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标题

著名物理学实验在西藏大学物理课堂上演示的教学设计

范文

周毅周艳霞

摘? 要：物理学是一门实践性很强的基础科学，许多经典理论都是经过反复实验、分析、验证、归纳得出来的。西藏大学在2019年建成了演示物理实验室，在分析了以往的实验室条件及教育教学水平之后，面对各种各样不同的生源，通过如何演示经典著名实验、分级教学模式、其它实践教学方法三个方面进行了详细的教学设计，让著名的物理学实验在大学物理课堂上演示，丰富教师教育教学水平，提成学生科研及学习兴趣。随着演示实验室软硬件的不断提高与完善，将为建设西藏培养更多的靠得住、用得上、留得下的人才。

关键词：物理实验;大学物理;演示;教学

中图分类号：G642? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2096-000X（2020）16-0122-05

Abstract： Physics is a fundamental discipline involving practice. A lot of classic theories were concluded after repeated experiments， analysis， verification and induction. Tibet University established its Demonstrative Physics Laboratory in 2019. For this we thoroughly redesigned our teaching process which aims to be suitable for students from various backgrounds， from the aspects of the way to demonstrate classic experiments， grading teaching model and other practical teaching methods， after analyzing our previous conditions of laboratory and teaching level. Therefore， we can increase the teaching level of the faculty and students' interest in study and scientific research by demonstrating famous physics experiences in the college physics class. With the constant upgrading and perfection of the laboratory in both hardware and software， we will cultivate more reliable， practical and loyal talents for Tibet's development.

Keywords： physics experiment; college physics; demonstrate; teaching

一、概述

在物理学的发展史上，有许多著名的物理学实验帮助我们认识并了解大自然。如：马德堡半球实验让人们认识了大气压;牛顿的棱镜分解太阳光实验让众人了解到太阳光的颜色及太阳光谱[1-4]。各种各样的经典著名的物理学实验指引着物理学的前进和发展方向[5]。在日常的大学物理相关课程教学中，大部分的经典理论知识都是由著名的物理学实验得出[6-8]。在我校以往的教学过程中，这些实验受到实验室条件及实验设备的局限性，并不能完美、灵巧、方便的展现出来，借助实验去理解理论知识的教学方法甚少。然而，随着我校演示物理实验室的建成，一些曾经不方便演示的物理学实验出现在实验室甚至是课堂上，丰富了任课教师的教学方法，提升了同学们的学习兴趣。

二、西藏大学《大学物理》等物理学课程教学现状

（一）理论教学与实验教学分属两门互相独立的课程

以西藏大学理学院为例，根据2014版培养方案，我院现面向全校开设《大学物理》课程，面向物理专业（包括物理教育与物理实验方向）开设力、热、光、电、原子物理等物理学基础课程，这些课程的理论学时为72学时，实验学时为36学时。理论课程按照理论课教学大纲，由物理系教师在理论教室任课，实验课程按照单独的实验课程教学大纲，由实验中心教师在基础实验室任课，彼此之间联系与交流甚少。久而久之，理论课教师基本不进实验室，实验教师也从来不讲理论的现象产生。不管是对于我们日常教学，还是学生们的学习效果都造成了一定消极的影响。

（二）本科物理教学实验室现状

建校初期，如图1所示：每间实验室设计为60m2，物理专业实验室总共10间，现随着高等教育的扩招，若一个班学生按照35人计算，平均每生不到1.8m2，距離高等院校实验室建设标准[9]的要求每生5-7m2相距甚远，实验室较拥挤。

实验设备台套数缺乏。每项实验最多能准备6-8套设备，2-4个学生为1组进行实验，一次课最多有16名学生参加，一个班按照35人左右计算，一学期36个学时的实验课，学生最多学习7个实验，目前实验课都是将一个班学生分为两大组进行实验教学。

实验室师资力量不足。目前实验中心除对本院物理系学生开设基础实验，还面向数学系、工学院、藏文信息技术等学院开设《大学物理实验》课程。但中心目前仅有4名专职实验教师，教师本身在担任大量实验课的同时，还需承担一定行政工作量。

（三）物理类课程生源现状分析

目前物理类课程学生主要是理工科的学生，且每班一半学生来自区外，一半学生来自区内少数民族地区，学生们的知识背景不同，民族文化也存在差异。2017年开始，物理专业又根据上级部门要求，招收并培养物理师范实验方向学生。不同的生源，不同的培养目标，在一成不变的教学模式下，很难面面俱到，兼顾每位学生的学习。

三、著名物理学实验在大学物理课堂上演示的教学方法

在教学效果提高的迫切需求下，在中央支持地方高校改革发展专项资金的支持下，我校建立了演示物理实验室，如图2所示，演示物理实验室的建成，不仅提高了基础实验室的硬件，也让枯燥的物理课程增加了趣味性，让老师们找到了更多的教学方法。

如图3所示：为了更好的解决提升学生学习大学物理课程的兴趣，我们从实践及理论两个方面入手：一是将演示实验融入大学物理理论教学中，二是对引入演示实验后的教学效果进行分析。

（一）如何演示著名的物理学实验

一方面，在大学物理课程中，加入与理论知识相关的著名的物理学实验[10]。大学物理类的课程，根据培养方案，一般都是一周4学时，每2个学时一个知识点，在讲授这些知识点的前夕，也就是在上课开始时，进行一个实验的演示，不超过5分钟，这样也没有占用过多的理论课时间，也能瞬间吸引学生兴趣。例如：在讲授“大气压强”这个知识点，我们首先向学生提出问题：什么是大气压强？一个标准大气压如何去量化？在理论课的书本上可以得知：气压是作用在单位面积上的大气压力，即在数值上等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力;1标准大气压（atm）=101325帕斯卡（Pa）。单一接受这些理论概念，有些学生可能难以理解，也可能提出问题：我们生活在大气中，1标准大气压有十万多帕斯卡，那为什么我们没有感受到大气压？这些问题，如果老师们再用理论知识去计算，硬生生的得出答案，久而久之，学生们会觉得枯燥乏味，失去对物理学的兴趣。这个时候，经典的物理学实验就起到了很好的作用，我们都知道，著名的“马德堡半球实验”证明了大气压的存在，这时候如果能够在课堂上给学生们演示一下，既能很好的提升学生们的兴趣，也能简单明了的让学生们理解大气压强的理论概念，但我们不可能将两个大大的半球和几匹马在狭小的教室里演示，既费时又费力。随着演示物理实验室的建成，演示教具也可以带入课堂。

如图4所示：两个简易的塑料吸盘就可以模拟“马德堡半球实验”，仅需要将两个吸盘贴在一起，挤出它们之间的空气，大气就会将它们紧紧的压在一起，随机找两名学生让他们将两个塑料吸盘拉开，让他们去亲自感受大气的力量，由于在拉开的瞬间，大气迅速进入吸盘中间，会与吸盘产生剧烈的摩擦，拉开的同时也会伴随巨大的声响。从触觉、视觉、听觉等多方面让学生们感受大气压强，这样就能很好地理解理论知识。如果每个知识点都有一个类似的典型实验演示，一个学期下来，演示的实验至少可以达到36个，很大的丰富了我们的课堂。

另一方面，在演示实验应用的过程中，加入此类实验的物理学背景、物理学历史等教学内容，例如：在讲授“重力加速度”时，不仅仅演示著名的“伽利略自由落体实验”，也将当时的历史背景穿插在课程教学中[11-13]，使学生们也了解这个实验为什么在后世广为流传，学习伽利略的这种勇于批驳谬论，用实验去验证真理的科学精神，不仅增加了教学的生动性，也从社会科学的角度增加了学生学习的兴趣。

（二）针对不同生源、不同培养目标的分级教学模式

西藏大学各个专业每年通过高考招收两类生源的学生（区内生源及区外生源），两类生源的录取分数线不一样，区外生源主要招收区外汉族同学，按照当地二本批次招录，区内生源主要招收本地少数民族同学，按照区内普通本科招录。且均招收高海拔定向、国家贫困专项、地方专项生源学生。一个班的学生高考分数相差最多甚至达到256分，不同的教育背景，不同的学习基础条件，理解知识的能力也是不一样的，如果按照一个要求去教学，肯定会出现接受知识水平的不一样，这就要求我们的教学模式也必须随之改变。

根据上级部门要求，2017年开始，我校招收物理教育与物理实验方向学生，物理教育方向主要为西藏自治区各地区培养从事中学物理理论教学的教师，物理实验方向主要为西藏自治区各中学培养从事物理实验教学的教师。不一样的培养目标，培养方法也是不一样的。物理教育方向着重培养理论教学能力，物理实验方向则更看重实验技能的培养，特别是学生理解并使用实验教学的能力。

在不同生源、不同培养目标的现状下，物理学演示实验进入日常教学迫在眉睫，基础较好的同学可以利用实验发掘更深更高的科学知识，基础薄弱的同学可以从实验去理解理论，两者都从实验找到了新的学习方法。在实验班级（教育方向）的教学环节中，加入演示实验，让学生学习新的实验教学手段及方法，也增强了学生本身的教学水平，为完成培养目标也打下坚实的基础。

（三）其他有助于课程教学的实践方法

第一，演示物理实验与大学生创新性实验相结合[14]。每年，国家都会组织学生申报“大学生创新创业训练计划项目”，目的为培养大学生的创新创业水平。演示物理实验的新颖、生动、趣味性都很好的体现“创新”这个关键词。越来越多优秀的同学，可以根据自己的兴趣爱好，结合演示物理实验，申报创新性实验。既能很好的运用平常所学的知识，也增强了自己的科研水平。本科毕业论文也可以以此为基础，找到自己的研究方向。

第二，开设《演示物理实验》课程。在大学物理相关理论课程和实验课程的基礎上，面向全校开设《演示物理实验》通识课。让更多的同学，从有趣的物理实验中重新认识物理，发现物理不仅仅是枯燥的理论和公式，而是发生在身边的种种有趣的自然现象。不仅提高了同学们的科学素养，也促进了演示物理实验室的软件建设[15-16]。

第三，成立“演示物理实验俱乐部”，“破坏实验室”等。在建设西藏大学演示物理实验室的前期调研中，我们走访了国内著名的演示物理实验室，包括中山大学、吉林大学、武汉大学、重庆大学等。其中重庆大学的演示物理实验室的管理模式很新颖，取名为“重庆大学物理探索科技馆”，其主要管理人员均为硕士研究生甚至本科生。西藏大学“演示物理实验俱乐部”的管理人员也可以多让学生参加，既能增加热爱实验的同学的学习机会，培养其管理能力，也弥补了西藏大学实验室专职教师及管理人员较少的劣势。“破坏实验室”主要是让学生们能够在实验室搞“破坏”，我们将以往的一些报废仪器交给学生，给他们工具、万用表等器材，让他们进行破坏，拆卸并修补或者能够进行一些创新的实验，达到培养其动手能力，创新能力的一种新颖的教学方式。

第四，多让教师及学生们参加实验科普科学表演秀及大学生实验设计大赛等。西藏自治区自然科学博物馆与西藏大学有着很好的合作关系，博物馆每年举办实验科普表演秀及大学生实验设计大赛，主要目的是向偏远地区宣传科学技术知识，我们的教师与学生参与其中，既能发挥一所高等院校服务社会的基本职能，也能锻炼教师与同学们的实验技术能力。

四、结束语

物理学是一门实验科学，理论知识非常需要实验给予依据和验证，所以将著名的物理学实验在理论课程中演示，把它们紧密结合起来，是我们目前教学的基本策略。下一步，在演示物理实验室中，我们希望能够建立“大学物理专用教室”，将物理学课程直接带入演示物理实验室来进行，引导学生主动参与实验并融入相关理论知识，通过实验去理解理论。在这两步都完善之后，能够构建网络等虚拟平台，线上线下都可以教学，实现教学与学习的随时性，只要想学，不会受到时间与空间的限制。

西藏大学作为西藏自治区唯一一所“211工程”重点建设大学、部区合建高校和“双一流”建设高校，承担着为西藏自治区培养一流人才和建设高原的首要任务。而理学院，也曾经为自治区的教育系统培养了千千万万的优秀教师和干部，提升我们自己的教学水平，也是提升广大西藏建设者的技术水平。我们也将不断完善物理学的教育教学软硬件水平，为培养扎根西藏，建设西藏，发展西藏的优秀人才做贡献。

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基金项目：西藏自治区高等教育教学改革研究项目“大学物理课程中引入演示物理实验的教学改革研究”（编号：JG2019-23）;西藏自治区教育科学研究课题“西藏中学物理演示实验教学研究”（编号：XZJKY19420）

作者简介：周毅（1988-），男，汉族，贵州毕节人，硕士，实验师，研究方向：物理实验教学。

通讯作者：周艳霞（1992-），女，汉族，四川南充人，硕士，助理實验师，研究方向：信息技术实验教学。

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