、振动与波动、光学、近代物理等全部物理学内容(比例分布见图1)。

图1 演示实验平台的实验分布比例图

我校的实验室平台建设主要在如下三方面进行改造和提升：

(1) 对于电磁学、力学等经典物理学内容，增加演示实验项目的教学套数；对于大学物理而言，力学、电磁学等经典物理理论是学生掌握大学物理知识的基础，也是学生们最先接触到的内容。相应的演示实验项目突出的特点是形象直观、现象明显，而且和教学内容结合紧密，有助于学生对物理概念的理解，提高学生对物理学的兴趣，最适合在课堂上演示。而我校大学物理课程具有授课信息量大、上课班级多、授课时间密集的特点。经常出现多位老师同时需要同一演示实验仪器的现象。为了缓解这一问题，我们大幅度地增加这一部分演示实验的仪器套数。到2014年为止，我们的演示实验平台可为这一部分的单次教学内容提供4套教学仪器，确保每堂教学课有实验项目。

(2) 提高研究探索性物理演示实验的比例。研究探索性物理演示实验的特点是实验现象和所反映的物理内容不是简单的对应。实验现象只是表象，其所反映的物理原理需要更深层次的思考，甚至需要一些定量的分析才能揭示出物理的本质。这类实验以近代实验和现代实验为主，所反映的物理内容可能同时涉及到电子学、光学、材料学、量子物理等诸多学科领域之间的交叉。这类实验如记忆合金水车，首先揭示了能量守恒的基本原理，同时也蕴含着材料学领域的研究前沿。再如通过定量的测量和计算来揭示量子规律的弗兰克-赫兹实验，还有利用宏观现象反映微观行为的电子衍射仪等等。通过这样的实验，培养学生的探索精神和科研思维，帮助学生实现从单纯的知识学习向创新研究的转变。

(3) 利用光学学科优势，增加自制光学演示实验。哈工大是一所以“工程师的摇篮”而著称的工科院校，对学生工程实践能力的培养也是学校培养计划的重点目标。而物理系的光学学科在历次的学科评估中均被评为是国家重点学科。在光学学科下，凝聚了一大批国内外优秀的光学领域的专家学者，多数老师都承担着基础研究和应用研究方面的课题项目。借助着这种学科优势，我们在大学物理演示实验平台的建设中吸纳了很多老师的研究成果。实验室提供一定的经费，由老师带学生将研究成果转化为自制演示实验设备。这些实验即强调前沿性，如压缩传感、光通讯及干涉测量等，也注重应用性，如激光扫描成像、3D裸眼视觉、激光窃听等。学生在参与制作的过程中，可以很好地提高工程实践能力。

2 物理演示实验体系的教学实践

对于传统大学物理教学而言，演示实验以课堂教学为主，以辅助学生对知识的理解为目的，这种模式依然是一种单向式教学，而且也忽视了其对学生科研创新能力和工程实践能力的培养。教育部提倡国内高校应建立开放性的物理演示实验室，鼓励和引导学生自己动手观察实验，思考和分析问题，进行定性或半定量验证[11]。近些年，国内一些高校重视以“开放、互动”为特色的分层次物理演示实验室建设，通过教学效果、促进科研等方面的建设实践已经取得了良好的演示教学效果[12-14]。我们结合自身“工科”特色并且围绕培养学生自主探究意识和提高科研创新能力这一教学目标，开展了多种途径辅助演示实验教学体系的系列措施。具体来说，主要体现以下几方面：

2.1 课堂演示、圆桌讨论、展览室参观相结合

我们将课堂演示、圆桌讨论、展览室参观作为直接教学实践的主要方式。首先强调课堂演示教学的效果的提高，主要从教的环节入手，加大对任课老师的培训力度。目前，很多购买的仪器设备往往无法直接与授课知识点一一对应，这就要求任课教师必须精心准备课堂教学设计，实现演示现象和教学内容的“无缝对接”。由于实验数目多，工作量大，我们组织大学物理教研室的所有老师，采用分工协作、共同讨论的方式。首先进行分组学习，每三位老师负责20多个演示实验的原理说明、演示流程、注意事项的编写。然后，分组老师在每周的教研室的例会上为所有的老师做现场演示，通过大家的充分的交流和讨论，确定每一个演示实验的教学材料；最后，每位老师按照各自的课堂教学设计，将大家拟定好的演示实验内容安排到教学环节中，这样大家即有统一的教学标准，又保留了各自的教学特色。经过一年的强化训练，我们的课堂演示实验的效果明显提高，学生对大学物理的兴趣也更为浓厚。

其次，我们还借鉴国外知名高校新的教育模式，提出了“圆桌讨论”式教学模式以培养学生探索物理知识的能力，以及在集体环境中培养学生的团队合作精神。该教学模式最早是由美国伦塞勒工学院创立的一种集成了理论和实验的教学方式[15]。目前，这种教学模式已在美国、我国台湾地区以及一些欧洲国家的大学盛行了将近20年的时间，并取得了良好的教学成效。2014年春季学期，我们从2013级英才学院抽出一个班级共计37名大学一年级新生作为教学试点班，进行工作室物理教学尝试[16]。教学采取传统授课和圆桌教学相结合的模式。37名学生被分为4个讨论小组，每组9或10人，共用一个由四张课桌拼接而成的平台，每个小组配备一套演示实验设备，学生可以自由操作并讨论。在这次工作室物理教学模式尝试中，我们在课堂气氛、学习研究等方面取得了较满意的教学效果，包括课堂气氛更加活跃、学习更加轻松快乐，对问题的研究更加深入。

最后，我们实行演示实验展览室全天对学生开放教学模式。目前，我们的演示实验平台已有的演示实验总套数接近500套，涵盖力学、热学、电磁学等诸多内容。 展览室开放以来，年均接待学生5 000人次。此外，作为学校的接待窗口，接待了来校访问的专家，进修人员，中学生参观团，有关会议代表等等，均引起了参观者的极大兴趣和好评。我们对不同层次采用不同的解说方式和参观重点，得到参观者的高度评价。另外，结合演示实验展览室的条件，组织学习大学物理的工科本科生进行创新性实验研究。结合工科的特点、物理原理的具体应用，指导学生研究一些具有实用价值的小题目，使大学物理教学与培养学生的创新能力有机结合起来并落到实处。

2.2 课余提高兴趣——创新实验、物理节、物理竞赛

为了更加丰富物理演示实验的教学内涵，我们还高度重视课堂外活动对大学生物理兴趣和实践能力的培养。多年来，我们开展的一些课余活动包括创新实验、物理节、物理竞赛受到了在校学生的热烈欢迎和积极参与。

(1) 凭借 “985”院校的工科特色和学科优势，我们多年来致力于创新实验模式对大学生综合素质及实践能力的培养研究。通过申请学校支持的“科技创新”项目，本科生不但有机会独立地完成科研项目的设计、准备及实施全过程，而且能切身地体会到科研工作背后的苦乐酸甜，并获得自身能力及素质的提高。

(2) 自2005年起至今，我们每年举办1次校内物理节，主旨在于展示物理学的魅力、激发物理学习兴趣并活跃学术氛围。通过开设多种形式的活动如物理知识竞赛、激光武器讲座、物理知识讲座等，而趣味实验活动则是物理节上一个必不可少的组成部分。在这个活动中，我们将大量的演示实验仪器摆放在学生们常经过的场所、如教室里、食堂门口、活动中心等(见图1)。路过的学生随时可以围过来动手尝试一下，这种“寓学于乐”的活动很受学生的欢迎，极大提高了学生对物理学的兴趣。

图1 演示实验在课外活动中的作用

(3) 自2011年起至今，我校每年举办一次校大学生物理学术竞赛活动。这次活动旨在培养学生的创新意识、创新能力、协作精神和实践能力，同时也为全国大学生物理学术竞赛选拔参赛队员。在这两次竞赛活动中，无论是赛前的选手培训，还是赛场上现场演示答辩，我们的物理演示实验平台均起到了重要的作用。我校先后在全国的大学生物理学术竞赛中取得可喜的成绩，分别荣获了2012年的全国比赛二等奖、2013年的全国比赛一等奖和2014年唯一的特等奖。

2.3 演示实验体系的考核评估

在大学物理的实验教学中, 我们通过在学期末大学物理试卷中引入演示实验的考核来定量评估物理演示实验的实际教学效果(如学生的掌握情况, 演示实验项目合理性)。根据学生专业特色和物理基础的具体情况划分, 大学物理分为三个层次。在大学物理的试卷中，共设置5道演示实验题目，要求学生任意选择一题，总分值为5分。我们定量地对答题内容进行评分。表1给出了2004年春季学期我校物理演示实验0～5分数段情况(近3 074人)。从整体上看，0～4分数占较小的比例，而5分则占近70%比例。这说明大多数学生对演示实验有较深的印象，对其蕴含的物理概念有着较为深入的理解，并且能够很好地掌握演示实验所对应的教学内容。

表1 演示实验分数分布情况(2004年春季学期)

3 结 语

本文介绍了哈工大的大学物理演示实验体系的平台建设和教学实践。该演示实验体系充分地体现了学校的工科特色和物理系的学科优势。我们将课堂演示、圆桌讨论、展览室参观作为直接教学实践的主要方式，培养学生从知识学习能力向科研创新能力和工程实践能力转变。我们还开展了系列措施包括创新实验、物理节、物理竞赛等潜移默化地启发学生的科研兴趣和激发学习热情，达到培养学生自主探究意识和提高科研创新能力的人才培养目标。最后，还将演示实验考核引入到大学物理课程的考核当中，对学生的学习效果进行评估。

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Practice and Explore on Physics Demonstration Experiment System of Engineering Colleges

JINChen-fei,ZHANGSi-qi,HANQuan,ZHANGLing-li,WANGXiao-ou,ZHAOYuan

(Department of Physics，Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China)

In universities, traditional physics classroom demonstration experiments mainly help students to acquire knowledge of physics. However, these demonstration experiments are too simple and intuitive in form to stimulate students the deeply consideration and exploration of physical natures. The students passively accept knowledge and unable to participate in the design, production, presentation of these demonstration experiments. Considering our own characteristics and students’ conversion from the ability to learn knowledge to the research innovation capacity and engineering practice capacity, we launch a teaching reform and put it into practice around this new multi-level demonstration experiment system. Years of teaching practice shows that such a demonstration experiment system through interactive teaching can greatly excite students to gain knowledge and exercise thinking ability. Thus, it plays an extremely important role in enhancing students’ comprehensive quality and research innovation capacity.

demonstration experiment; university physics; teaching methods reform; engineering colleges

2015-04-21

黑龙江省高等学校教改工程项目(JG2013010239)

靳辰飞(1979-)，男，内蒙古集宁人，博士，副教授，主要从事大学物理、光电信号检测与处理等课程的教学。

Tel.：0451-86414132；E-mail：jinchenfei@hit.edu.cn

O 4-33，G 420

A

1006-7167(2016)04-0194-04