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摘 要：演示实验是大学物理课程教学中的一个重要实践环节，对提高学生的学习兴趣以及培养学生的科学素养方面有着重要的促进作用。文章分析了大学物理课堂教学与演示实验有机融合的重要性，并在分析大学物理课堂教学中演示实验的现状以及存在的薄弱环节的基础上提出了将演示实验与课堂教学有机融合的有效方式。针对力学和光学课程教学中的抽象物理规律以及重点和难点，分别录制了演示实验视频，并辅以分析和探究性问题设置，为授课教师的随堂即时演示提供了相关素材和多媒体教学手段，实现了课堂教学和演示实验的有效融合。
关键词：大学物理；演示实验；新工科
本文引用格式： 严非男， 等 . 新工科背景下大学物理教学与演示实验有机融合的探索与实践 [J]. 教育现代化 ,2020,7(34):137-140.
一 引言
为了适应经济发展的需要，理工科高等院校全面推行工程教育，提出了“新工科”建设的概念， 其本质就是为新时代中国特色社会主义建设培养和输送适应经济发展、具有卓越能力的创新型合格人才。大学物理课程作为高校理工科专业大学生的重要必修公共基础课程，在锻炼学生的思维方式、培养学生的科学素养以及发现问题并独立分析和解决问题的创新能力方面有着其它课程所不能替代的作用。因此，“新工科”概念提出后，如何更加有效地进行大学物理课程教学，如何加强大学物理课程中的实践环节并突出创新因素，如何提高大学生对物理的兴趣和重视程度，对人才培养质量的提升显得尤为重要。在这种背景下，演示实验作为大学物理课程教学中的一个重要实践环节，应该得到足够的重视和应用。因此，如何在现有条件基础上开发大学物理演示实验的有效教学方式，把演示实验有机融入课堂教学，真正有效地辅助课堂教学，已成为了当前的一个热点问题。为此，我们进行了一些有益的探索和实践。
二 大学物理课堂教学与演示实验有机融合的重要性
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010— 2020 年）》指出 [1]：“ 我们要创新人才培养模式， 注重学思结合，激发学生的好奇心，培养学生的兴趣爱好，营造独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境”。《纲要》中把独立思考、勇于创新作为人才培养的重心，为了达成这一目的，大学物理课程也应该从培养目标、培养模式、教学内容以及教学环境和手段上认真研究和探索。
物理学是一门理论和实验紧密结合，实验、观察和科学思维相互结合、相互促进的学科 [2]。纵观物理学发展的历史，物理学概念的提出、物理定理以及定律的形成和发展，都是建立在对事物的实际观察和科学实验研究的基础上。同时，理论和假设是否正确最终也要接受实验及事实的检验。因此， 大学物理课堂教学中应该体现这些特性，既要重视理论传授，也要强调实践指导。必须注重每一个概念的起因和发展，强调如何从实际问题中提取物理模型并将结果反馈到技术应用中，必须体现出理论和实践相结合的特征，体现出新工科专业的变化， 只有这样，才能让大学生体会到物理课的鲜活性和实用性，从而激发学生的好奇心，培养学生对物理的兴趣。
演示实验是大学物理课堂教学中重要的实践环节之一。教育部在《理工科类大学物理课程教学基本要求》中明确指出 [3]：“大学物理课程的主要内容都应有演示实验（实物演示和多媒体仿真演示），其中实物演示实验的数目不应少于 40 个”。由此可见， 演示实验对大学物理理论教学具有十分重要的作用和意义。一些抽象的理论知识和物理过程如果仅仅依靠教师在黑板上演算，学生是很难理解的。但是通过演示实验，可以将黑板上静态的物理过程进行动态的演示，立刻使得抽象的理论变得形象具体， 从而直观、生动地展现物理过程的发展规律，加深学生的感性认识，促进学生对理论教学内容的理解和思考，极大地激发学生的学习兴趣，使学生认识到物理不是枯燥理论的堆砌，而是蕴含着生活中一切事物的道理，是生动鲜活的。同时，通过对演示实验现象的讨论和分析，可以培养学生观察并提出问题、分析问题和解决问题的能力，从理论和实践两方面提高学生的综合素质和科学素养，培养学生的创新意识和能力。因此，大学物理演示实验是辅助大学物理理论教学过程中的重要手段之一。
三 大学物理课堂教学中演示实验的现状
在目前国内大部分高校中，由于专业发展和专业评估的需要，致使在学生培养方案中大学物理课程的学时面临逐渐被压缩的现状。在这种情况下， 如何在已经很少的理论授课学时中让演示实验在课堂上占有一席之地，与课堂授课有机融合，发挥其应有的作用，需要任课教师从培养合格人才的高度出发，在主观思想上提高认识，在客观上克服困难， 想方设法，见缝插针，努力让演示实验以合适的方式出现在课堂上。
随着国家对高等教育重视力度的不断加大，大部分高等院校相继建立起了专门的物理演示实验室， 演示内容也逐渐趋于全面充实，涉及大学物理中的力学、振动与波动、热学、电磁学、光学以及近代物理等分支的相关知识点。同时，演示实验展示的方式也呈现多样性，越来越丰富，例如有的高校设置了开放演示、走廊展厅以及演示实物随堂演示等方式 [4]，有的学校还开设了演示创新实验室，供学生自主设计演示实验或者对现有的演示实验进行改造和升级。在上述教学方法的使用上，由于自身的条件不同，不同的学校可能侧重点不尽相同，但总体而言，可能都显得不够系统和规范，没有形成一套使用演示实验的完整的教学体系和规章制度。另外， 任课教师对演示实验的重视程度不够，对演示实验的使用上显得较为随性，致使演示实验的作用没有得到足够的体现 [5]。当然，出现这种情况除了教师个人的主观因素之外，更多的是受到诸多客观条件的限制。例如，演示实验一般都是在特定的实验室中进行演示，由于课堂教学的学时较为紧张，教师不可能多次召集学生到实验室观看演示实验；另外， 演示实验往往是在特定的时间里进行若干个实验的集中演示，这样就有可能造成某些演示实验的内容是理论课中尚未讲授到的，使得学生在观看演示实验时，对演示的内容不甚明了，对演示的目的理解不透，对实验的细节关注不够，从而造成与课堂理论教学的严重脱节。其次，大学物理作为公共基础课， 一般在教学进度安排上高度一致，所有的任课教师在相同的时段讲授的是相同的教学内容，这就使得有限的演示仪器很难在所有课堂同时进行演示。而且，不少高校的演示实验室都集中在实验楼里，不在教学楼里，有的学校里演示实验室和教学楼甚至不在同一校区，这也使得演示实验仪器的搬运、调试变得更加困难，不能很好地跟随课堂教学的节奏进行随堂演示。
四 录制演示实验视频并实现随堂即时演示
为了解决上述问题，使得演示实验能够在课堂上发挥其应有的作用，我们认为可以在演示实验与课堂教学有机融合的方式上想办法、找点子。例如， 将演示实验拍摄成视频，不失为一种好的办法。为此， 我们进行了一些有益的尝试和探索。
（一） 演示实验视频随堂即时演示的优势
演示实验视频随堂即时演示的优势主要体现在以下四点。首先，拍摄演示视频最重要的优点在于节省课时。任课教师可以在拍摄视频之前，对课堂教学中的重点、难点以及需要演示实验进行辅助讲解的内容进行整理和讨论，然后针对每一个演示主题制定出合理的拍摄方案，并对拍摄过程中如何合理地展示物理过程进行详细的推敲。也就是说，拍摄视频可以把演示实验的调试过程在课堂之外得以完成，从而节省了宝贵的课堂授课学时。第二，演示视频资料便于复制、存储、共享和携带，录制完成后可供所有老师在不同的教室同时使用，不受时间和空间的限制，这样就克服了演示实验“道具”有限和搬运困难的问题。第三，现在很多教室都配置了多媒体播放装置，授课教师可随身携带演示视频，随时按照讲授内容的需求即时进行演示播放，使得演示实验的内容与课堂授课内容完全匹配，真正有效地发挥出演示实验辅助课堂教学的作用；并且演示实验视频可多次重复播放，直至学生理解为止，灵活方便的同时仅占用极少的课时； 教师在播放演示实验视频时，还可以随时暂停，然后辅以富有启发性的问题，引导学生一边观察一边思考，既丰富了教学内容，活跃了课堂气氛，又能加深学生对物理模型和规律的理解和掌握。第四，用演示视频代替实物演示，省却了专人管理和调试过程，节省了人力、物力和财力，在不影响教学效果的情况下， 极大地提高了上课效率。
（二） 演示实验视频的制作
我们在我校实验中心现有设备和条件的基础上，针对力学和光学课程教学中的抽象物理规律以及重点和难点，分别录制了相应的演示实验视频，并辅以适当的分析和探究性问题设置，从而为课堂教学提供相关的演示实验视频素材。授课教师可以根据教学内容的需要随时调用相关的演示实验进行随堂即时演示，调动学生的学习主观能动性，激发学习物理的兴趣，实现课堂教学和演示实验的有效融合。在制作演示实验视频的过程中，除了视频制作的技术、场地和环境等条件需要合适之外，我们更注意到仪器操作者对实验现象和操作过程的熟悉程度，确保录制的实验现象具备合理的逻辑性和条理性，能够启发学生在观察中思考，从而提高学生对所学知识的分析、理解和掌握，使演示实验与课堂教学内容同步有机融合。
在后期视频制作上，我们对每一个演示实验均做了醒目的标题，配以优美活泼的音乐，在加深学生对物理模型和规律的理解和掌握的同时，活跃了课堂气氛，提高了艺术性和审美感；同时，任课教师也可采用静音模式，代之以教师的讲解和提问； 另外，每个视频均有文字说明和问题设置，以供任课教师参考和选择。
（三） 力学演示实验
我们之所以首先选择力学演示实验进行录制， 是因为力学的基本原理是整个物理学的重要基础， 它包含许多基本的概念、方法和理论，需要学生极为准确地加以掌握，以备后继学习之用。例如，动量、动量定理以及动量守恒等概念，力矩、角动量、角动量定理及守恒定律等知识点，质心以及质心运动定理的应用，刚体的运动规律等，都是力学课堂教学中较为抽象的内容，同时也是重点和难点。
根据校实验中心的现有设备和条件，针对力学， 我们录制了单摆以及碰撞与平抛运动演示、滚摆演示刚体运动及能量转化、离心惯性力演示、五联球碰撞演示、椎体上滚演示刚体滚动及质心运动定理、茹可夫斯基转椅演示角动量守恒等六个演示实验。例如，如图 1 所示为单摆以及碰撞与平抛运动演示实验。首先通过初始条件的改变，可以使得单摆到达最低点时获得不同大小的速率，在这个过程中使学生理解动能和势能之间的转化关系；其次，当单摆到达最低点时，令单摆小球与另一个静止的不同质量的小钢球发生对心碰撞，这时，根据动量守恒定律，小钢球将获得一个水平的初速度，然后做平抛运动；获得的初速度越大，小球的落地点就越远。这样，学生对碰撞过程中的动量守恒、能量守恒以及平抛运动的规律就有了直观的理解。图 2 为滚摆（也称为麦克斯韦轮）演示实验仪。中间装有转轴的圆盘通过悬线缠绕构成滚摆，在轴保持水平的情况下，通过悬线均匀绕在轴上，可以使得滚摆到达一定的高度；这时放手任其由静止下落，可以看到，在重力作用下，滚摆向下滚动，在这个过程中，重力势能转化为轮的转动动能和质心的平动动能，当下降到最低点时，轮的转速达到极大值，意味着这时刚体的转动动能达到最大；然后，轮会反向卷绕悬线，向上滚动，从而将动能转化为势能，随着滚轮的位置升高， 其转速减小；如此反复运动。该演示实验可以使学生明白刚体的运动可看成质心的平动和绕质心的转动的叠加，分别遵循质心运动定理和转动定律；其次，运动过程中机械能守恒，动能和势能可相互转化；另外，还可进一步帮助学生理解克尼希定理。图 3 为离心惯性力演示仪。把石蜡球和塑料球分置于管子的两侧，中间用塑料隔离圈分开。启动控制开关并调节转速，使其由低向高增速，可以发现当达到一定的旋转角速度时，石蜡球和塑料球因为受到惯性离心力的作用而向玻璃管两侧移动；因为石蜡球和塑料球的质量不同，因此它们会在不同的时刻（即代表不同的转动角速度）开始往管子外侧移动。这样，学生就理解了惯性力的方向确实是沿着离心方向的，另外，它的大小与转速和质量有关。
图 1 单摆、碰撞与平抛运动演示装置示意图 图 2 滚摆演示实验仪
图 3 离心惯性力演示仪
（四） 光学演示实验
物理学中的光学课程，例如波动光学中的干涉、衍射和偏振等现象，充满了动态演变的过程，若仅凭课堂教学，需要学生具有较强的逻辑推理与光学空间图像的想象能力，这对于大部分学生而言存在一定的困难，直接影响学生对相关现象的理解和掌握。另外，在光学的教学内容中存在大量的光路和丰富的光学图像，而且光学图像大多复杂多变，采用手工黑板作图或者通过多媒体投影显示的光学图像都不够形象、逼真，并带有主观意识。因此，光学课程非常适合于运用演示实验这种教学方式来客观地真实展现各种抽象、动态演变的光学规律，加深学生的感性认识，提高学生的学习兴趣。
针对光学，我们录制了杨氏双缝干涉、双圆孔干涉以及迈克尔逊干涉仪模拟薄膜干涉等三个光的干涉演示实验；录制了单缝衍射、单丝衍射、圆孔衍射、一维光栅与二位光栅衍射等四个光的衍射演示实验；还利用偏振片来演示光的起偏和检偏过程以及马吕斯定理。在杨氏双缝干涉和双圆孔干涉实验中，我们采用了不同宽度和不同间距的双缝以及不同孔径和不同间距的圆孔，使学生了解干涉条纹的分布是如何随着这些参数而变化的，进而对课堂上的相关公式加深印象和理解。在光栅衍射实验中， 我们也尝试了不同结构参数的光栅，让同学们可以比较它们所产生的衍射花样之间的区别，理解光栅常数以及光栅缝的数目对衍射花样的影响；同时我们把两片一维光栅相互垂直放置，这样就形成了一个二维的光栅。从一维到二维光栅衍射花样的变化当中，同学们深刻理解了课堂上所提到的衍射发比的规律；另外，我们分别用单色光和白光入射，使同学们直观地观察到光栅光谱的形成以及在光谱中不同波长的光谱线的位置以及谱线重叠的现象。在光的偏振实验中，我们用自然光作为光源，用两个偏振片分别作为起偏器和检偏器，其中偏振片的偏振化方向可以通过角度进行定量测量。从接收屏上的光强分布，可以清楚看出当自然光通过偏振片后， 无论偏振片（起偏器）如何转动，光强都是恒定不变的。这样的光再通过第二个偏振片，随着第二个偏振片（检偏器）转动一周，可以看到透出的光强出现了两次消光和两次极大，这说明过来的光是线偏振光。我们在整个演示过程中连续操作，从而可以让学生看到光强的动态变化，使得相关的概念直观明了。
五 结语
在新工科背景下，为了更加有效地发挥演示实验在物理课堂教学中的实践和辅助作用，我们在二者有机融合的方式上进行了有益的尝试和探索。在我校实验中心现有设备和条件的基础上，根据大学物理课堂教学中的抽象物理规律以及重点和难点， 针对力学和光学两个分支，分别录制了相关的演示实验视频，并辅以适当的讲解和探究性问题设置， 从而为课堂教学提供演示实验的相关素材，使得授课教师可以根据教学内容的需要随时调用相关的演示实验进行随堂即时演示，较好地实现了课堂教学和演示实验的有效融合 [6-8]。
参考文献
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[2]王金玉，赵言诚，孙秋华 , 等 . 浅谈演示实验在大学物理教学中的作用 [J]. 教育教学论坛，2018，20：208-209.
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[8]文晓艳 , 吴也 . 虚实结合下的大学物理实验教学模式分析 [J]. 教育现代化 ,2019(14):53-55.
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