|作者：劉玲麗1,? 陳征2

(1 北京科技創(chuàng)新促進(jìn)中心 文化科技與科普工作部)

(2 北京交通大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院)

本文選自《物理》2025年第7期

01

引 言

在信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等浪潮的鼓蕩下，人類文明前所未有地從信息匱乏來到了信息過剩的時代。與此同時，我國在經(jīng)歷了幾十年的快速發(fā)展后，科技發(fā)展模式也從“學(xué)習(xí)消化”進(jìn)入了“高水平科技自立自強(qiáng)”的全新時期[1]。新的時代特征和國家需求都強(qiáng)烈要求當(dāng)前的人才培養(yǎng)要徹底扭轉(zhuǎn)“教知識、學(xué)知識、背知識、考知識”的應(yīng)試模式，從教學(xué)生“高效掌握已知”變?yōu)閹蛯W(xué)生“學(xué)會探索未知”，讓學(xué)生有能力在“兩有三無”(即有限時間、有限資源，無標(biāo)準(zhǔn)答案、無現(xiàn)成范式、無最優(yōu)解法的真實(shí)情境)的情況下解決現(xiàn)實(shí)問題。

02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的第一陣地

“從實(shí)踐中來，到實(shí)踐中去”是馬克思主義認(rèn)識論的基本觀點(diǎn)。以此審視物理學(xué)的建立過程：從實(shí)驗(yàn)探究數(shù)據(jù)的積累開始，然后通過歸納或演繹形成理論，再將理論付之實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在一次又一次“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的迭代過程中去偽存真，最終構(gòu)成輝煌的人類智慧大廈。學(xué)習(xí)物理同樣是“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的基本模式：先通過實(shí)踐體驗(yàn)建立感性認(rèn)識，然后通過理論學(xué)習(xí)形成知識體系，再將知識體系運(yùn)用到實(shí)際的科學(xué)研究或工程實(shí)踐中去，最終內(nèi)化形成創(chuàng)新能力。當(dāng)前的物理教育中，實(shí)踐環(huán)節(jié)主要通過物理實(shí)驗(yàn)承載，因此物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是最核心、最重要的培養(yǎng)方式，是學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的第一陣地。

當(dāng)前，中學(xué)到大學(xué)課堂的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要有兩種基本形式：一是承擔(dān)興趣激發(fā)、感官經(jīng)驗(yàn)建立功能的演示實(shí)驗(yàn)(或稱表演實(shí)驗(yàn))；二是承擔(dān)基本實(shí)驗(yàn)方法和技能訓(xùn)練功能的分組實(shí)驗(yàn)(或稱定量實(shí)驗(yàn))。初高中階段，演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)主要作為理論課程中的教學(xué)環(huán)節(jié)出現(xiàn)，雖然各個版本的教材略有不同，但均設(shè)計(jì)了數(shù)十個必做的演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)。到了大學(xué)階段，分組實(shí)驗(yàn)通常以與理論課平行的專門必修課——大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的形式開展，演示實(shí)驗(yàn)則各有不同，以隨堂或?qū)ｉT演示實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的方式作為理論課或?qū)嶒?yàn)課的教學(xué)環(huán)節(jié)出現(xiàn)[2]。

圖1　演示實(shí)驗(yàn)(左)和分組實(shí)驗(yàn)(右)實(shí)驗(yàn)室

這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容在學(xué)生習(xí)得基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)方法技能方面的確發(fā)揮了一定作用，但距擔(dān)負(fù)起創(chuàng)新能力培養(yǎng)第一陣地的責(zé)任還有一定距離。據(jù)筆者團(tuán)隊(duì)的調(diào)研，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖然設(shè)計(jì)了探究型實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際實(shí)施時往往成為按照規(guī)定的實(shí)驗(yàn)步驟按部就班的技能學(xué)習(xí)；大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)則存在對實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等技能和方法做了大量訓(xùn)練，卻對如何將習(xí)得技能運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)場景中(包括思路、原則、方法)引導(dǎo)普遍不足的問題。

03

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)思想方法培育

本刊“物理思想進(jìn)課堂”專欄已有數(shù)篇文章論述思想方法對物理教育的重要性[3]，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)然不能除外。特別是當(dāng)前蓬勃發(fā)展的短視頻，讓簡單現(xiàn)象呈現(xiàn)式的演示實(shí)驗(yàn)吸引力明顯減弱，新興學(xué)科、交叉學(xué)科的層出不窮也讓學(xué)生對幾十年不變的經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)的興趣越來越低，實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生的積極性和認(rèn)真程度均有明顯的下降趨勢。只有以思想方法為抓手，更新實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和內(nèi)容，才可能提高學(xué)生獲得感，達(dá)成實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

有一些可行的辦法供參考：

對演示實(shí)驗(yàn)，一方面可以“還原認(rèn)知過程”，結(jié)合科學(xué)史把各個演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象散點(diǎn)嵌入物理學(xué)發(fā)展演變的歷史脈絡(luò)中，讓學(xué)生不是簡單“看熱鬧”，而是通過一個個現(xiàn)象了解今天我們所學(xué)的知識是依據(jù)什么思路、方法、原則來構(gòu)建和完善的。例如，對于小孔成像、反射、折射、干涉、衍射、偏振、激光等一系列光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，可以依光學(xué)史的脈絡(luò)將其作為射線說、微粒說、波動說直至波粒二象性等人類對光認(rèn)知演變中的一個個具體實(shí)例。把散點(diǎn)式的現(xiàn)象呈現(xiàn)融入故事“穿珠成串”，就能讓學(xué)生在對各個現(xiàn)象建立感官經(jīng)驗(yàn)的同時，了解物理學(xué)從原始粗糙到精致嚴(yán)密的發(fā)展過程。在面對全新問題時，學(xué)生才可能通過參考、移植前人的思路、原則、方法來構(gòu)建自己的認(rèn)知，解決現(xiàn)實(shí)問題。另一方面還可以“還原應(yīng)用場景”，用各種實(shí)際應(yīng)用場景組織內(nèi)容，把現(xiàn)象、規(guī)律的具體應(yīng)用路徑呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生知道所學(xué)的東西有什么用、能怎么用。例如手持激光測距儀、激光干涉測距儀和激光雷達(dá)等產(chǎn)品解決了不同環(huán)境、量程、精度要求下的測距問題乃至二維、三維場景重構(gòu)問題，而它們其實(shí)就是基于我們非常熟悉的光的折射、干涉、光脈沖飛行時間(TOF)等現(xiàn)象。

對定量實(shí)驗(yàn)，則可以在學(xué)生學(xué)會基本儀器儀表使用、數(shù)據(jù)采集和處理方法的前提下，適當(dāng)減少。雖然學(xué)科主題不同，但在具體實(shí)驗(yàn)技能、方法、訓(xùn)練目標(biāo)相似的經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)課上，可以將這些課時調(diào)整給學(xué)生的創(chuàng)新思路和方法的內(nèi)容。在這方面，近些年已有一些高校開設(shè)了明確任務(wù)目標(biāo)，保證提供的儀器設(shè)備能支持以多個技術(shù)路線，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案達(dá)成目標(biāo)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程，這是一種很好的嘗試。在此基礎(chǔ)上，還可以參考國際青年物理學(xué)術(shù)競賽(IYPT)等優(yōu)質(zhì)的探究題目，為學(xué)生進(jìn)一步開設(shè)接近真實(shí)科研或工程場景的項(xiàng)目式探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生接近真實(shí)探究過程地解決“兩有三無”問題。從近年來國內(nèi)大學(xué)、高中采用IYPT題目開展的活動來看，這一方式能夠十分顯著地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

04

為思想方法培育打造專門的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

目前大、中學(xué)實(shí)驗(yàn)室的配備普遍存在專用化且集成度高的情況,導(dǎo)致學(xué)生在一個實(shí)驗(yàn)中習(xí)得的技能和方法常常不能順利移植到別處,也難以支撐前述的接近真實(shí)科研或工程場景的項(xiàng)目式探究實(shí)驗(yàn)。筆者團(tuán)隊(duì)通過對IYPT、北京市物理實(shí)驗(yàn)競賽、光電設(shè)計(jì)大賽、青少年創(chuàng)新大賽、宋慶齡發(fā)明獎等大中學(xué)生創(chuàng)新活動內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)梳理,與真實(shí)的科學(xué)研究探索過程進(jìn)行對照,再以還原論的基本思維范式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的探究過程可以分解成四個環(huán)節(jié)：一是樣品制備；二是裝置搭建；三是環(huán)境調(diào)控；四是觀測表征,其中每個環(huán)節(jié)的儀器設(shè)備往往可以支撐多個不同主題的研究任務(wù)。例如，一臺3D打印機(jī)既可以為流體實(shí)驗(yàn)制造不同的氣動外形結(jié)構(gòu),也可以為軟物質(zhì)實(shí)驗(yàn)制作不同形貌的基本顆粒；對直線導(dǎo)軌、旋轉(zhuǎn)平臺等進(jìn)行組合,就可以搭建各種運(yùn)動機(jī)構(gòu)；一個加熱平臺既可以為光纖溫度傳感器提供測試環(huán)境,也可以為材料膨脹系數(shù)的測量提供條件；萬用表、示波器、風(fēng)速計(jì)、特斯拉計(jì)等儀表和多種多樣的基于開源硬件的數(shù)字化傳感器甚至手機(jī)傳感器就可以覆蓋大多數(shù)的測量任務(wù)。

圖2　價格便宜、功能豐富的開源硬件和各類傳感器

基于以上分析,筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種通用探究平臺型的物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室方案,此種實(shí)驗(yàn)室不再按照學(xué)科主題或知識點(diǎn)配備,而是按照科學(xué)研究環(huán)節(jié)配備必要的通用設(shè)備和環(huán)境條件，通過設(shè)備的各種組合支撐各種具體的探索項(xiàng)目，如表1所示。

表1　通用探究平臺型物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)室方案的設(shè)備和環(huán)境條件

不同學(xué)段的實(shí)驗(yàn)室會有不同的基礎(chǔ)配置，每個學(xué)段的基礎(chǔ)配置均足以支撐該學(xué)段的大多數(shù)探究活動。同時還可以根據(jù)學(xué)校的優(yōu)勢特色、發(fā)展方向等進(jìn)行靈活選配，為學(xué)生提供更豐富和深入的探索支撐。根據(jù)這一思路編制的小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室和初中物理探究實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)版在2023年已被《北京市義務(wù)教育階段“科學(xué)探索實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)指南》采用，大學(xué)版也在北京交通大學(xué)物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心試點(diǎn)運(yùn)行一年，明顯提高了學(xué)生探究活動的效率。

05

結(jié) 語

物理學(xué)是自然科學(xué)中的基礎(chǔ)學(xué)科，物理教育在科學(xué)教育工作中常常扮演著提供核心內(nèi)容、基本范式、思想方法等的重要角色。因此，在全新的歷史階段，與時俱進(jìn)地革新教育理念，優(yōu)化教學(xué)模式，為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)趟出一條高效路徑，是當(dāng)代物理教育工作者的重要使命。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中強(qiáng)化思想方法，是提高學(xué)生創(chuàng)新能力，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)乃至物理教育育人效能的有效途徑，還需要所有同仁群策群力，廣泛交流，不斷探索，才能讓我們的教學(xué)工作跟上時代步伐，滿足國家發(fā)展和學(xué)生成長的迫切需求。

參考文獻(xiàn)

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[3] 魏紅祥，陳征，張玉峰 等 . 物理，2021，50(12)：853

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