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1. 引言
大学通识教育阶段应以培养有坚实的科学素质、出色的研究能力和创新精神的高素质人才为目标[1]. 物理学是一门集合思想、方法、实验探索为整体的先导学科,在大学通识教育中具有关键性的作用。但长期以来,我国的物理教学模式主要以理论推导教学为主,辅助验证、操作实验教学. 导致理论教学与实验教学分离;学生发现问题、分析问题、解决问题能力的目标与手段分离的窘境。
大学物理涵括了从最小的基本粒子到最遥远宇宙、提供理解和把握世界知识基础的重要学科,是一个庞大的专业知识和方法的体系,要教给学生所有的物理知识是不现实的,但是可以让学生掌握和理解其中的部分知识,可以让学生领略物理知识与现实世界的紧密联系。21世纪的大学生应成为具备坚实的基础理论、出色的实验能力和创新精神的高素质人才. 大学物理集思想、方法、实验于一体, 在演示实验中适当地提供一些相关科技领域的新信息
发展作为“创新点”,以培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力推动大学物理教学改革。引入学生自主设计低成本、高智慧演示的教学方法,高智慧、低成本的物理实验,丰富教学手段和教学考核手段尤为必要[2]。
2. 现状
目前大多数学生接受传统教学模式－接受式教学,影响很深,习惯处于一种被动学习的状态。但同时又厌倦了接受式教学方法,导致学生普遍的厌学情绪。大学阶段的物理基础课范围跨度广、理论深度大、专业性强、学术性高,在一定程度上讲,课程的难度大,同时不可避免出现抽象、枯燥的状态。在当前的教学改革中,流行多媒体课件代替板书,多媒体动画演示代替实验演示,虚拟仪器实验代替设备操作,造成学生思辨过程缺位,想像过程的空间、时间受压缩,不能联系实际,抽象出问题,分析、解决问题能力普遍下降,使物理的魅力（思想、方法、实验探索集于一体）无法有力发挥,致使学生对物理课的学习热情不高,教学效果较差.因此,促进学生转变学习观念,发挥学习主动性,是大学物理基础课教学改革亟需解决的问题。
而中外教学方法史上源远流长的“快乐学习”教学思想,则为大学物理教学改革指明了方向,为学生自主设计低成本演示实验在大学物理通识教育中作用研究实践提供了有效的理论基础。通过激发学生发现问题、分析问题、解决问题的欲望。在教学中,学生以一种愉快的、主动的、富有个性情感的态度积极地参与探索学习,其教学效果远远好于传统的接受式教学模式。因此国内外对集高智慧、高技术和新思想于一体的低成本演示装置创新设计的实践青睞有加,由于这类实验的趣味性和较少受语言障碍影响的特性,在国际交流场合往往很受欢迎[3]。
3.自主设计低成本演示装置的自我考核和激励作用
大学物理演示教学是指以具有可见度,可呈现性,以定性与半定量方式为主,侧重培养学生的创新意识、开发学生的创造潜能和科学实验能力,其中包括:
(一)通过形象生动的演示实验,消除学生因抽象、枯燥而产生的畏难、厌烦的心理。激发学习兴趣。
(二)通过形象生动的演示实验、以期达到理解知识,理论联系实际,调动感知功能,最提高物理教学效果和效率。
(三)物理演示教学过程,学生处于探索、发现的过程。能激发思维,培养学生的创新意识和创造力。
虽然多媒体的动画很能说明问题,但是明了的实验更具说服力,更能激发学生的探索发现兴趣。由于学生的知识面较窄,缺少生活经验,以致只能被动接受,不能激发想象。而不少具有成本低、高智慧的实验装置具备教学功能包括: (1) 创设教学情境,便于引入物理知识,同时激发学生学习的兴趣和求知愿望;(2) 提供感性素材,帮助学生建立物理概念和认识规律; (3) 通过观察和思维设计,不仅能达到巩固的目的,还能更好地把知识运用到创新中,进一步发展学生的思维能力; (4) 提供典型范例,为学生训练实验技能和科学研究能力创造条件; (5) 有利于发挥教师的情感、思维方法和科学作风等,潜移默化地教育学生.让学生成为学习的主体,提高学生的参与意识,调动主观能动性,是增强学生实验研究能力的有力环节。
3.1 建立学生关爱周边事物的激情
社会进步,科技发展,与其说是在不断解决问题的过程中促成的,倒不如说是在不断发现、提出问题的过程中促进的,因为,如果不能发现、提出问题,也就谈不上去解决问题。兴趣是学习最好的老师、最好的朋友。因此,只要能够提高学生对物理学的浓厚兴趣,他们就会去关注物理学、去主动学习物理知识,教学效果也就不言而喻。而如何引起、提高和保持学生对物理学的兴趣,一直以来都是物理教师最为关心的问题之一。因此,要培养学生的创造能力,就要培养学生发现、提出问题的能力。发现、提出问题,需要摆脱习惯认识的限制,更富创新性。认真观察周边事物就会成为学生的自我要求提出新发现,提出创新性问题。学生自主设计低成本演示实验装置应具备:学术性 、智慧性、启发性、简单性。低成本物理演示设计更侧重对生活实际的观察,并从中抽象出物理问题。可同时在设计过程中激发学生关爱周边事物的激情,唤起学生学习的主动性和积极性。
3.2 让学生在创新设计活动中培养发散性思维
按思维的智力品质分,可分为再现性思维和创新性思维。学生在学习中,再现式思维是主要的学习方式,相比之下,创新性思维的实践机会则非常有限。如何发展创新性思维,就显得尤为关键。心理学认为,学生的发散性（辐射性）思维方式有利于发展创新能力,当学生通过发散性思维所形成的观念,经过收敛性（辐合性）思维方式的组合,便可以提出新发现,提出创新性的物理问题。低成本物理演示装置的设计需要学生发挥发散性思维能力,即使对同一个物理原理的阐释,皆可产生不同的表现形式和方案[4]。
3.3 建立学生的自尊心
当教学过程形成一种压力,把成绩、名次、评奖等荣誉简单的与分数紧密联系时,学生就会想方设法获得高分,而不会去关注学习要求。一旦可以自由选择,学生们总是趋利避害,把时间和精力花在寻求正确答案的线索上。许多学生由于担心失败,害怕提问题,不愿意直面问题。而遇到问题,或者解决问题失败,等同与缺乏能力,就使得学生把碰到困难归结于智力缺陷,归结于学不好。因为学习带来的仅仅是失望,成绩不理想的学生越多,意味着人生失败的学生也就越多。大学物理教学,低成本物理演示装置的设计可营造一个成功的氛围,树立人人都能成功的信念。反馈给学生的信息中包含学习中成功的地方,同时提出怎样才能进一步提高的建议。
3.4 建立学生的自我评价机制
自我评价,是指学生依据一定的标准,对学习进行自我反醒和调节,以提高学习能力的发展。建构主义学说认为,教学过程是学生建构知识的过程,教师只是指导者,对学生的变化只是起影响作用,而最终起决定作用的应是学生自身。在发展性评价体系中,学生自我评价是不可忽视的一部分,通过自我评价,学生可以及时了解学习状态,及时调整,增强自信,形成自我约束的学习习惯[5]。
低成本物理演示装置设计本身是一个过程性很强的研究实践活动,在评价时采用传统的笔试测验是不行的,而表现性评价却是一种很好的评价方式。表现性评价是通过让学生完成某一特定的任务,来评价学生学习状态的一种方式。与传统评价方式的区别在于,它不仅要评测学生完成任务时的表现,还要对学生在学习过程中的行为进行评价。表现性评价不但能评价学生的知识层次,还能评价学生应用水平,并且可以在实验活动中评价学生的创新精神、实践能力、合作与交流能力、学习态度和习惯。使学生参与对自己的评价,不但改变了学生作为学习者的角色,而且改变了师生关系的性质,使得学生对学习肩负起更多的责任。
3.5 重视不成功的创新方案设计过程
任何创新性设计,都不可能完美无缺,以往的设计实验,教师只顾追求设计的完美而忘记了设计的初衷,既然我们把低成本实验装置设计作为锻炼学生的方法,就应该让他们体会真实的设计研究过程,从不成功的设计中他们学到的会更多. 善于从不成功的创新设计过程中发现“闪光点”,要比一做就成功的实验设计更让学生分享创新性设计的过程, 易于突出物理教学过程的本质,富于创新性,更能激发学生的参与热情,开阔学生的视野,从而从发现问题、提出问题,再到分析问题,直至发展学生解决问题的能力,体会科学研究过程中产生的乐趣[6,7]。
4. 学校在演示教学和学生自主设计中的成果
浙江工业大学的国家级基础物理实验教学示范中心,专门设置了学生自选开放创新实验室,建立了自选开放实验教育平台和探索性物理实验平台。演示实验仪器涵盖物理学领域中的力学、光学、电磁学、热力学、振动与波、等教学内容,将一些抽象的定理、定律研制成直观的演示仪器进行形象化教学。自选开放实验教育平台。以全面开放、自主选择、自主实验的教学思想来构建自选开放实验,并使实验教学内容系统化。采取充分利用旧设备和购置新设备相结合的方式,建设自选开放实验室,为学生提供各个层次的设计性实验和制作性实验60个,使之成为培养学生创新能力的教育基地。探索性物理实验平台,全面开放,并集演示和实验探索于一体来建设探索物理实验基地,使之成为理论课堂教学向实验探索延伸（突破传统课堂演示模式,让学生走进探索实验室并亲自动手设计演示实验）,实验教学向理论探索迈进的桥梁,以改变目前理论与实验教学相脱节的现状,已开设探索性物理实验项目58个。
参考文献:
[1] 李自华.大学物理中的人文素质教育[J].长春师范学院学报,2009,28(1):105－107.
[2] 宋贤征,竹有章.国内大学物理演示实验教学现状调查[J].广西物理.2009,30(1):55-57.
[3]Alexander P. Mazzolini , Peter J. Cadusch. A simple low-cost demonstration of wavelength division multiplexing . American Journal of Physics. 2006 , 74(5): 419-422.
[4] 李国峰,李剑生,陈 华.大学物理实验教学中培养学生创新能力的探索与研究[J].高校实验室工作 研究.2009,99(1):14-15.
[5] 马红.论发展性评价在大学物理实验课中的实践与应用[J]. 西安邮电学院学 报.2009,14(3):147-150.
[6]代 伟,陈太红.如何做好大学物理演示实验教学[J].物理与工程.2008,18(4):29-32.
[7] 张欣艳,王畅,赵达. 大学物理设计性实验教学体系的构建[J].高师理科学刊.2009,29(5):102-104.
作者简介:唐轶峻 (1970－),男,浙江工业大学副教授、博士,主要从事大学物理教学和光电子技术研究。
大学通识教育阶段应以培养有坚实的科学素质、出色的研究能力和创新精神的高素质人才为目标[1]. 物理学是一门集合思想、方法、实验探索为整体的先导学科,在大学通识教育中具有关键性的作用。但长期以来,我国的物理教学模式主要以理论推导教学为主,辅助验证、操作实验教学. 导致理论教学与实验教学分离;学生发现问题、分析问题、解决问题能力的目标与手段分离的窘境。
大学物理涵括了从最小的基本粒子到最遥远宇宙、提供理解和把握世界知识基础的重要学科,是一个庞大的专业知识和方法的体系,要教给学生所有的物理知识是不现实的,但是可以让学生掌握和理解其中的部分知识,可以让学生领略物理知识与现实世界的紧密联系。21世纪的大学生应成为具备坚实的基础理论、出色的实验能力和创新精神的高素质人才. 大学物理集思想、方法、实验于一体, 在演示实验中适当地提供一些相关科技领域的新信息
发展作为“创新点”,以培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力推动大学物理教学改革。引入学生自主设计低成本、高智慧演示的教学方法,高智慧、低成本的物理实验,丰富教学手段和教学考核手段尤为必要[2]。
2. 现状
目前大多数学生接受传统教学模式－接受式教学,影响很深,习惯处于一种被动学习的状态。但同时又厌倦了接受式教学方法,导致学生普遍的厌学情绪。大学阶段的物理基础课范围跨度广、理论深度大、专业性强、学术性高,在一定程度上讲,课程的难度大,同时不可避免出现抽象、枯燥的状态。在当前的教学改革中,流行多媒体课件代替板书,多媒体动画演示代替实验演示,虚拟仪器实验代替设备操作,造成学生思辨过程缺位,想像过程的空间、时间受压缩,不能联系实际,抽象出问题,分析、解决问题能力普遍下降,使物理的魅力（思想、方法、实验探索集于一体）无法有力发挥,致使学生对物理课的学习热情不高,教学效果较差.因此,促进学生转变学习观念,发挥学习主动性,是大学物理基础课教学改革亟需解决的问题。
而中外教学方法史上源远流长的“快乐学习”教学思想,则为大学物理教学改革指明了方向,为学生自主设计低成本演示实验在大学物理通识教育中作用研究实践提供了有效的理论基础。通过激发学生发现问题、分析问题、解决问题的欲望。在教学中,学生以一种愉快的、主动的、富有个性情感的态度积极地参与探索学习,其教学效果远远好于传统的接受式教学模式。因此国内外对集高智慧、高技术和新思想于一体的低成本演示装置创新设计的实践青睞有加,由于这类实验的趣味性和较少受语言障碍影响的特性,在国际交流场合往往很受欢迎[3]。
3.自主设计低成本演示装置的自我考核和激励作用
大学物理演示教学是指以具有可见度,可呈现性,以定性与半定量方式为主,侧重培养学生的创新意识、开发学生的创造潜能和科学实验能力,其中包括:
(一)通过形象生动的演示实验,消除学生因抽象、枯燥而产生的畏难、厌烦的心理。激发学习兴趣。
(二)通过形象生动的演示实验、以期达到理解知识,理论联系实际,调动感知功能,最提高物理教学效果和效率。
(三)物理演示教学过程,学生处于探索、发现的过程。能激发思维,培养学生的创新意识和创造力。
虽然多媒体的动画很能说明问题,但是明了的实验更具说服力,更能激发学生的探索发现兴趣。由于学生的知识面较窄,缺少生活经验,以致只能被动接受,不能激发想象。而不少具有成本低、高智慧的实验装置具备教学功能包括: (1) 创设教学情境,便于引入物理知识,同时激发学生学习的兴趣和求知愿望;(2) 提供感性素材,帮助学生建立物理概念和认识规律; (3) 通过观察和思维设计,不仅能达到巩固的目的,还能更好地把知识运用到创新中,进一步发展学生的思维能力; (4) 提供典型范例,为学生训练实验技能和科学研究能力创造条件; (5) 有利于发挥教师的情感、思维方法和科学作风等,潜移默化地教育学生.让学生成为学习的主体,提高学生的参与意识,调动主观能动性,是增强学生实验研究能力的有力环节。
3.1 建立学生关爱周边事物的激情
社会进步,科技发展,与其说是在不断解决问题的过程中促成的,倒不如说是在不断发现、提出问题的过程中促进的,因为,如果不能发现、提出问题,也就谈不上去解决问题。兴趣是学习最好的老师、最好的朋友。因此,只要能够提高学生对物理学的浓厚兴趣,他们就会去关注物理学、去主动学习物理知识,教学效果也就不言而喻。而如何引起、提高和保持学生对物理学的兴趣,一直以来都是物理教师最为关心的问题之一。因此,要培养学生的创造能力,就要培养学生发现、提出问题的能力。发现、提出问题,需要摆脱习惯认识的限制,更富创新性。认真观察周边事物就会成为学生的自我要求提出新发现,提出创新性问题。学生自主设计低成本演示实验装置应具备:学术性 、智慧性、启发性、简单性。低成本物理演示设计更侧重对生活实际的观察,并从中抽象出物理问题。可同时在设计过程中激发学生关爱周边事物的激情,唤起学生学习的主动性和积极性。
3.2 让学生在创新设计活动中培养发散性思维
按思维的智力品质分,可分为再现性思维和创新性思维。学生在学习中,再现式思维是主要的学习方式,相比之下,创新性思维的实践机会则非常有限。如何发展创新性思维,就显得尤为关键。心理学认为,学生的发散性（辐射性）思维方式有利于发展创新能力,当学生通过发散性思维所形成的观念,经过收敛性（辐合性）思维方式的组合,便可以提出新发现,提出创新性的物理问题。低成本物理演示装置的设计需要学生发挥发散性思维能力,即使对同一个物理原理的阐释,皆可产生不同的表现形式和方案[4]。
3.3 建立学生的自尊心
当教学过程形成一种压力,把成绩、名次、评奖等荣誉简单的与分数紧密联系时,学生就会想方设法获得高分,而不会去关注学习要求。一旦可以自由选择,学生们总是趋利避害,把时间和精力花在寻求正确答案的线索上。许多学生由于担心失败,害怕提问题,不愿意直面问题。而遇到问题,或者解决问题失败,等同与缺乏能力,就使得学生把碰到困难归结于智力缺陷,归结于学不好。因为学习带来的仅仅是失望,成绩不理想的学生越多,意味着人生失败的学生也就越多。大学物理教学,低成本物理演示装置的设计可营造一个成功的氛围,树立人人都能成功的信念。反馈给学生的信息中包含学习中成功的地方,同时提出怎样才能进一步提高的建议。
3.4 建立学生的自我评价机制
自我评价,是指学生依据一定的标准,对学习进行自我反醒和调节,以提高学习能力的发展。建构主义学说认为,教学过程是学生建构知识的过程,教师只是指导者,对学生的变化只是起影响作用,而最终起决定作用的应是学生自身。在发展性评价体系中,学生自我评价是不可忽视的一部分,通过自我评价,学生可以及时了解学习状态,及时调整,增强自信,形成自我约束的学习习惯[5]。
低成本物理演示装置设计本身是一个过程性很强的研究实践活动,在评价时采用传统的笔试测验是不行的,而表现性评价却是一种很好的评价方式。表现性评价是通过让学生完成某一特定的任务,来评价学生学习状态的一种方式。与传统评价方式的区别在于,它不仅要评测学生完成任务时的表现,还要对学生在学习过程中的行为进行评价。表现性评价不但能评价学生的知识层次,还能评价学生应用水平,并且可以在实验活动中评价学生的创新精神、实践能力、合作与交流能力、学习态度和习惯。使学生参与对自己的评价,不但改变了学生作为学习者的角色,而且改变了师生关系的性质,使得学生对学习肩负起更多的责任。
3.5 重视不成功的创新方案设计过程
任何创新性设计,都不可能完美无缺,以往的设计实验,教师只顾追求设计的完美而忘记了设计的初衷,既然我们把低成本实验装置设计作为锻炼学生的方法,就应该让他们体会真实的设计研究过程,从不成功的设计中他们学到的会更多. 善于从不成功的创新设计过程中发现“闪光点”,要比一做就成功的实验设计更让学生分享创新性设计的过程, 易于突出物理教学过程的本质,富于创新性,更能激发学生的参与热情,开阔学生的视野,从而从发现问题、提出问题,再到分析问题,直至发展学生解决问题的能力,体会科学研究过程中产生的乐趣[6,7]。
4. 学校在演示教学和学生自主设计中的成果
浙江工业大学的国家级基础物理实验教学示范中心,专门设置了学生自选开放创新实验室,建立了自选开放实验教育平台和探索性物理实验平台。演示实验仪器涵盖物理学领域中的力学、光学、电磁学、热力学、振动与波、等教学内容,将一些抽象的定理、定律研制成直观的演示仪器进行形象化教学。自选开放实验教育平台。以全面开放、自主选择、自主实验的教学思想来构建自选开放实验,并使实验教学内容系统化。采取充分利用旧设备和购置新设备相结合的方式,建设自选开放实验室,为学生提供各个层次的设计性实验和制作性实验60个,使之成为培养学生创新能力的教育基地。探索性物理实验平台,全面开放,并集演示和实验探索于一体来建设探索物理实验基地,使之成为理论课堂教学向实验探索延伸（突破传统课堂演示模式,让学生走进探索实验室并亲自动手设计演示实验）,实验教学向理论探索迈进的桥梁,以改变目前理论与实验教学相脱节的现状,已开设探索性物理实验项目58个。
参考文献:
[1] 李自华.大学物理中的人文素质教育[J].长春师范学院学报,2009,28(1):105－107.
[2] 宋贤征,竹有章.国内大学物理演示实验教学现状调查[J].广西物理.2009,30(1):55-57.
[3]Alexander P. Mazzolini , Peter J. Cadusch. A simple low-cost demonstration of wavelength division multiplexing . American Journal of Physics. 2006 , 74(5): 419-422.
[4] 李国峰,李剑生,陈 华.大学物理实验教学中培养学生创新能力的探索与研究[J].高校实验室工作 研究.2009,99(1):14-15.
[5] 马红.论发展性评价在大学物理实验课中的实践与应用[J]. 西安邮电学院学 报.2009,14(3):147-150.
[6]代 伟,陈太红.如何做好大学物理演示实验教学[J].物理与工程.2008,18(4):29-32.
[7] 张欣艳,王畅,赵达. 大学物理设计性实验教学体系的构建[J].高师理科学刊.2009,29(5):102-104.
作者简介:唐轶峻 (1970－),男,浙江工业大学副教授、博士,主要从事大学物理教学和光电子技术研究。