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摘 要：基于近几年对大学物理课堂演示实验的教学实践，以“摆的周期性演示案例”为例，探讨大学物理“实验探究型”授课模式的教学效果及其在我院推广的基础。对几个新设计的“摆的周期性演示案例”及其课堂演示过程进行了简单介绍，为物理“实验探究型”授课模式的构建提供一点思路，提出的课堂演示实验教学案例仅供高校同行们参考。
关键词：摆的周期性；演示实验；大学物理；实验探究；授课模式
中图分类号：G642.423 文献标识码：A
1建立基于随堂演示的大学物理“实验探究型”授课模式的重要意义
大学物理学是一门以实验为基础，集多种创新思想、探索理念与研究方法于一体的基础科学，其大多数物理原理都来源于对实验现象的升华或对实验规律的总结[1]，因此教学大纲中明确规定了演示实验教学的地位和作用，要求“抽象的物理规律应通过大量的实验和细致的观察得到”。然而在过去的理论教学中，物理定理的证明及应用大多采用公式推导，其中用到的微积分[2]知识较多，学生感到枯燥，不易对物理这门课产生强烈兴趣。结合近几年的课堂教学实践，发现很多看似深奥的理论知识点若借助于课堂演示实验进行启发和引导，立刻变得浅显明了，大部分学员开始主动探究物理本质规律，其“课堂参与”意识及互动热情远远胜于坐在“冷板凳”上当听众时的状态，课堂气氛明显活跃起来，尤其让人感动的是，不少平时畏惧物理、对教员“敬而远之”的“弱势学员”也开始以“实验主人翁”的态度配合教员的课堂演示，方便了教员与这类学员的近距离交流。由于演示实验教学过程突出了实践对理论知识的检验，能够化抽象为具体，使学生根据有趣的现象和些许点拨就能深刻理解物理概念和原理，实现事半功倍的教学效果，因此近年来，全国各高校对物理演示实验都十分重视[3]，本院也投入了经费进行了物理演示实验室的初步建设，然而，目前本院的课堂演示实验还基本没有普及，只是少量教员在部分课堂上尝试使用，大部分教学班级的教员基本没有应用该教学方法，原因如下：有的演示实验仪器设备复杂，比如J-LD23型复摆实验装置，需要水平仪、光电计时器，光电门滑座等等，测量时必须几次对仪器调平衡，操作步骤比较繁琐，初学者容易测量不准，在课堂操作比较耽误时间；有的演示仪器太大或太笨重，不易搬移，比如演示角动量守恒定律的茹可夫斯基凳，教员或学员在挪动那个底盘固定、能转动的铁转椅和两个重锤时很不方便，在短短的课间十分钟要将它们搬移出器材室再上下楼梯都有较大困难；还有的演示实验在课堂的明亮环境下，看不清楚实验现象，比如光学的干涉、衍射实验······因此，教员自主开发研究一些结构简单，携带方便的演示实验仪器就很有必要[4]，下面以“摆的周期性演示案例”为例对大学物理“实验探究型”授课模式进行初步的探讨。
2大学物理“实验探究型”授课模式在我院推广的基础
信息化条件下军事训练改革深化发展，对初级指挥人才的培养模式提出了新要求，我院培养的高素质初级指挥军官人才应具有较强的创新能力和科学素质，这对大学物理的基础教学提出了更高更新的要求。“实验探究型”授课模式的特点是：教员不把现成的结论告诉学员，而是通过课堂演示，启发学员自主考察实验现象，学员通过分析实验表象的特点发现问题，然后在教员的点拨下按照科学的方法探究（包括猜想与推导）出相关的核心定理或重要概念的基本形式，从而获取本堂课的核心知识，一般学员通过观摩课堂演示或参与实践，能较快明白相关知识的灵活应用。通过近几年对不同层次学员进行的问卷调查分析，发现我院本科教学班由两类学员组成：大部分为高中毕业入伍的青年学员，这些学员基本为“九零后”的新一代大学生，课堂表现思想活跃，有较强的求知欲望，他们希望有发展自己聪明才智和创造能力的机会与场所，而陈旧的教学方式已不能满足他们对新知识的渴望；另一小部分为战士学员，他们有一定的基层部队工作经历，大多数接触过部队装备，这些学生普遍动手能力较强，与纯理论课相比，他们也更喜欢“动手+动脑+用心”的演示教学法[5]——“实验探究型”授课模式，因此在我院大学物理课堂上推行“实验探究型”授课模式很有意义。
3用多种“摆的演示”案例探讨物理“实验探究型”授课模式的实践
通过课堂实践及对学员的问卷调查，发现我们设计的几个简单的“摆的周期性振动”演示案例能够启迪思维，增强课堂互动效果，该类演示实验成了新授课模式下物理课堂的亮点。
3.1单摆的设计——“微振动的简谐运动规律”的演示案例
如图1所示，将一根不能伸缩的长细线的一端拴一个小挂锁（或其他小物体），另一端固定在一个铁架子上，当长细线的质量与小挂锁的体积都可以忽略时，整个系统构成了单摆，教员就可以用此装置在课堂上演示“微振动的简谐运动规律”了。这个演示实验的设计理念是：鼓励学员在课堂上通过主动参与实验，细心观察小挂锁的运动规律，然后通过分组讨论交流，研究小挂锁做小角度摆动过程中所受到的力和力矩，最终在教员的启发下得到小挂锁（摆锤）的角加速度公式：，然后教员再进行提示：“此角加速度公式与简谐运动的典型微分方程式在形式上有什么关系呢？”，细心的同学很快回答：“它们的形式完全相同！”······于是本讲的核心议题——“单摆摆锤做小角度摆动时满足简谐运动的基本规律”得到了证明。如果教员想让学员更多地参与实验演示，并且让课堂气氛更活跃的话，可以用儿童玩具“溜溜球”来代替单摆的实验装置，选一个手不发抖、军事素质过硬的学员来当人体支架，学员在物理课堂做单摆演示实验时，军姿挺拔，台下的观众更是屏住呼吸全神贯注地观看实验现象，一些学员甚至站起来准备随时抢答问题。
3.2双线摆的设计——“微振动的简谐运动规律”的拓展演示案例设计之一
课堂演示实验的主旨不仅仅是为了得到本次课的核心知识原理而做的必要的铺垫，它在挖掘学员的创新潜力、激发学员的课堂主体意识、完善课堂的育人功能方面都有着非常重要的作用，因此教员常常可以在做完教材指定的常规型演示实验后，抛出一些设计性演示实验的课题，引导学员的发散思维，得到更多创造性的“奇思妙想”，更大限度地给予年轻学生们创造的机会：比如，当教员完成单摆实验后，故意提出问题：“在我们的日常生活中，除了单摆以外，还有什么样的摆呢？它们的周期如何计算呢？”于是有的同学会提出钥匙链类型的摆，有的会说瑞士挂钟的钟摆，五花八门的答案都会出来，教员可趁机拿出早准备好的双线摆，因为我们在选择课堂演示实验器具时，应注重发展简易且新颖的实验手段和方法。如图2所示：将单摆装置上的无弹性的长细线换成两根，一端挂重物（小挂锁），并将两根线的长度取齐，对称地固定悬挂在铁架台上，就构成了双线摆装置。教员在演示双线摆的小挂锁（摆锤）做小角度摆动时，提醒学员：“观察此时小挂锁的摆动规律与单摆的情况相比有什么共同点？”······引导学员发现小挂锁运动的周期性规律，然后启发学生思考：“当双线摆中折叠的两根线长度和单摆摆线的长度相同时，双线摆的周期和单摆的周期一样长吗？”同学们开始猜想：一些人认为它们的周期是一样的，另一些人认为双线摆的周期等效于摆长为双线中垂线的单摆的周期，所以不一样，于是部分人展开了讨论······这时教员再启发学生类比单摆的情况推导双线摆的周期公式：（是双线中垂线的长度），这时教员总结归纳：不管是单摆，还是双线摆，它们的周期公式都与摆锤的质量无关，可以用测量周期和摆长的方法确定实验所在地的重力加速度的大小。最后教员还可与学员共同探讨课下进行实验验证的方法：比如改变摆线长度做几组双线摆、单摆周期的对比实验等。 3.3复摆的设计——“微振动的简谐运动规律”的拓展演示案例设计之二
为了让全体学员在达到共同要求的基础上，实现多元化发展，激发他们不断创新、持久求知的意识，培养其乐于合作、善于交流、勇于实践的科学态度，教员与学员共同设计制作了复摆演示实验装置。如图3所示：用厚的硬纸板和彩色卡纸做一个漂亮的小猴面具，将小猴面具的眼睛、嘴等部位镂空，演示时教员将手指插入面具的眼睛或嘴等部位的镂空处，并将此手指压在黑板面上固定，让面具绕手指做微振动，可以让学员观看“微振动的简谐运动规律”了，教员在演示此复摆——小猴面具（摆锤）绕固定轴（手指）做小角度摆动时，提醒学员：“观察此时面具的摆动规律与单摆的情况相比有什么共同点？”引导学员答出面具运动的周期性规律，然后启发学生思考其周期如何确定。当教员一边引导一边带领学员推导出复摆的周期公式：时，可趁机启发：这为我们提供了一种测量物体（如图3中的面具）转动惯量的方法，并提问：“要利用此公式得到物体的转动惯量，需要测量哪些物理量呢？”让学生思考讨论后，教员进行总结升华，课堂信息量将大大提升。
4多种“摆的演示”案例对大学物理“实验探究型”授课模式的启示
从上述几个课堂实验——“摆的微振动演示案例”的实践效果来看，物理课堂演示实验确实能为学员提供生动鲜明的直观形象，并且容趣、疑、难为一体，是创设思维情境的良好素材，由于演示实验要求内容的安排由浅入深，由表及里，促使教员在备课时积极设计新实验，探究实验现象，并总结升华得到教材中的主要定理与定律，因此使教员自动摒弃“照本宣科”教学状态，对教员的授课能力是全新的锻炼；在“实验探究型”授课模式中，学员是实验操作、设计的参与者，更是见证实验现象的观摩、讨论主体，部分课可以采用实验现象对比、“物理原理辩论”的方式使课堂重要定理越辩越明。作为信息化条件下军校物理课的教员，我们应时刻关注如何利用有限的课堂时间，挖掘学生的科技创新潜能，磨练其严谨务实的性格、培养其合作探究的意识和手脑并用的习惯，才能让这些未来的军事精英更加有实力掌控变幻莫测的高技术战场。
参考文献：
[1]周风帆，王浩程.大学物理演示实验的价值重构[J].大学物理，2011，30（8）：46-50.
[2]黄英.关于提高大学物理课堂教学质量的方法与实践[J].北京师范大学学报（自然科学版增刊），2012，19-20.
[3]郑志远，张自力，樊振军等.物理演示实验的作用与课程建设实践[J].中国科技信息，2010，（20）：318-319.
[4]黄英，潘学琴，戚英华.大学物理简易演示实验的设计[J].中国教育科研杂志，2010，22（4）：29-30.
[5]黄英，姚国政，刘影.基于物理兴趣培养的演示实验授课新模式的探讨[C]//迟宝山，李胜利.装甲兵工程学院2012年教育转型研讨活动论文集：深化教育转型创新 全面提高人才培养质量.北京：金盾出版社，2012，141-144.
作者简介：
黄英（1978-），女，湖南邵阳人，硕士研究生，讲师.
关键词：摆的周期性；演示实验；大学物理；实验探究；授课模式
中图分类号：G642.423 文献标识码：A
1建立基于随堂演示的大学物理“实验探究型”授课模式的重要意义
大学物理学是一门以实验为基础，集多种创新思想、探索理念与研究方法于一体的基础科学，其大多数物理原理都来源于对实验现象的升华或对实验规律的总结[1]，因此教学大纲中明确规定了演示实验教学的地位和作用，要求“抽象的物理规律应通过大量的实验和细致的观察得到”。然而在过去的理论教学中，物理定理的证明及应用大多采用公式推导，其中用到的微积分[2]知识较多，学生感到枯燥，不易对物理这门课产生强烈兴趣。结合近几年的课堂教学实践，发现很多看似深奥的理论知识点若借助于课堂演示实验进行启发和引导，立刻变得浅显明了，大部分学员开始主动探究物理本质规律，其“课堂参与”意识及互动热情远远胜于坐在“冷板凳”上当听众时的状态，课堂气氛明显活跃起来，尤其让人感动的是，不少平时畏惧物理、对教员“敬而远之”的“弱势学员”也开始以“实验主人翁”的态度配合教员的课堂演示，方便了教员与这类学员的近距离交流。由于演示实验教学过程突出了实践对理论知识的检验，能够化抽象为具体，使学生根据有趣的现象和些许点拨就能深刻理解物理概念和原理，实现事半功倍的教学效果，因此近年来，全国各高校对物理演示实验都十分重视[3]，本院也投入了经费进行了物理演示实验室的初步建设，然而，目前本院的课堂演示实验还基本没有普及，只是少量教员在部分课堂上尝试使用，大部分教学班级的教员基本没有应用该教学方法，原因如下：有的演示实验仪器设备复杂，比如J-LD23型复摆实验装置，需要水平仪、光电计时器，光电门滑座等等，测量时必须几次对仪器调平衡，操作步骤比较繁琐，初学者容易测量不准，在课堂操作比较耽误时间；有的演示仪器太大或太笨重，不易搬移，比如演示角动量守恒定律的茹可夫斯基凳，教员或学员在挪动那个底盘固定、能转动的铁转椅和两个重锤时很不方便，在短短的课间十分钟要将它们搬移出器材室再上下楼梯都有较大困难；还有的演示实验在课堂的明亮环境下，看不清楚实验现象，比如光学的干涉、衍射实验······因此，教员自主开发研究一些结构简单，携带方便的演示实验仪器就很有必要[4]，下面以“摆的周期性演示案例”为例对大学物理“实验探究型”授课模式进行初步的探讨。
2大学物理“实验探究型”授课模式在我院推广的基础
信息化条件下军事训练改革深化发展，对初级指挥人才的培养模式提出了新要求，我院培养的高素质初级指挥军官人才应具有较强的创新能力和科学素质，这对大学物理的基础教学提出了更高更新的要求。“实验探究型”授课模式的特点是：教员不把现成的结论告诉学员，而是通过课堂演示，启发学员自主考察实验现象，学员通过分析实验表象的特点发现问题，然后在教员的点拨下按照科学的方法探究（包括猜想与推导）出相关的核心定理或重要概念的基本形式，从而获取本堂课的核心知识，一般学员通过观摩课堂演示或参与实践，能较快明白相关知识的灵活应用。通过近几年对不同层次学员进行的问卷调查分析，发现我院本科教学班由两类学员组成：大部分为高中毕业入伍的青年学员，这些学员基本为“九零后”的新一代大学生，课堂表现思想活跃，有较强的求知欲望，他们希望有发展自己聪明才智和创造能力的机会与场所，而陈旧的教学方式已不能满足他们对新知识的渴望；另一小部分为战士学员，他们有一定的基层部队工作经历，大多数接触过部队装备，这些学生普遍动手能力较强，与纯理论课相比，他们也更喜欢“动手+动脑+用心”的演示教学法[5]——“实验探究型”授课模式，因此在我院大学物理课堂上推行“实验探究型”授课模式很有意义。
3用多种“摆的演示”案例探讨物理“实验探究型”授课模式的实践
通过课堂实践及对学员的问卷调查，发现我们设计的几个简单的“摆的周期性振动”演示案例能够启迪思维，增强课堂互动效果，该类演示实验成了新授课模式下物理课堂的亮点。
3.1单摆的设计——“微振动的简谐运动规律”的演示案例
如图1所示，将一根不能伸缩的长细线的一端拴一个小挂锁（或其他小物体），另一端固定在一个铁架子上，当长细线的质量与小挂锁的体积都可以忽略时，整个系统构成了单摆，教员就可以用此装置在课堂上演示“微振动的简谐运动规律”了。这个演示实验的设计理念是：鼓励学员在课堂上通过主动参与实验，细心观察小挂锁的运动规律，然后通过分组讨论交流，研究小挂锁做小角度摆动过程中所受到的力和力矩，最终在教员的启发下得到小挂锁（摆锤）的角加速度公式：，然后教员再进行提示：“此角加速度公式与简谐运动的典型微分方程式在形式上有什么关系呢？”，细心的同学很快回答：“它们的形式完全相同！”······于是本讲的核心议题——“单摆摆锤做小角度摆动时满足简谐运动的基本规律”得到了证明。如果教员想让学员更多地参与实验演示，并且让课堂气氛更活跃的话，可以用儿童玩具“溜溜球”来代替单摆的实验装置，选一个手不发抖、军事素质过硬的学员来当人体支架，学员在物理课堂做单摆演示实验时，军姿挺拔，台下的观众更是屏住呼吸全神贯注地观看实验现象，一些学员甚至站起来准备随时抢答问题。
3.2双线摆的设计——“微振动的简谐运动规律”的拓展演示案例设计之一
课堂演示实验的主旨不仅仅是为了得到本次课的核心知识原理而做的必要的铺垫，它在挖掘学员的创新潜力、激发学员的课堂主体意识、完善课堂的育人功能方面都有着非常重要的作用，因此教员常常可以在做完教材指定的常规型演示实验后，抛出一些设计性演示实验的课题，引导学员的发散思维，得到更多创造性的“奇思妙想”，更大限度地给予年轻学生们创造的机会：比如，当教员完成单摆实验后，故意提出问题：“在我们的日常生活中，除了单摆以外，还有什么样的摆呢？它们的周期如何计算呢？”于是有的同学会提出钥匙链类型的摆，有的会说瑞士挂钟的钟摆，五花八门的答案都会出来，教员可趁机拿出早准备好的双线摆，因为我们在选择课堂演示实验器具时，应注重发展简易且新颖的实验手段和方法。如图2所示：将单摆装置上的无弹性的长细线换成两根，一端挂重物（小挂锁），并将两根线的长度取齐，对称地固定悬挂在铁架台上，就构成了双线摆装置。教员在演示双线摆的小挂锁（摆锤）做小角度摆动时，提醒学员：“观察此时小挂锁的摆动规律与单摆的情况相比有什么共同点？”······引导学员发现小挂锁运动的周期性规律，然后启发学生思考：“当双线摆中折叠的两根线长度和单摆摆线的长度相同时，双线摆的周期和单摆的周期一样长吗？”同学们开始猜想：一些人认为它们的周期是一样的，另一些人认为双线摆的周期等效于摆长为双线中垂线的单摆的周期，所以不一样，于是部分人展开了讨论······这时教员再启发学生类比单摆的情况推导双线摆的周期公式：（是双线中垂线的长度），这时教员总结归纳：不管是单摆，还是双线摆，它们的周期公式都与摆锤的质量无关，可以用测量周期和摆长的方法确定实验所在地的重力加速度的大小。最后教员还可与学员共同探讨课下进行实验验证的方法：比如改变摆线长度做几组双线摆、单摆周期的对比实验等。 3.3复摆的设计——“微振动的简谐运动规律”的拓展演示案例设计之二
为了让全体学员在达到共同要求的基础上，实现多元化发展，激发他们不断创新、持久求知的意识，培养其乐于合作、善于交流、勇于实践的科学态度，教员与学员共同设计制作了复摆演示实验装置。如图3所示：用厚的硬纸板和彩色卡纸做一个漂亮的小猴面具，将小猴面具的眼睛、嘴等部位镂空，演示时教员将手指插入面具的眼睛或嘴等部位的镂空处，并将此手指压在黑板面上固定，让面具绕手指做微振动，可以让学员观看“微振动的简谐运动规律”了，教员在演示此复摆——小猴面具（摆锤）绕固定轴（手指）做小角度摆动时，提醒学员：“观察此时面具的摆动规律与单摆的情况相比有什么共同点？”引导学员答出面具运动的周期性规律，然后启发学生思考其周期如何确定。当教员一边引导一边带领学员推导出复摆的周期公式：时，可趁机启发：这为我们提供了一种测量物体（如图3中的面具）转动惯量的方法，并提问：“要利用此公式得到物体的转动惯量，需要测量哪些物理量呢？”让学生思考讨论后，教员进行总结升华，课堂信息量将大大提升。
4多种“摆的演示”案例对大学物理“实验探究型”授课模式的启示
从上述几个课堂实验——“摆的微振动演示案例”的实践效果来看，物理课堂演示实验确实能为学员提供生动鲜明的直观形象，并且容趣、疑、难为一体，是创设思维情境的良好素材，由于演示实验要求内容的安排由浅入深，由表及里，促使教员在备课时积极设计新实验，探究实验现象，并总结升华得到教材中的主要定理与定律，因此使教员自动摒弃“照本宣科”教学状态，对教员的授课能力是全新的锻炼；在“实验探究型”授课模式中，学员是实验操作、设计的参与者，更是见证实验现象的观摩、讨论主体，部分课可以采用实验现象对比、“物理原理辩论”的方式使课堂重要定理越辩越明。作为信息化条件下军校物理课的教员，我们应时刻关注如何利用有限的课堂时间，挖掘学生的科技创新潜能，磨练其严谨务实的性格、培养其合作探究的意识和手脑并用的习惯，才能让这些未来的军事精英更加有实力掌控变幻莫测的高技术战场。
参考文献：
[1]周风帆，王浩程.大学物理演示实验的价值重构[J].大学物理，2011，30（8）：46-50.
[2]黄英.关于提高大学物理课堂教学质量的方法与实践[J].北京师范大学学报（自然科学版增刊），2012，19-20.
[3]郑志远，张自力，樊振军等.物理演示实验的作用与课程建设实践[J].中国科技信息，2010，（20）：318-319.
[4]黄英，潘学琴，戚英华.大学物理简易演示实验的设计[J].中国教育科研杂志，2010，22（4）：29-30.
[5]黄英，姚国政，刘影.基于物理兴趣培养的演示实验授课新模式的探讨[C]//迟宝山，李胜利.装甲兵工程学院2012年教育转型研讨活动论文集：深化教育转型创新 全面提高人才培养质量.北京：金盾出版社，2012，141-144.
作者简介：
黄英（1978-），女，湖南邵阳人，硕士研究生，讲师.