呂景林,魏心源

(復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系,上海 200433)

復(fù)旦大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐回顧

呂景林,魏心源

(復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系,上海 200433)

近年來各校物理演示實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模有了普遍的擴(kuò)大，但儀器的利用率卻有待提高。復(fù)旦大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室圍繞著如何讓物理演示實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面發(fā)揮盡可能大作用這一主題，進(jìn)行了一系列的教學(xué)實(shí)踐，包括將演示儀器用于理論課堂輔助教學(xué)；通過開設(shè)選修課，給學(xué)生提供一片自由發(fā)揮的空間；向全校以及社會開放實(shí)驗(yàn)室等。這些使得演示儀器在各個時間段都得到了充分的利用。特別是物理演示實(shí)驗(yàn)拓展這門選修課，因其獨(dú)特的開課方式，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力等方面效果顯著，受到了學(xué)生的歡迎，也得到了同行專家的好評，這門課于2014年被評為上海市精品課程。

物理演示實(shí)驗(yàn)； 教學(xué)實(shí)踐； 課堂演示； 創(chuàng)新平臺； 服務(wù)社會

0 引 言

隨著教育經(jīng)費(fèi)投入的增加，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施已經(jīng)擺脫了捉襟見肘的窘?jīng)r，為了教學(xué)和評估的需要，很多高校物理演示實(shí)驗(yàn)從無到有，從小到大，具有了一定的規(guī)模。據(jù)抽樣調(diào)查，截止2012年，75%以上的學(xué)校演示實(shí)驗(yàn)室的面積已達(dá)到和超過200 m2(抽樣學(xué)校32所，其中985學(xué)校15所，211學(xué)校7所，其他本科院校10所)，吉林大學(xué)的物理演示廳甚至達(dá)到1 000 m2。而與此不協(xié)調(diào)的是，有如此規(guī)模的演示實(shí)驗(yàn)室中，竟有近1/3的學(xué)校沒有一個專職的從事物理演示實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)員或教師，這使得演示儀器的充分利用受到制約，而長期下去，必然影響到演示實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)一步發(fā)展，如何充分發(fā)揮演示儀器的作用，走出一條演示實(shí)驗(yàn)持續(xù)發(fā)展的道路，本文回顧了我校近10年來在演示教學(xué)方面的實(shí)踐，與同行分享。

1 演示儀器用于理論教學(xué)

物理是一門實(shí)踐性的學(xué)科，縱觀物理學(xué)的發(fā)展歷程，每一個新理論都或源于對大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的歸納總結(jié)，或需經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)才得以確立。因而，一直以來，在物理理論的教學(xué)中借助于實(shí)驗(yàn)來再現(xiàn)物理過程、驗(yàn)證物理規(guī)律是必不可少的教學(xué)手段。這種以輔助理論教學(xué)為最初目的的實(shí)驗(yàn)被人們稱之為演示實(shí)驗(yàn)。

我校的物理演示實(shí)驗(yàn)室始建于上世紀(jì)50年代，一直以來，堅(jiān)持在理論課堂上使用演示實(shí)驗(yàn)是我校物理課程的一個傳統(tǒng)，這一傳統(tǒng)也得到了學(xué)校的支持，一年級的大學(xué)物理課一直盡量排在演示實(shí)驗(yàn)室所在的教學(xué)樓，為便于教師攜帶儀器進(jìn)行課堂演示，演示實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備了100多種儀器，這些儀器涵蓋了力、熱、電、光各部分知識點(diǎn)，大多具備輕便、小巧、易于操作、現(xiàn)象明顯、可重復(fù)性好等特點(diǎn)，此外還配了輕便的手推車，值班的老師會隨時向剛上課的青年教師介紹各種演示儀器的使用方法和特點(diǎn)，這些都為理論課的順利進(jìn)行提供了一定的支持。

從演示儀器的使用效果來看，大大活躍了課堂氛圍，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課堂的參與度大幅提高(圖1為學(xué)生參與課堂演示場景一例)，通過課堂演示，將各種物理過程生動、形象地展示出來，使學(xué)生對理論內(nèi)容本身有透徹的理解、深刻的記憶，在教務(wù)處的教學(xué)評估中，學(xué)生也會對經(jīng)常使用演示實(shí)驗(yàn)的老師表示贊許。

圖1 學(xué)生參與課堂演示

為了給課堂演示提供盡可能多的素材，演示實(shí)驗(yàn)室堅(jiān)持自主研發(fā)新儀器，近10年，根據(jù)教學(xué)需要研發(fā)的新演示儀器有19套先后在第8～12屆全國高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會儀器評比中獲獎，其中一等獎6項(xiàng)，二等獎9項(xiàng)，三等獎4項(xiàng)；獲專利5項(xiàng)，其中實(shí)用新型專利3項(xiàng)，發(fā)明專利2項(xiàng)；錄制實(shí)驗(yàn)錄像80段，這些補(bǔ)充的新資源進(jìn)一步豐富了課堂演示內(nèi)容，為物理課的教學(xué)增色添彩。

2 將演示實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的平臺

我國學(xué)生公認(rèn)的特點(diǎn)是理論計(jì)算能力強(qiáng)，實(shí)際動手能力差。這個動手能力不是指某種特定的手工技能，而是指在一切與實(shí)踐相關(guān)聯(lián)的過程中，理論與實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象。如對物理過程缺乏正確、清晰的物理圖像，以至于對實(shí)際出現(xiàn)的現(xiàn)象不會判斷和分析，哪些結(jié)果是在預(yù)想之中，哪些超出了預(yù)料，問題應(yīng)該從那些條件去找；腦子里只有數(shù)學(xué)公式，對各個影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素缺乏數(shù)量級的概念，不會半定量的估算，分不清主次；實(shí)驗(yàn)中對實(shí)驗(yàn)儀器和方法不做透徹的了解，所以當(dāng)需要將實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步深入時，顯得無能為力。另外缺乏良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，也是我們的學(xué)生中普遍存在的問題。如實(shí)驗(yàn)中沒有詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的習(xí)慣，只追求數(shù)據(jù)的多少，導(dǎo)致有時數(shù)據(jù)測得越多越糊涂。這些問題實(shí)際上是由于我們的教育長期重理論、輕實(shí)踐導(dǎo)致的。而且我們的實(shí)驗(yàn)課往往缺乏發(fā)散性，課上使用的儀器、方法往往都是設(shè)計(jì)好的，實(shí)驗(yàn)步驟也已經(jīng)給出，教師用自己的腦力勞動代替了學(xué)生的腦力勞動，久而久之，學(xué)生便喪失了發(fā)散思維，喪失了理論聯(lián)系實(shí)踐的能力，對實(shí)驗(yàn)的各個細(xì)節(jié)不會也沒有興趣去探究。

和物理實(shí)驗(yàn)課的儀器相比，演示儀器有種類豐富、涉及知識面廣、與理論課銜接緊密、演示手段多變、現(xiàn)象直觀有趣等特點(diǎn)，因而演示儀器在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力方面都有很大的空間?？紤]到物理課主要安排在上午，利用下午的時間，物理演示實(shí)驗(yàn)室又面向?qū)W生開出了物理演示實(shí)驗(yàn)拓展、設(shè)計(jì)性研究性實(shí)驗(yàn)以及一些研究性的項(xiàng)目。其中物理演示實(shí)驗(yàn)拓展是2010年新開出的專業(yè)選修課，這是一門頗具特色的課程，其特色表現(xiàn)在：

這是一門具有高度發(fā)散性的課程，它不以最后結(jié)果為導(dǎo)向，而以培養(yǎng)學(xué)生能力為目的，將演示實(shí)驗(yàn)室作為創(chuàng)新平臺，鼓勵學(xué)生大膽創(chuàng)新。

課程的發(fā)散性表現(xiàn)在課程從形式到內(nèi)心給學(xué)生松綁。形式上的松綁，體現(xiàn)在整個學(xué)期只有開學(xué)初兩次課是以教師為中心開展活動的，在這個時間里教師向?qū)W生介紹演示儀器的特點(diǎn)、本門課程的授課方式、考核方式等，隨后挑選一些儀器演示分析給學(xué)生看，這個過程旨在消除學(xué)生對演示儀器的陌生感和神秘感，找到一點(diǎn)分析問題的思路。之后的時間做什么、怎么做，全由學(xué)生自主選擇，這既有別于理論課的滿堂灌，又有別于通常實(shí)驗(yàn)課按照既定的方法完成既定內(nèi)容的上課方式，使學(xué)生有一種我的課程我做主的自豪感，煥發(fā)研究熱情；而內(nèi)心的松綁，則體現(xiàn)在研究題目本身的選擇沒有好壞之分，課題可以獨(dú)自承擔(dān)，也可以兩人合作，題目的來源可以自選也可以是從老師給出的題目中挑選。內(nèi)容可以是對現(xiàn)有演示儀器的原理探究、誤差分析、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，也可以是新演示儀器的設(shè)計(jì)、制作，還可以通過解剖身邊物品的結(jié)構(gòu)、原理，了解物理理論的實(shí)際應(yīng)用，體會設(shè)計(jì)者的縝密思考、精巧設(shè)計(jì)。這方面，我們鼓勵學(xué)生大膽拆卸，曾買回過舊的機(jī)械鐘、微波爐、電磁爐等供學(xué)生研究之用，如果對已選的題目失去興趣，隨時可以更換，一學(xué)期可以只研究一個題目也可以研究兩個或兩個以上的題目，如果題目太大，難度太高沒能完成也不會影響成績，一學(xué)期里誰的工作做得最多、最出色、進(jìn)步最快、收獲最大，誰就是成績優(yōu)異者。這樣學(xué)生選題時就不會焦慮、不會患得患失，注意力全部集中在課題研究本身上。

具體的，課程設(shè)計(jì)成4個階段。第1階段由教師擔(dān)任主角——師傅領(lǐng)進(jìn)門；第2階段是學(xué)生的自由體會階段，學(xué)生可以對演示室中任何感興趣的儀器進(jìn)行操作，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)儀器剖析、探究，通過2～3周的操作、體驗(yàn)、分析、討論等，確定接下來的研究題目；第3階段，經(jīng)過5～6周的研究實(shí)踐，大家坐下來談一下各自的研究進(jìn)展，每個課題10 min內(nèi)容做成ppt，包括研究的具體內(nèi)容、資料的查詢、探究的途徑、結(jié)果分析、后續(xù)工作計(jì)劃等；第4階段，再經(jīng)過6周左右的研究，各組做結(jié)題報(bào)告，時間仍然是10 min，對一學(xué)期的研究工作進(jìn)行總結(jié)、回顧。課程結(jié)束時，除提交兩次匯報(bào)的ppt外，還需提交一篇研究論文和每次的實(shí)驗(yàn)記錄，成績的評定主要參考一學(xué)期的表現(xiàn)。

這樣一門讓學(xué)生具有高自由度、高發(fā)散性的課程，讓學(xué)生耳目一新，給樂于實(shí)踐、勇于創(chuàng)新的同學(xué)提供了一個平臺，因而學(xué)生選課非常踴躍。由于學(xué)生的意愿和想法得到了最大程度的尊重，因而學(xué)生在課堂上表現(xiàn)出了空前的熱情。以往我們的課程總是要有一些措施來約束和督促學(xué)生，但在這里每節(jié)課學(xué)生們都在專注地傾情投入，無需督促，倒是經(jīng)常有人早來晚走，下課時間到了也渾然不覺。兩次的課題匯報(bào)起到了加油站的作用，雖然教師一再的說明本門課重在過程，結(jié)果是次要的，為了能讓自己的課題盡善盡美，學(xué)生還是會經(jīng)常主動找教師要求加課。學(xué)生在這門課中有機(jī)會充當(dāng)工程師、研究員、工人、甚至采購員，通過查閱文獻(xiàn)、探究、設(shè)計(jì)和制作，學(xué)生們學(xué)會了統(tǒng)籌考慮問題，學(xué)會了許多基本工具的使用，探究能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識都有很大的提高，在合作中，學(xué)會了與人溝通，在課題匯報(bào)中鍛煉了清晰的表達(dá)能力……。圖2所示為課堂剪影示意。

圖2 課堂剪影

在這樣的課程中，教師的位置已從“太陽”轉(zhuǎn)換成了“月亮”， 教師的工作是盡量為學(xué)生的研究創(chuàng)造條件，諸如工具、場地、材料、機(jī)械加工等，隨時關(guān)注各組的研究進(jìn)展，當(dāng)學(xué)生的研究遇到瓶頸時，及時與之展開討論，引導(dǎo)學(xué)生尋找突破口。由于學(xué)生的研究課題五花八門，涉及方方面面，這對教師是一個極大的挑戰(zhàn)。為了滿足學(xué)生的各種需求，及時給予他們有效的指導(dǎo)，教師要花費(fèi)更多的時間準(zhǔn)備，其中的辛苦是不難想象的，然而看到學(xué)生的迅速成長，這一切都變得那么的值得！這個課堂是雛鷹自由翱翔的藍(lán)天，是未來科學(xué)家的搖籃！

這樣一門特別的課很讓學(xué)生留戀，課程結(jié)束時會有同學(xué)意猶未盡，詢問后續(xù)是否還有類似的課程可以選，可見學(xué)生在這門課中真正體會到了創(chuàng)造的快樂，這是一門稱得上幸福指數(shù)很高的課程。學(xué)生說“我們在演示實(shí)驗(yàn)拓展課上自由自在的學(xué)以致用，這才是享受學(xué)習(xí)?！?通過知識的積累，完成能力的升華，才是我們的目的?！薄罢f實(shí)話，這是我上過的最自由的一堂課，也是讓我真正思考物理的一堂課。以前更多的時候，思考物理是為了做題。而在這里，思考物理純粹為了自己，為了自己想做的事?！?“沒有經(jīng)歷過的事情是不會產(chǎn)生情感的，唯有在這里思考過，設(shè)計(jì)過，絕望過，絕境逢生過，才會對這些產(chǎn)生真正的愛與期盼，才會真正渴望去探索物理，發(fā)自內(nèi)心，而不是成績。唯有這些可以點(diǎn)燃一個人心中的夢?！?/p>

伴隨著學(xué)生的成長，幾年來這門課也沉淀出一些研究成果：研究內(nèi)容已有兩項(xiàng)入選國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，一項(xiàng)申請到了學(xué)校的曦源計(jì)劃；發(fā)表文章7篇；編寫制作演示課件1件；設(shè)計(jì)并開發(fā)出可在互聯(lián)網(wǎng)上遠(yuǎn)程使用的靜電系列演示實(shí)驗(yàn)；6件學(xué)生參與研制的儀器在全國演示儀器評比中獲獎，其中一等獎3項(xiàng)，二等,1項(xiàng)，三等獎2項(xiàng)。2014年，這門課獲批上海市精品課程。

3 服務(wù)社會

在完成各項(xiàng)教學(xué)任務(wù)的同時，實(shí)驗(yàn)室還努力挖掘潛力，為盡可能多的人群提供服務(wù)，宣傳科學(xué)。如每周向全校學(xué)生開放2個下午，學(xué)生可以自由參觀或自行操作儀器，為文科生、留學(xué)生進(jìn)行專場演示，接待校內(nèi)學(xué)生社團(tuán)的參觀，接待部分中學(xué)生的參觀等，這些活動通過老師的講解和演示，收到了良好的社會效果。來自學(xué)生的反饋：“以后多搞類似的活動，這個活動應(yīng)該推廣到更多的專業(yè)里，為通識教育的進(jìn)行提供一個新的平臺。”“ 很有趣，讓我重新喚起了高中的物理學(xué)習(xí)經(jīng)歷?！?“突然產(chǎn)生了一種想在大學(xué)里學(xué)物理的沖動?！?“我今天看到了比以前16年所有總和還多的物理實(shí)驗(yàn),國民教育有很大潛能待開發(fā)?！?/p>

4 結(jié) 語

物理演示實(shí)驗(yàn)室近年來的所有工作都是圍繞著如何讓學(xué)生盡可能受益這樣一個宗旨，我們的目標(biāo)是以豐富的演示儀器為媒介，通過對物理理論的應(yīng)用，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析、討論、操作等方式，力圖在物理理論與實(shí)際應(yīng)用間架起一座橋梁，通過學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的探究能力，培養(yǎng)學(xué)生合理的思維方式和準(zhǔn)確的觀察判斷能力，以及清晰的溝通表達(dá)能力，將物理演示實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成為一個進(jìn)行綜合素質(zhì)教育的卓有成效的平臺。

未來一段時間的演示教學(xué)擬從事3個方向的工作。① 試圖借助于網(wǎng)絡(luò)反饋信息，嘗試了解課堂演示教學(xué)的最佳模式；② 嘗試將演示實(shí)驗(yàn)引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂中，探索以演示實(shí)驗(yàn)作為輔助的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式；③ 繼續(xù)通過研制儀器、拍攝錄像等途徑進(jìn)一步豐富演示資源，全方位的發(fā)揮演示實(shí)驗(yàn)的作用，走出一條不斷創(chuàng)新，持續(xù)發(fā)展的道路。

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Review of Teaching Practice of Physics Demonstration Experiments in Fudan University

LüJinglin,WEIXinyuan

(Department of Physics,Fudan University,Shanghai 200433,China)

In recent years,with the prompt development of physics demonstration lab in many Chinese universities,the sharply expansion of lab space and the rapid increase of physics demonstration instruments are conspicuous.However,the efficiency of demonstration instruments utilization still needs to be improved.Around the theme of maximizing the impact of physics demonstration experiments in the development of students’ core abilities,a series of teaching practices have been made to fully utilize the physics demonstration instruments in physics demonstration lab of Fudan University.The practices include to introduce more physics demonstration instruments in theoretical course teaching,offer the students optional course and allow them to think creatively and practice freely; open laboratory to the whole university and the public,etal.Especially,the course of “Extensional Physics Demonstration Experiments” is warm welcomed by the students,due to its unique way of teaching,the prominent efforts in students’ innovative thinking and creative abilities training.The teaching effectiveness is also highly appreciated by the peer experts.This course was elected “Excellent Course of Shanghai” in 2014.

physics demonstration experiments; teaching practice; classroom demonstration；innovation platform; community service

2016-07-11

呂景林(1959-)，女，湖南永州人,副教授，物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心副主任，研究方向?yàn)槲锢砝碚摷皩?shí)驗(yàn)的教學(xué)和研究。

Tel.:13032107800; E-mail: lvjinglin@fudan.edu.cn

O 4-33

：A

：1006-7167(2017)07-0178-04