大学物理演示实验教学的探索与实践

张小玲 邓玉荣 雷 杰

（武汉理工大学理学院 湖北·武汉 430000）

物理学从根本上说是实验的科学。任何物理学的理论都是从实验现象中抽象总结出来并要受到实验检验的[1]。杨振宁先生曾经说过，物理学最重要的部分是与现象有关的，绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源，也是物理探究的源泉[2]。物理演示实验鲜明直观的特点是能创建出理想的物理情景，能充分地展示物理现象，物理课程的教学应该从物理演示实验的教学开始，通过物理现象去探索物理的本质。所以，物理演示实验是大学物理课程的关键授课手段之一，在教学体系中有着无可替代的地位。

《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》[3]（教高〔2019〕8号）指出：课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量。教师需融合创新的方法、现代化技术进行课程的设计与教学。在这样形势下，如何充分利用物理演示实验教学，突出创新元素、优化重构教学内容与课程体系、提高课程质量，培养既具有扎实基本功底，又具有创新意识和创新能力的复合型、应用型人才，是摆在我们面前的刻不容缓的任务。

1 演示实验教学的必要性

1.1 增强学习兴趣与信心

传统物理课程更倾向于教授理论，许多学生面对繁杂的理论公式往往就会望而生畏，纯理论教学教出来的学生往往是高分低能者居多。通过演示实验的教学，突破习惯性认知模式，有利于激发学生的学习兴趣。有趣的实验现象能引发学生对新知识的渴望，激发学生探究问题的热情和解决问题的勇气，提高学生观察、分析问题的能力，增强学生学习的信心。

1.2 帮助学生正确认知物理理论

物理课程中不乏较为难懂的抽象理论，仅凭教师的讲授，学生很难准确和全面的理解和掌握。借助演示实验的方式，可以化抽象为具象，直观、生动地展现出各种物理现象，能让学生在看到现象（物理现象）的前提下学习本质（物理规律），加深学生的感性认识，促进学生对理论知识的理解和思考，使学生能更深层次地掌握物理理论，并能应用于实践。

1.3 加强与生活及高新技术的联系

随着科技的发展，社会的进步，物理已渗入到人类生活的各个领域，当代大学生无论文理或是工科，都应熟知物理常识，区别仅在于侧重部分和认知的深浅。演示实验能直观形象生动地展示物理与生活及高新技术的联系，比如避雷针、互感现象、磁悬浮列车、记忆金属、光纤通讯等演示实验，能让学生切身感受到物理触手可及，对学生起到建立基础知识储备和扩展视野的作用。

2 大学物理演示实验教学现存问题

2.1 教学课时压缩

国内众多高校由于专业发展和专业评估等原因，目前普遍存在物理课程学时被压缩，随堂演示实验进一步被削减的情况，甚至，有的高校至今未将演示实验纳入教学体系。鉴于课时压缩的现状，如何在已经不多的理论授课学时中让演示实验在课堂上占有一席之地，并与大学物理理论教学有机融合，发挥其应有的作用，这是一个值得深入研究和亟待解决的问题。

2.2 演示实验教学形式单一

大学物理演示实验在教学形式上多采用传统模式：教师将准备好的仪器带到课堂上进行随堂演示，学生只需观察。这种形式下，一方面，由于时间和空间的限制，无法保证每位学生清楚仔细的观察到每个实验的全过程，使得实验观测的覆盖率不高；另一方面，教师操作仪器展示给学生看，学生仍然是被动接受，少有参与，这种传统的演示实验教学模式在教学效果上达不到预期[5]。

2.3 考核方式陈旧

常见的演示实验课程成绩考核方式有两种[5]：第一种是将学期实验报告、考勤等一些分数折算后的总和作为成绩；第二种是期末的笔试成绩。采用以上述两种方案进行考核时，学生只要保证较高的出勤率，按时提交实验报告，报告内容规范清晰，或者考前对实验原理，关键实验操作进行记忆，便可取得优良的分数。这样的考核方式往往使学生对演示实验的学习拘泥于形式，学生只是按老师规定的步骤进行操作，学习依然是处于比较被动的状态，很难培养出主动思考、善于探究、具有创新意识的人才。

3 大学物理演示实验教学的探索与实践

3.1 在大学物理理论课教学中融入随堂演示实验教学

针对教师对演示实验重视程度不够，以及课时缩减演示实验时间被压缩的问题，从以下两个方面进行改进：

3.1.1 提升教师重视程度，演示实验全面进课堂

在硬件方面，我校教务处在主教学楼调配了一间教室作为大学物理演示实验仪器陈列室，极大增加了随用随取的便利性。在培训方面，大学物理教研室多次组织专项教研活动，由演示实验专职教师介绍各种演示实验器材及其实验原理、实验方法并演示其操作过程，以此教研活动促进演示实验的随堂教学。同时大学物理教研室将演示实验纳入物理理论课教学的必备环节，达到全面覆盖的效果。

3.1.2 形成大学物理课程创新教学模式

近5年来，本教学研究团队以学生为中心设计教学，在大学物理课中引入随堂演示实验，提高学生的学习兴趣和参与度，在演示实验的基础上，引导学生发现问题和提出问题，用问题驱动课堂，内容由浅入深，加深学生对抽象概念的理解，传授科学研究方法，提升物理思维，培养学生应对未知的探索精神和能力。同时团队完成了《大学物理》校级在线课程的建设，在教学中，结合在线课程展开线上和线下相结合的教学方式进行教学，把理论课中的部分内容安排学生通过课前和课后的自主在线学习来完成，既缓解了课时紧张的问题，又培养了学生自学能力，给演示实验教学也留出了足够的时间与空间。经过几个阶段的教改实践，教学团队对大学物理课的定位和教学规律有了清晰的认识，形成了“以实验为引导、问题为驱动”的大学物理课程创新教学模式。

3.2 建开放物理演示实验室

由于大学物理课程往往采取的是大班教学形式，仅仅通过随堂演示，教学效果达不到预期。为了配合大学物理理论课教学，团队通过建设开放演示实验室，使每个学生每学期有4个学时到演示实验室开放学习机会。

开放物理演示实验室是物理演示实验教学的主要形式，开放演示实验室对于提高学生学习物理的兴趣、加深学生对抽象物理概念的理解、培养学生动手能力和创新能力都有十分重要的意义和明显的效果，是《非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求》中提倡的物理演示实验教学形式，符合理工科大学基础课加强实验、实践环节的教改方向，对提高物理基础课教学质量，培养高素质创新人才具有深远的意义。

开放演示实验室受到学生的普遍欢迎，学生来演示实验室学习对演示实验很感兴趣，认真看老师演示，积极动手操作，主动提问，课堂气氛活跃。课后大多数学生表示做演示实验提高了学习物理的兴趣，加深了对理论的理解，扩展了物理知识。不少同学表示还想再来实验室。

课程结束后，通过匿名形式的问卷调查，调查学生对课程教学的满意程度。本次调研样本数为135人，得到的关键反馈结果如下：94%的学生认为通过演示实验，能够起到加深对理论知识理解的作用；97%的学生认为演示实验能够起到增强学生的科学兴趣，培养学生科学素养的作用，其中，71%的学生认为起到的作用非常明显；96%的学生希望后期物理理论课程中继续开展演示实验教学。

由调研结果可知，学生对“以实验为引导、问题为驱动”的大学物理课程创新教学模式认可程度极高，达到了课程建设的预期效果。

3.3 增设公选课，完善考核方式，教与学形成闭环

结合新形势下的人才培养需求，根据理工科和文科学生群体的特征，新建了《趣味物理》公选课（24学时）。

《趣味物理》是一门面向所有理工科和文科类大学生的公共选修课，是一门以观察物理现象为出发点的课程，旨在充分展示物理实验的趣味性，把探索“枯燥的”物理科学理论寓于生动有趣的物理实验之中。对理工科学生起到衔接高中知识，连接高新科技知识，培养思维体系，提高创新能力的作用。对文科学生起到科普教育，感知生活，培养逻辑思维，全面提高综合素质的作用。

本课程教材采用授课教师自编《趣味物理》课程讲义，课程内容划分为：运动的奥秘、振动与波的奇妙现象、冷与热的变换、光的波动魅力、调皮的静电、电与磁的共舞等六个模块。课程教学上采用线上线下相结合的教学方式，由授课教师在武汉理工大学网络教学平台建设《趣味物理》在线课程，讲义内容发布在教学平台的每个学习单元里，供学生免费学习使用。网络平台有针对性的将演示实验教学内容和知识的应用拓展融合到一起，为学生提供丰富的学习资源，学生通过网络平台进行课前的预习以及课后的总结与回顾。

区别于考试及实验报告的考核方式，课程采用小论文和制作实验视频进行考核。

（1）论文考核方式。每位学生在学期末需提交一份演示课程相关的小论文。论文内容包含但不限于以下三个方面：①选取本期课程中最为感兴趣的几个演示实验，结合自己的操作经历，说明实验步骤、实验内容及结果，并结合实际进行拓展应用。②结合自身学习效果，探讨物理演示实验在培养动手能力和创新能力方面所能起到的影响和作用。③学习本课程后的所受的启发。这种方式的考核维度包括实验内容、原理拓展应用和学习心得三个方面，将学生从每次课后的实验报告中解放出来，给学生一个开放的学习空间，让学生自由地体验探究的乐趣，专注于自己最感兴趣的现象，用心去体验实验本身。当然，学生只有在上课时认真进行试验，课后有所思考，才能交出一份满足要求的小论文。

（2）实验视频考核方式。在这种方式中，学生自行组队，以小组的形式对感兴趣的试验进行拍摄，再结合自己的想法与创意构思视频内容。课程中安排最后两节课作为展示课，每组代表上台就本组实验视频进行展示和讲解。

首先，通过小组合作的方式增强了学生间的沟通协作能力。在拍摄视频，完成实验的过程中，学生间能够共同探讨，相互促进，加深对物理现象和本质的理解。其次，由于视频内容不设限，学生必须自行构思，在构思过程中，必然要自主的思考查取相关知识点，培养了学生发现、探究、解决问题的科学研究的思维和能力。再次，制作视频需要用到一些视频剪辑软件，比如爱剪辑、Premier、AE等，培养了学生的自学能力，强化了与现代化技术的结合。最后，课堂展示环节加强促进了师生互动与生生互动。学生将学到的知识转化后又输出给同学与教师，通过展示课的探讨与交流，教师与学生都收获颇丰。课后，老师经过评定，把学生制作的优秀视频上传到网络教学平台，作为新的教学资源。在这种考核方式下，学生的成果正反馈于教学，教与学形成了一个完整的闭环。

（3）鼓励学生自己设计制作实验仪器，并给予额外的加分。

本公选课深受学生喜爱，每学期选课人数都是爆满。

3.4 面向中小学生进行科普教育

习近平总书记在全国科技创新大会上提出：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。”

从小学到中学再到大学，物理演示实验一直是学校教育的薄弱点甚至可以说是盲区，学校对学生在这方面的教育是非常欠缺的，不利于学生实践能力、创新能力和科学探索能力的培养。

随着教育改革的深入，高校服务社会的工作日益受到社会各界的重视[6]，我校是武汉地区最早把物理演示实验列为服务社会项目的高校之一。物理系把演示实验服务社会列为“十三五规划”重点项目，学校领导亲自过问演示实验服务社会的工作，并对演示实验室的建设和引进人才等工作给予大力支持。物理演示实验室与武昌区教育局、洪山区科协及华师一附中等学校和单位联合举办了多次交流活动，并就演示实验服务中小学的内容、方式以及在我校演示实验室建设青少年实验、实践课程基地和青少年科技创新基地等工作达成共识。华师一附中率先提出与我校签订协议，长期系统参加物理演示实验室组织的各项活动。

我校物理演示实验室服务社会的工作，受到中小学的学生、老师和家长的欢迎，取得了良好的社会效果。目前已接待社会参观学习团体近千人。

4 总结

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”大力开展演示实验教学，激发学生学习兴趣和潜能，增强创新精神和实践能力，促进学生全面发展，是物理教学改革中极为关键的举措。我们相信，随着演示实验教学体系的不断发展与完善，必将对武汉理工大学培养新时期创新型人才和对科普事业的蓬勃发展产生更大的影响力。