一流课程背景下大学物理课堂演示实验的实践及效果分析

吴海娜，杨广武，公卫江，陈肖慧

(1.东北大学,辽宁 沈阳 110819；2.天津中德应用技术大学，天津 300350)

随着高等教育教学改革的深入,教育部近年来提出实施一流课程建设的“双万计划”。教育部在《关于一流本科课程建设的实施意见》中指出，要解决好教与学模式创新的问题，通过教学方法创新实现对传统课堂教学的改革，强调以学生为中心，激发课堂生机活力，进一步提升卓越拔尖人才培养能力[1]。大学物理课程作为高校理工科专业大学生的重要公共基础课程，在培养学生的科学素养及创新能力方面起着不可替代的作用。因此，建设一流课程指导思想提出后，如何在大学物理教学中体现以学生的学为中心，切实提高学生的学习成效，是教学改革的重点和难点。鉴于此，本文主要探讨如何将演示实验和大学物理课堂讲授密切配合来激发学生的学习兴趣并提高学习成效，以同一学期同一教学班的大学物理课程教学旋转矢量法知识点辅以演示实验为例，详细分析了加入演示实验设计后学生对知识点的前测、后测和长测数据结果，考查演示实验对学生学习大学物理的效果并探索演示实验与大学物理教学有机融合的有效途径。

1 问题提出

物理学是一门实验学科的特点，要求物理学要以实验为依据，一切理论最终要经受实验的检验。演示实验可以直观、生动的展现物理现象和规律，是辅助大学物理课程教学的重要手段。一方面可以吸引学生注意力，提高学生学习物理的兴趣，另一方面也可以加深对物理抽象理论的理解，提高学生的科学素养并激发学生的创新能力。那么，如何展示演示实验呢？已有多所高校积极开展了各种尝试，例如建设专门的演示实验室，集中学生在特定的时间进行若干个实验的集中演示，可以保证实验仪器的高效利用及高质量演示，但短时间内展示大量的实验，有可能因学生对实验背后的理论知识准备不够而流于只是观看现象[2，3]。还有些高校专门拍摄演示实验视频，供教师在课堂上按照讲授内容的需求进行播放，省却了演示实验室专人管理及调试成本[4-6]。学生观看演示实验视频对理解课堂内容有一定积极作用，但观看视频代替不了实物展示，现场展示会给学生更直观的感受，实际操作并亲眼看到物理现象，学生学习体验会更加深刻。

在大学物理课堂教学中根据课程内容辅以天津中德应用技术大学自主研制、具有多项专利的便携式演示实验仪、如旋转矢量演示仪、驻波演示仪和波动光学演示仪等，这样的教学设计是为了使学生获得直观的感性认识，了解物理研究方法并更好地理解物理概念及基本规律。那么，如何定量评价课堂演示实验对大学物理的教学过程产生的实际效果呢？本文采用测试形式，对辅以演示实验的知识点课前、课后及过一周后进行测试，对学生答题数据进行分析，发现课堂演示实验对学生保持知识理解的长期性起积极作用。

2 效果评价过程

2.1 测试对象及流程

为了保证测试环境及条件的一致性，以东北大学2020-2021学年秋季学期修读大学物理(热学、振动和波动、光学、量子物理)的材料成型专业2019级一班至四班的全体学生(79名，其中7名为女生)为测试对象，按照正常教学大纲顺序安排教学，选取“振动”这一章节“简谐运动的旋转矢量表示法”知识点结合演示实验来教学。旋转矢量法是研究简谐运动时常采用的一种比较直观的几何描述方法，在描述简谐运动和处理振动的合成问题时提供了简捷的手段。但在以往的实际教学过程中发现，静态的图文说明来讲解旋转矢量法，学生不是能很好地了解。倘若用简谐振动旋转矢量演示仪，将相位这一重要的概念可视化，可以大大降低其抽象性。测试流程详见图1,一共为三步，第一步为前测，考查在讲解的知识点之前学生所掌握的情况；第二步为后测，考查课堂上讲解知识点并辅以演示实验之后学生的学习效果；第三步为长测，考查时隔一周后学生对上次结合课堂演示实验讲解的知识点的掌握程度。图2是用旋转矢量演示仪结合课堂教学现场实拍(演示实验仪由天津中德应用技术大学杨广武老师研发团队提供)，图3是磁吸式旋转矢量演示仪。

图1 演示实验结合大学物理课堂效果评价流程示意图

图2 大学物理课堂教学演示实验现场

图3 旋转矢量演示仪(磁吸式)

2.2 测试结果与效果分析

通过上述三步测试设计实施，收到的有效测试份数分别为77、76和79份。每次测试均有5道选择题，前测考查对简谐振动的基本概念，后测和长测主要考查相位。学生答题情况如图4所示，横坐标为答对的学生人数，纵坐标为题号，对每道题，条状图从上到下分别为长测、后测和前测答对学生人数。

图4 学生三步测试答题情况

从图中可以看出，学生的学习基础较好，多于一半的学生可以完全答对，尤其是前测的第一题和第五题，答对人数占87.34%以上。讲解新的知识点并辅以演示实验之后，对新知识点的现场学习效果不是很明显，只有第三题答对人数超过60人，其他四道题的正确率几乎在50%以下(第五题略高于50%)。但是，时隔一周之后的长测会发现，除了第三道题(计算稍微复杂一些)外，其他四道题答对人数均比后测情况显著提高。上述测试结果表明，大学物理课堂教学辅以演示实验，依据学生的学习认知规律，对学生掌握知识的长期性有积极的促进作用。

在其他知识点如驻波及波动光学中双缝干涉、单缝衍射时课堂上也引入演示实验，大部分学生表示非常感兴趣，以前只是在书本以静态图片的形式或视频的平面感官，现在亲眼看到实际物理实验操作及现象，会觉物理其实就在身边，并不枯燥。但由于课时有限，课上只能给学生展示实验现象并简单介绍其理论原理，演示实验仪的其他定量分析测量等作用没有完全发挥出来。

3 结 语

本文以修读大学物理课程的同一教学班工科专业学生为研究对象，在大学物理课堂教学中引入现场演示实验，以其中一个知识点“旋转矢量法”辅以演示实验为例，给学生布置前测、后测和长测的三步测试，详细分析测试数据结果，考查大学物理课堂中引入演示实验后对学生学习大学物理的效果，结果发现引入演示实验后，学生对课堂知识点的印象会比较深刻，对学生掌握知识的长期性有积极的促进作用。上述研究是将融入演示实验前后学生对知识点掌握程度和存留时间效果影响的初步探索，仅在有限的知识点内开展，且尚未实施加入演示实验和不加入演示实验的传统课堂教学对比实践分析。若能在控制影响因素统一的前提下增加对比分析并跟考试成绩分析相结合，将对探索演示实验与大学物理教学有机融合提供更丰富多维的有效途径，切实提高学生的学习成效。