“新工科”背景下物理演示与探索实验的自主开发与创新研究

樊英杰

（西北工业大学明德学院 通识教育学院，陕西 西安 710124）

近年来，随着科学技术的日新月异和国家创新驱动发展战略的快速实施，企业对工程技术人才的要求越来越高，专业范围越来越广，工程技能教育改革日益迫切。在这样的背景下，“新工科”建设应运而生[1]。随着教育部组织实施“复旦共识”“天大行动”及“北京指南”，“新工科”建设成为时下教育改革的关键词，其内涵主要体现在“以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，以培养未来多元化、创新型卓越工程人才为主要目标”的人才培养模式上[2]，这就决定了“新工科”建设必须重视理论基础课程的教学改革和教学创新。

物理学是一门探究物质基本结构和运动规律的自然科学，是学生进入大学后接触的第一门实践性和操作性非常强的基础性学科。物理学中每个概念的建立、每个定律的发现都源于工程思维和实验论证[3]，而工程思维和实验论证所具有的独特性，在物理学课程教学中可通过工程技术和实验演示来展现。因此，在物理学的教学中，要坚持灌输工程性思维和充分利用演示实验所具有的功能，让学生仔细观察和研究实验现象，分析总结其中的奥秘（物理现象和物理规律），从而激发学生的学习兴趣，提高学生的创新意识和创造能力。同时，还要通过实验教学研究，突出手脑并用，促进理论与实践的结合。

本文结合我院现状，本着“重视基础、加强实践、突出能力、强化应用”的教学理念，借助工程性思维和创新驱动意识，探讨在大学物理教学过程中如何发挥物理演示与探索实验的作用。

1 物理演示与探索实验现状分析

物理学是以培养观察能力和实验操作技能为主的基础自然科学，物理学的整个教学过程影响着学生对学习物理思想、方法和原理的初始认知，而演示实验因其现象生动有趣、操作简单方便、演示方式灵活等特点，有助于活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，调动学生学习积极性，是学生学习和拓展物理知识的重要手段[4]。目前在国外的物理演示与探索实验蓬勃发展，如美国的加州大学洛杉矶分校、斯坦福大学、哈佛大学、麻省理工学院、哥伦比亚大学及德国慕尼黑大学等世界一流大学，明确将物理演示与探索实验作为物理学教学内容不可分割的一部分。而在国内，不少高校的物理学教学还停留在以“粉笔+黑板”为主的，由教师介绍理论、推导理论，由学生被动接受的传统教学模式上。虽然有的高校在课堂上也进行了一些以验证或介绍课程内容为目的的演示与探索实验，但总体上演示实验内容整体偏少，覆盖面不全，水平不高。具体表现在演示实验设备陈旧、数量有限，学时数少，学生人数多，演示效果不佳，学生积极性不高。基于大量走访调查、查阅大量文献资料及分析研究等，下面从主、客观两个方面来分析造成这种情况的原因。

1.1 实验效果不佳的主观原因分析

从教师角度看，大部分教师都是科研教学一肩挑，且主要精力都放在了科研工作上，在教学上的投入相对有限。他们在物理学教学过程中，往往只是把物理演示与探索实验当作教学过程的点缀[5]或插曲，没有体现演示与探索实验对学生认识物理、理解物理、应用物理以及培养学生科学思维能力的重要作用。

从学生角度看，现在的学生大都是00 后的独生子女，往往由于生活条件优越而缺乏动手能力，有的学生从心理上排斥动手做实验，排斥课堂教学，还有的学生不重视物理实验，认为只要背背公式、做做题就能学好物理学。

1.2 实验效果不佳的客观原因分析

虽然教育部在《工科大学物理课程教学基本要求》和《工科大学物理实验课程教学基本要求》中都对演示与探索实验提出了明确的具体要求，部分高校也设立了物理演示与探索实验室，但目前存在很多不足之处。

首先，国内大部分高校对实验室建设的经费投入严重不足，与理论教学配套的仪器类别和套数严重不足，实验室面积偏小。其次，大部分演示与探索实验设备属于非标产品，国内仪器生产厂商相对较少，开发设计人员相对匮乏，有的仪器设计存在原理错误或缺陷，演示效果较差，一旦出现故障难以及时修复，与现代科学技术配套的近代物理实验设备更是缺乏。第三，理论课教师年龄结构、知识结构、专业结构不尽合理，教学水平上参差不齐，一些教师只是按知识点教学，而不是以工程性思维模式注重培养学生的综合能力。第四，演示实验教学方式和教学模式五花八门，课堂演示、参观展示、网上模拟仿真等不一而足，学时数相对较少，且没有统一的教学标准和教学要求。第五，激励机制缺乏创新，教师工作积极性不高，仪器设备的可持续研发与后期维护跟不上需求。

2 自主开发演示与探索实验的意义

实验室既是高校的实践实习场所，又是科研创新场所及各种前沿技术孵化场所。高校自主开发实验的多寡及实验设备的先进性在一定程度上决定着高校的办学水平和科研水平。教师通过不断学习和自主创新开发配套的教学实验和教学设备，既是高校实验室建设的需要，也是教师科研水平的体现。

3 自主开发演示与探索实验的原则

（1）实验原理的科学性原则。要做到实验原理的科学性，就必须遵循以下规律：一要尊重科学规律，实事求是；二要尊重实验规律，使结果无错误[6]，弄虚作假、人为改造实验结果是不允许的。应区分错误与误差，误差是由于实验系统和条件的非理想化而产生的，是实验过程中不可避免的，但因实验原理错误而引起的实验错误是绝对不允许的。

（2）仪器操作的安全性原则。在进行物理实验过程中不可避免会涉及一些安全隐患，所以安全问题是实验设备开发研究时首先要考虑的问题。如在设计静电学实验设备时，需要考虑高压电源的安全性问题；在设计转动惯量实验设备时，需要考虑仪器设备因转速过快而引起的安全性问题等。

（3）仪器设备的简易性原则。简易性原则是指尽可能选择器件相对少、操作相对简单、现象直观的设计思路。因此应尽可能选取与日常生活相关的、能够就地取材的生活资料，如平日生活中使用的锅碗瓢盆等，以便降低物理实验的难度，调动学生的学习积极性、主动性和创造性。比如学生为参加物理科普知识展演而设计开发的“美妙华章弹奏器”，就是选取生活中常用的玻璃杯而制作完成的。

（4）实验形式的趣味性原则。兴趣是最好的老师，是学生学习的内动力，而物理学中的很多内容都可以激发学生学习兴趣。教师在教学中，可以有意识地创设情境，启发学生，引导学生进入角色，通过富有趣味性的创新实验，激发学生的学习动机和学习兴趣。比如教师在展演“手蓄电池”实验时，先让一位学生展示，再让多位学生手拉手一起展示，会大大激发学生的学习兴趣。

（5）实验效果的创新性原则。知识是能力的载体，创新是能力的灵魂，素质教育的重要目标之一就是要培养学生的创新精神和实际应用能力，以适应现代科学和现代生产的需求[7]。这就要求实验设备的开发，在考虑应用性和实用性的同时，还要具有一定的创新性。教师可以通过课堂教学、兴趣小组、第二课堂、学科竞赛、研究性学习和创新创业大赛等形式开展创新活动，让生活走进课堂，让知识走向社会。同时，创新实验的开发还应增加物理知识的科普性，紧密联系生活、生产实际，紧扣时代脉搏与现代科技发展步伐，让物理学充满生机、富于创新精神[8]。例如，学生在科技周创新创业大赛中，利用电磁学原理设计的“无线充电器”“考试屏蔽器”，以及借助光电探测技术设计的“耳蜗探针”等演示设备，除了可供教学使用外，还具有一定的市场推广价值。

（6）仪器开发可持续性原则。近年来，随着素质教育、创新驱动在高校的深入发展，实验设备数量不断增加，但有的只注重设备采购，而忽略了设备的后期维护和保养。仪器设备出现故障，将直接影响设备的使用率，进而造成资源浪费。因此，在演示与探索实验开发过程中，应重视实验设备的再次开发利用，体现实验开发的可持续性[9]。比如，“霍尔效应”实验设备在保持原有功能的同时，可通过增加多组线圈的二次开发，来演示电磁感应现象和外界磁场对实验结果的影响程度。

4 演示实验自主开发模式

（1）依托教学科研自主开发。将科研成果与教学内容相结合，并形成良性互动是高校发展的必然选择。高校教师可根据自己的专业所长以及掌握的科技前沿信息，利用广泛的社会资源，通过市场化机制、专业化服务和资本化运作形式，构建低成本、便利化、全要素的自主创新研发平台，为高校实验设备的更新换代提供优质高效的服务，促进教学改革与教学创新[10]。

（2）依托学术团体自主开发。随着经济增长方式的转变和创新型国家战略的实施，高校人才培养规模越来越大，各类学术团体不断涌现，教师可借助这些团体的力量进行自主创新。

（3）依托产教融合自主开发。产教融合、协同育人是高校发展的必然之路。企业具有资金实力和技术装备实力，高校具有创新思想和人才储备，校企联合是将技术实践和理论学术相融合、促进人才培养的有效途径[11]。因此，教师在实验设备的自主开发上可以借助企业资源优势，协同并进，推动发展。

5 结语

教师通过不断学习和自主创新，开发配套的教学设备，不但有助于提高自身的业务水平，而且由于对设备性能熟悉，在教学过程中也更能得心应手，能够在一定程度上提高教学质量和教学效果。