吳海娜，楊廣武，公衛(wèi)江，陳肖慧

(1.東北大學(xué),遼寧 沈陽 110819；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

隨著高等教育教學(xué)改革的深入,教育部近年來提出實(shí)施一流課程建設(shè)的“雙萬計(jì)劃”。教育部在《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》中指出，要解決好教與學(xué)模式創(chuàng)新的問題，通過教學(xué)方法創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)課堂教學(xué)的改革，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，激發(fā)課堂生機(jī)活力，進(jìn)一步提升卓越拔尖人才培養(yǎng)能力[1]。大學(xué)物理課程作為高校理工科專業(yè)大學(xué)生的重要公共基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)及創(chuàng)新能力方面起著不可替代的作用。因此，建設(shè)一流課程指導(dǎo)思想提出后，如何在大學(xué)物理教學(xué)中體現(xiàn)以學(xué)生的學(xué)為中心，切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，是教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)。鑒于此，本文主要探討如何將演示實(shí)驗(yàn)和大學(xué)物理課堂講授密切配合來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并提高學(xué)習(xí)成效，以同一學(xué)期同一教學(xué)班的大學(xué)物理課程教學(xué)旋轉(zhuǎn)矢量法知識(shí)點(diǎn)輔以演示實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)分析了加入演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)的前測、后測和長測數(shù)據(jù)結(jié)果，考查演示實(shí)驗(yàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的效果并探索演示實(shí)驗(yàn)與大學(xué)物理教學(xué)有機(jī)融合的有效途徑。

1 問題提出

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科的特點(diǎn)，要求物理學(xué)要以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，一切理論最終要經(jīng)受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。演示實(shí)驗(yàn)可以直觀、生動(dòng)的展現(xiàn)物理現(xiàn)象和規(guī)律，是輔助大學(xué)物理課程教學(xué)的重要手段。一方面可以吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，另一方面也可以加深對物理抽象理論的理解，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。那么，如何展示演示實(shí)驗(yàn)?zāi)?？已有多所高校積極開展了各種嘗試，例如建設(shè)專門的演示實(shí)驗(yàn)室，集中學(xué)生在特定的時(shí)間進(jìn)行若干個(gè)實(shí)驗(yàn)的集中演示，可以保證實(shí)驗(yàn)儀器的高效利用及高質(zhì)量演示，但短時(shí)間內(nèi)展示大量的實(shí)驗(yàn)，有可能因?qū)W生對實(shí)驗(yàn)背后的理論知識(shí)準(zhǔn)備不夠而流于只是觀看現(xiàn)象[2，3]。還有些高校專門拍攝演示實(shí)驗(yàn)視頻，供教師在課堂上按照講授內(nèi)容的需求進(jìn)行播放，省卻了演示實(shí)驗(yàn)室專人管理及調(diào)試成本[4-6]。學(xué)生觀看演示實(shí)驗(yàn)視頻對理解課堂內(nèi)容有一定積極作用，但觀看視頻代替不了實(shí)物展示，現(xiàn)場展示會(huì)給學(xué)生更直觀的感受，實(shí)際操作并親眼看到物理現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)會(huì)更加深刻。

在大學(xué)物理課堂教學(xué)中根據(jù)課程內(nèi)容輔以天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)自主研制、具有多項(xiàng)專利的便攜式演示實(shí)驗(yàn)儀、如旋轉(zhuǎn)矢量演示儀、駐波演示儀和波動(dòng)光學(xué)演示儀等，這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)是為了使學(xué)生獲得直觀的感性認(rèn)識(shí)，了解物理研究方法并更好地理解物理概念及基本規(guī)律。那么，如何定量評(píng)價(jià)課堂演示實(shí)驗(yàn)對大學(xué)物理的教學(xué)過程產(chǎn)生的實(shí)際效果呢？本文采用測試形式，對輔以演示實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)課前、課后及過一周后進(jìn)行測試，對學(xué)生答題數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)課堂演示實(shí)驗(yàn)對學(xué)生保持知識(shí)理解的長期性起積極作用。

2 效果評(píng)價(jià)過程

2.1 測試對象及流程

為了保證測試環(huán)境及條件的一致性，以東北大學(xué)2020-2021學(xué)年秋季學(xué)期修讀大學(xué)物理(熱學(xué)、振動(dòng)和波動(dòng)、光學(xué)、量子物理)的材料成型專業(yè)2019級(jí)一班至四班的全體學(xué)生(79名，其中7名為女生)為測試對象，按照正常教學(xué)大綱順序安排教學(xué)，選取“振動(dòng)”這一章節(jié)“簡諧運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矢量表示法”知識(shí)點(diǎn)結(jié)合演示實(shí)驗(yàn)來教學(xué)。旋轉(zhuǎn)矢量法是研究簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)常采用的一種比較直觀的幾何描述方法，在描述簡諧運(yùn)動(dòng)和處理振動(dòng)的合成問題時(shí)提供了簡捷的手段。但在以往的實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)的圖文說明來講解旋轉(zhuǎn)矢量法，學(xué)生不是能很好地了解。倘若用簡諧振動(dòng)旋轉(zhuǎn)矢量演示儀，將相位這一重要的概念可視化，可以大大降低其抽象性。測試流程詳見圖1,一共為三步，第一步為前測，考查在講解的知識(shí)點(diǎn)之前學(xué)生所掌握的情況；第二步為后測，考查課堂上講解知識(shí)點(diǎn)并輔以演示實(shí)驗(yàn)之后學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；第三步為長測，考查時(shí)隔一周后學(xué)生對上次結(jié)合課堂演示實(shí)驗(yàn)講解的知識(shí)點(diǎn)的掌握程度。圖2是用旋轉(zhuǎn)矢量演示儀結(jié)合課堂教學(xué)現(xiàn)場實(shí)拍(演示實(shí)驗(yàn)儀由天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)楊廣武老師研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供)，圖3是磁吸式旋轉(zhuǎn)矢量演示儀。

圖1 演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合大學(xué)物理課堂效果評(píng)價(jià)流程示意圖

圖2 大學(xué)物理課堂教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

圖3 旋轉(zhuǎn)矢量演示儀(磁吸式)

2.2 測試結(jié)果與效果分析

通過上述三步測試設(shè)計(jì)實(shí)施，收到的有效測試份數(shù)分別為77、76和79份。每次測試均有5道選擇題，前測考查對簡諧振動(dòng)的基本概念，后測和長測主要考查相位。學(xué)生答題情況如圖4所示，橫坐標(biāo)為答對的學(xué)生人數(shù)，縱坐標(biāo)為題號(hào)，對每道題，條狀圖從上到下分別為長測、后測和前測答對學(xué)生人數(shù)。

圖4 學(xué)生三步測試答題情況

從圖中可以看出，學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較好，多于一半的學(xué)生可以完全答對，尤其是前測的第一題和第五題，答對人數(shù)占87.34%以上。講解新的知識(shí)點(diǎn)并輔以演示實(shí)驗(yàn)之后，對新知識(shí)點(diǎn)的現(xiàn)場學(xué)習(xí)效果不是很明顯，只有第三題答對人數(shù)超過60人，其他四道題的正確率幾乎在50%以下(第五題略高于50%)。但是，時(shí)隔一周之后的長測會(huì)發(fā)現(xiàn)，除了第三道題(計(jì)算稍微復(fù)雜一些)外，其他四道題答對人數(shù)均比后測情況顯著提高。上述測試結(jié)果表明，大學(xué)物理課堂教學(xué)輔以演示實(shí)驗(yàn)，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律，對學(xué)生掌握知識(shí)的長期性有積極的促進(jìn)作用。

在其他知識(shí)點(diǎn)如駐波及波動(dòng)光學(xué)中雙縫干涉、單縫衍射時(shí)課堂上也引入演示實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生表示非常感興趣，以前只是在書本以靜態(tài)圖片的形式或視頻的平面感官，現(xiàn)在親眼看到實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象，會(huì)覺物理其實(shí)就在身邊，并不枯燥。但由于課時(shí)有限，課上只能給學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并簡單介紹其理論原理，演示實(shí)驗(yàn)儀的其他定量分析測量等作用沒有完全發(fā)揮出來。

3 結(jié) 語

本文以修讀大學(xué)物理課程的同一教學(xué)班工科專業(yè)學(xué)生為研究對象，在大學(xué)物理課堂教學(xué)中引入現(xiàn)場演示實(shí)驗(yàn)，以其中一個(gè)知識(shí)點(diǎn)“旋轉(zhuǎn)矢量法”輔以演示實(shí)驗(yàn)為例，給學(xué)生布置前測、后測和長測的三步測試，詳細(xì)分析測試數(shù)據(jù)結(jié)果，考查大學(xué)物理課堂中引入演示實(shí)驗(yàn)后對學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)引入演示實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對課堂知識(shí)點(diǎn)的印象會(huì)比較深刻，對學(xué)生掌握知識(shí)的長期性有積極的促進(jìn)作用。上述研究是將融入演示實(shí)驗(yàn)前后學(xué)生對知識(shí)點(diǎn)掌握程度和存留時(shí)間效果影響的初步探索，僅在有限的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)開展，且尚未實(shí)施加入演示實(shí)驗(yàn)和不加入演示實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)課堂教學(xué)對比實(shí)踐分析。若能在控制影響因素統(tǒng)一的前提下增加對比分析并跟考試成績分析相結(jié)合，將對探索演示實(shí)驗(yàn)與大學(xué)物理教學(xué)有機(jī)融合提供更豐富多維的有效途徑，切實(shí)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。