大学物理演示实验资源有效利用探索

张 伟,张 雷,黄传甫,孟现文,李 艳

(中国矿业大学 材料与物理学院,江苏 徐州 221116)

高等学校担负着为国家培养高层次、创新型人才的重任,实验教学环节在完成这一重任的过程中担负着特有的使命。实验教学不仅要向学生传授知识、验证理论、培养学生的实验技能,更重要的是在理论与实践相结合的过程中,使学生在理解知识的前提下,学会应用知识分析问题和解决问题,这是高等教育过程中不可缺少的重要环节。同时,实验教学在引导学生掌握科学的思维方法,提高综合分析问题和解决问题的能力等方面发挥着不可替代的作用[1-5]。

大学物理演示实验既不同于普通的物理实验也不同于科研实验,物理演示实验不注重数据的测量和仪器的使用,而注重物理原理的展示,更能激发学生的学习兴趣[6-8]。物理演示实验有助于学生理解物理理论、加深知识记忆、激发科学兴趣等[9-11]。国外高校对物理演示实验非常重视,比如美国加利福尼亚州立大学伯克利分校的物理演示实验室、北加利福尼亚州立大学的物理演示实验室以及马里兰大学的物理演示实验室都在其网站上对物理演示实验进行了详尽的介绍。这三个演示实验室网站所提供的演示实验数量非常多,而且每个实验都给出了照片并对每个实验的操作步骤和注意事项作了详细的说明[12]。在德国,物理演示实验有着深厚的群众基础。从博物馆到走廊实验,从经典的演示实验到现代科技,处处渗透着创造性的物理演示实验。德国物理学界流传着这样的说法:没有演示实验的一堂课是不可想象的。德国人对演示实验的重视程度由此可见一斑[13]。近年来,随着教育经费投入的增加,国内很多高校开始着手筹建物理演示实验室,逐渐形成了一定的规模。据统计,目前75%以上的学校演示实验室面积已达到或超过200 m2,吉林大学的物理演示厅甚至达到1 000 m2。多数高校演示实验室的仪器已达到70套以上[14]。

中国矿业大学(矿大)的物理演示实验室也从2020年开始了扩建,目前已建成3个物理演示实验大厅和演示实验走廊,拥有超过120套演示实验仪。虽然具有了一定的规模,但是,这些演示实验仪器的利用率却很低。2021年以前,物理演示实验室只对物理专业的学生开放,其他专业的学生很少有机会了解、参与物理演示实验。在理论教学中,教师也主要以理论讲述为主,基本没有将演示实验资源融入到课堂教学中去。当前,很多高校也同样存在物理演示实验室的资源利用率偏低的问题,有必要也必须对如何高效利用高校物理演示实验资源的问题进行深入地探讨。

1 矿大物理实验中心在物理演示实验资源有效利用方面所做的探索

1.1 物理演示实验进理论课课堂

物理学是一门实践性很强的学科,每一个新理论都是通过对大量实验现象的归纳与总结并经过无数次的实验检验才得以确立的。在物理理论课的教学过程中,借助于演示实验来再现物理过程、检验物理规律是行之有效的教学手段。辅助理论教学是演示实验的最初目的。

有效利用物理演示实验资源最主要的方法就是让演示实验进入物理理论课的课堂。演示实验进入理论课课堂的途径有两种:一是演示实验仪器直接进入理论课教室;二是在物理演示实验大厅通过网络向理论课课堂在线同步直播演示实验。

1.1.1 物理演示实验仪器直接进入理论课教室

教师在课前向演示实验室借好与本节课内容相关的演示实验仪器,或者教师与实验师事先约定好时间,当教师在课堂上讲到相应部分的时候由实验师将演示实验仪器送到课堂上,然后在课堂上完成演示实验,如图1所示。做演示实验的时候,可以是教师操作,学生观看,也可以邀请学生一起参与,由教师和学生在课堂上共同完成演示实验。

图1 教师指导学生在课堂上做演示实验

1.1.2 通过网络在演示实验大厅向理论课课堂在线同步直播演示实验

演示实验仪器直接进入理论课教室,比较直观,学生也可以参与。但是,该模式比较适合小班教学。受实验仪器与实验教师的数量的限制,当有几十个教室几千个学生同时上课的时候,这种模式就很难实现。对于向全校学生开设的大学物理理论课程,比较实用的模式是实验教师在演示实验大厅通过网络向理论课课堂在线同步直播演示实验。需要做演示实验的教师提前与演示实验室的实验教师做好沟通,课上讲到需要演示实验的内容时,打开在线直播软件,与演示实验大厅同步进行实验演示。同步直播演示实验最大的优势是不受演示实验仪器的限制,可以向课堂演示大型演示实验仪实验。在课堂演示过程中,可以根据实验内容进行课程思政,培养学生的爱国精神,家国情怀。

1.2 让学生参与物理演示实验仪器的开发探究

矿大物理演示实验室的仪器资源丰富,有120多套,涉及到力学、热学、光学、电磁学等各方面的知识,如图2所示,且有灵活多变的特点,在培养学生的创新能力方面有很大的潜力。

图2 中国矿业大学物理演示与探索实验室

物理演示实验室可以以选修课的形式吸纳一些低年级对物理实验感兴趣的学生进入演示实验室,开展设计性和探究性的实验。以学生为主,给学生创造一个独立思考,自由探索,团队协作的环境。经过一段时间的学习探索,学生在发现问题、解决问题、资料检索、写作表达等各方面的能力都将获得很大的提高。目前,依托大学物理演示实验室已获批大学生创新训练项目3项,教改项目4项,获得中国矿业大学微视频大赛一等奖1项。

1.3 面向大众开放物理演示实验室

服务社会是高校的三大职能之一,高校需要发挥知识与资源优势,实现服务社会的发展目标。面向大众开放物理演示实验室是高校直接服务于社会的有效方式之一。建立科普教育基地,定期组织参观学习活动,向中小学生和社会大众普及物理知识。一方面可以提高中小学生的科学兴趣和社会大众的科学素养,同时也可以提升高校在本地区的影响力。目前,矿大物理演示实验室已经接待中小学生200余人,接待兄弟院校的教师代表100余人,收到了良好的反馈。

2 探索物理演示实验资源有效利用过程中遇到的问题

如何有效地利用物理演示实验资源是很多高校都会面临的问题。我们在探索物理演示资源有效利用的过程中发现如下因素会严重制约物理演示实验资源的有效利用。

第一、理论课教师对课堂演示实验的重视程度不够。当前,很多物理理论课教师并没有认识到演示实验在课堂教学中的重要作用,有些教师甚至认为演示实验会挤占原本就紧张的课堂时间,不利于课堂教学。理论课教师不够重视演示实验是影响物理演示实验走进理论课堂的主要原因。

第二,演示实验室的专职人员严重短缺。我校目前只有一位负责物理演示实验室的专职实验教师,这是远远不够的。

第三,演示实验设备的管理维护有待加强。物理演示实验室的一个实验通常只有一套实验仪器,在演示实验仪器常态化进理论课堂的状态下,仪器容易发生故障,演示实验室就会出现运行困难的情况,进而影响演示实验仪器的正常使用。此外,很多物理演示实验是在高压状态下工作,比如尖端放电实验、静电屏蔽实验等。在演示实验室对外开放时,许多中小学生会进到物理演示实验大厅近距离接触演示实验仪器,实验安全更是重中之重。

3 解决方案

针对上述阻碍演示实验资源有效利用的问题,我们给出了如下解决方案:

第一,物理实验中心联合大学物理教学中心召开有关物理演示实验的专题研讨会,加深理论课教师对物理演示实验的认识,让理论课教师真正从思想上认识到演示实验是课堂教学必不可少的重要环节,其作用不可替代。这样可以有效地促进演示实验进理论课堂。

第二,加大演示实验室专职人员的引进力度,同时培训理论课教师使用物理演示实验仪。理论课教师学会使用演示实验仪后就可以在没有实验师协助的情况下独自在课堂上演示物理实验,也可以指导学生在课堂上做演示实验。这样可以有效地解决因演示实验室专职人员短缺导致的演示实验难进理论课堂的问题。

第三,为了安全高效地管理演示实验室,首先,在高危险系数演示实验仪处设立安全警示牌,并在其周围用隔离带分出安全区,如图3所示。只允许受过培训的专业人员进入隔离带区域操作高危险系数的演示仪器,以确保实验的安全。其次,建立设备动态台账系统,演示实验仪出借实行预约制。再次,提高实验管理人员的仪器维修能力,同时购置多台同一型号的小型便携式课堂演示实验仪。大学物理理论课教师的课程进度非常相近,会出现多位教师同时需要用相同演示实验仪的情况。而且,演示实验进理论课堂常态化后演示实验仪器的损坏率会增大。在一个演示实验只有一套演示实验仪的情况下,仅靠实验室管理人员维修损坏的仪器难以保证演示实验室的正常运转,因此,实验中心需要购置多台同一型号的小型便携式课堂演示实验仪,以保证演示实验顺利高效地开展。

图3 高压静电区的演示实验仪

4 结 论

物理演示实验在辅助理论课教学、增强学生的科学兴趣和创新能力,扩大学校对外宣传等方面起着不可替代的作用。越来越多的高校开始创建物理演示实验室。本文以中国矿业大学为例探讨了我们在物理演示实验资源有效利用方面进行的探索,提出了一些新的想法及尝试,比如借助线上教学软件让演示实验仪器更高效地走进物理理论课堂,通过演示实验进行课程思政教育,让学生参与演示实验仪器的研发来培养学生的科研兴趣和创新能力等。在探索实践的过程中,我们也发现了许多阻碍演示实验有效开展的因素,比如理论课教师对课堂演示实验的重视程度不够、演示实验室的专职人员严重短缺、演示实验设备的管理维护需要加强、演示实验室的自研设备比例太低等。这些因素制约着物理演示实验室的可持续健康发展,本文也给出了相应的解决方案。希望本文的探讨能够对其他高校特别是筹备建设或者正在建设物理演示实验室的高校提供一定的参考,有利于更好地发挥物理演示实验在人才培养、科学研究和社会服务中的作用。