基于便携式课堂演示实验的大学物理教学探索与实践

秦 哲，杨广武，胡雪兰，陆小翠，马增红

(1. 中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300；2. 天津中德应用技术大学 基础实验实训中心，天津 300350 )

演示实验是培养学生创新思维和创新能力的重要途径[1]. 物理课堂演示实验以最直观的方式为学生展示物理现象，激发学习兴趣，提高观察能力，探索物理规律. 近几年，很多文献针对物理演示实验从实验教学对比、教学管理与实践、实验体系建设和教学模式创新等方面做了深入的探讨[2-9].

虽然关于演示实验教学法和体系建设的讨论已经比较广泛，但是物理演示实验在实际教学过程中的利用率和教学效果仍然不尽人意[8]. 只有不断进行理念创新和实践创新，将演示实验更好地应用到物理教学过程中，才能进一步提高大学物理课程教学质量. 基于此本文从高校演示实验仪器使用现状和问题出发，介绍便携式随堂演示实验的设计开发、设计思路以及推广情况，最后通过演示实验进入课堂的教学实践、学生创新能力培养、物理课堂演示实验体系构建等方面探索大学物理演示实验教学发展方向.

1 高校演示实验使用现状调查与分析

项目组根据目前各高校使用演示实验情况和存在的问题，分别面向高校物理教学负责人、理工类物理教师、理工类学生，通过微信小程序“问卷星”发起问卷调研,收回问卷样本分别为60、970和164份. 如图1所示，高校所属类别分布以问卷样本总数计算，地方院校约占59%，部属院校约占35%，独立学院约占6%. 因此针对演示实验使用现状的问卷调查具有一定代表性.

图1 问卷调查高校所属类别分布图

1.1 课堂演示实验利用率低

通过对大学物理课程负责人的问卷调查发现，大部分高等院校拥有物理演示实验室或演示实验仪器存放室. 但是如图2所示，以课程负责人总数计算，83.3%的高校在理论课堂使用演示实验数量占本学院已有演示实验仪器数量的比例明显小于二分之一，课堂演示实验利用率很低. 经调查发现，多数学院采用演示实验单独开课、学生定期到演示实验室上课的教学形式，而演示实验课时安排很少，一般不足6学时.

图2 高校课堂所使用的演示仪器占总演示仪器数量的比例分布图

1.2 多数演示实验进出课堂不方便

如图3所示，通过对大学物理教师的问卷调查发现，认为实物演示辅助课堂教学效果较好的教师比例最高，占所调查物理教师总人数的84.8%. 教师普遍反映学生对课堂实物演示很感兴趣，且实物演示具有视频和动画演示无法替代的作用. 但是通过调查也发现，大多数教师因为课程学时紧张和实验仪器操作不方便，在理论课堂上只是偶尔使用或基本不用实物演示，且只有部分教师能熟练使用课堂演示仪器. 另外，教师更倾向于使用方便搬运的小型便携式仪器来进行课堂辅助教学.

图3 高校教师对演示实验、视频和仿真认可度分布图

1.3 课堂演示效果达不到学生期望值

如图4所示，通过对理工类本科生的问卷调查发现，以调查本科生总数计算，在物理课堂上仅有52.1%的教师经常使用实物演示实验. 分析原因，可能与院校物理演示实验的教学形式较为多样化有关.有安排定期开放演示实验室的，有将演示实验编入分组实验教学的，也有在理论课堂上进行随堂演示教学的. 但学生普遍认为随堂物理演示实验与理论课同步性更好，且课堂演示实验对提升学习兴趣、知识理解、动手实践、观察能力、解决问题和创新等能力有帮助.

图4 教师课堂使用演示实验频次分布图

总之，通过问卷调查分析发现，目前大部分理工类高校虽然开展与演示实验相关的教学工作，但是在使用效果和利用率上都不尽如人意，很多高校只关注有还是没有演示实验，而并不强调是否能有效地利用，所以导致演示实验教学只流于形式. 目前，很多高校的演示实验仪器闲置率高，再加上仪器长期不使用故障率也很高，进而在教学中使用频率逐渐降低，加上对仪器的维护、保养和管理工作不到位，久而久之形成不良循环，这与当初建设演示实验项目的初衷背道而驰.

2 便携式随堂演示实验仪开发与推广

通过问卷调查发现，当前高校教师和学生对物理演示实验的需求比较急迫，但是当前大部分演示实验仪器体积大、且比较笨重，即便一线教师可以根据教学大纲适当调整教学内容和进度，为随堂演示实验教学留出时间，许多物理演示仪器也不便于教师随堂携带展示. 这在很大程度上降低了教师在课堂演示物理实验的积极性.

本项目团队鉴于此开发和设计了便携式物理演示实验仪.此类仪器具有体积小、重量轻、演示效果好且方便携带等特点，特别适合大学物理随堂教学演示. 部分仪器除了可以在讲桌上演示，还可以吸附于黑板上，坐在后排的同学也可以清楚的看到实验现象，演示效果更好. 项目组自2013年开始根据一线教师理论教学需求研制便携式大学物理课堂演示仪器，重点开发研制了涉及力学、电磁学和光学等模块的一系列便携式物理演示实验仪并申请国家专利. 目前已经开发物理演示实验仪器15套，申请专利12项，已经授权10项，演示仪器目录如表1所示.

表1 便携式物理演示实验仪目录

项目组研发的演示仪器与传统物理演示仪器相比，最大的特点在于便携式和可吸附于黑板上演示.此外，部分演示实验仪还可以实现定量测量. 以便携式波动光学演示仪为例，本演示仪器涵盖波动光学大部分教学内容，如双缝干涉、单缝衍射、单丝衍射、小孔衍射、一维光栅、二维光栅、光的偏振等，且使用红绿两种波长的激光器做为光源. 演示实验装置如图5所示，整套仪器可以放于长36 cm、宽24 cm、高10.5 cm的手提箱中，方便携带和保存. 传统波动光学实验仪器因为有比较长的光学导轨和种类繁多的光学器件，不适合随堂携带和演示，因此便携式波动光学演示仪用于物理课堂演示教学的好处不言而喻. 项目组根据一线教师的需求设计和开发便携式随堂演示仪器的目的也在于此. 另外，本系列演示实验仪配套有《便携式大学物理演示实验教程》(内部讲义，待出版)，可以向相关高等院校推广与应用. 目前已经有20多所高校使用了项目组开发的便携式物理演示仪，并提出了宝贵的反馈意见，为开发更高质量的演示仪器提供了帮助.

图5 便携式波动光学演示仪

3 基于便携式随堂演示实验的教学实践

3.1 教学实践

笔者所在的中欧航空工程师学院旨在系统引进法国精英工程师教育理念和培养模式，培养兼具宽厚数理基础、完备工程能力和综合创新能力，能胜任研发、设计、制造、适航、运行等航空全产业链工作的国际化复合型人才[10]. 学院物理教学内容及要求更接近物理专业要求，演示实验是培养学生物理思维的重要一环. 以下是笔者在大三下学期波动光学“单缝衍射”教学过程中，随堂使用便携式波动光学演示仪的教学案例，演示仪实物图如图6所示，单缝缝宽可调，仪器装有红绿激光光源.

图6 波动光学演示仪单缝模块

在课堂中根据惠更斯-菲涅耳衍射理论推导出单缝衍射中央明条纹宽度公式为

(1)

其中D为单缝与观测屏幕距离，a为缝宽，λ为激光器光源波长.

随堂教学中可以使用演示实验定量验证的教学方法，先固定演示仪器与黑板观测屏距离，让学生仔细思考和观察中央明纹宽度与缝宽变化的关系. 此外，通过同时打开波长为532 nm的绿光和650 nm的红光光源，并固定单缝缝宽，让学生观察中央明纹宽度与波长的关系. 通过理论和实验现象对比教学，学生对衍射理论理解更深入. 课后感兴趣的同学还可以在教师指导下对演示仪器进行实际操作和讨论，拓宽学生的知识面. 当然教师还可以根据学院学生情况灵活设计和安排随堂演示教学活动，提升教学效果. 图7为笔者在疫情期间以线上线下相结合的方式，进行单缝衍射理论教学过程中使用便携式波动光学演示仪，引导学生观察实验现象的实拍照片. 课后学生普遍表示比之前纯理论推导教学更有兴趣，收获更多.

图7 单缝衍射演示仪随堂教学展示

3.2 培养学生创新能力

教师可以通过指导学生申请立项、申请专利、参加比赛，充分调动学生主观能动性，有效地激励学生的自主创新意识. 近年来，项目组老师指导学生研制课堂演示仪器，获批校级以上学生科技立项7项，内容包括“便携式分辨本领演示仪”“磁吸式角动量守恒演示仪”“便携式牛顿环演示仪”和“磁吸附式迈克耳孙干涉演示仪”等. 此外，2019年学生以申请授权专利作品“便携式分辨本领演示仪”参加北京市大学生物理实验竞赛，获二等奖，2020年“自动控制波动光学演示仪”和“磁吸式弹簧纵波演示仪”作品分获二、三等奖. 2020年指导学生参加全国大学生物理实验竞赛(创新赛)并获得一、二、三等奖各1项.

3.3 构建便携式课堂演示实验仪器体系

便携式课堂演示实验教学与大学物理分组实验教学功能不同，它重在激发学生学习兴趣，加深对物理概念和原理的理解，提升课堂教学效果，可以自成体系. 而构建便携式课堂演示实验仪器需要根据大学物理教学内容以及实现难易程度等方面综合考虑. 课堂演示实验应该涵盖力学、热学、光学、电磁学、振动与波动以及近代物理等内容. 各个模块演示实验的开发围绕从点到面，从少到多的思路，逐步研发可以涵盖物理学所有分支的演示实验.这个工作不能一蹴而就，也不是靠一个高校或一个教学团队就能完成的，相关院校应该从实际出发，结合自身需要，研发当前急需的、容易实现的、使用频率高的课堂演示实验仪器，并进行相应的教材建设，各高校可以通过讨论和交流，互相取长补短，循序渐进地构建课堂演示实验体系.

4 结语

大学物理演示实验教学是个老话题[11]，但随着教育方法、教育理念以及技术手段的发展，它应该走出一条有特色的路来. 其实，大多数演示仪器的原理比较简单，设计和制作难度不大，教师可以根据教学需要，自己动手制作一些简单的演示实验仪器，或通过学校开展的大学生创新创业项目指导学生完成便携式物理演示仪器的研制，一方面提升课堂教学效果，另一方面培养学生的创新意识和实践能力.

笔者经过十多年对大学物理演示实验教学模式的思考，对物理演示仪器的开发与推广的亲身经历，以及在教学过程中的不断摸索和实践，逐渐意识到便携式物理演示仪器顺应未来随堂演示实验教学的发展趋势. 希望理工类兄弟院校的教师根据本校教学特点和人才培养目标，通过多种多样的项目和活动开发出更多有价值的物理演示实验仪器.