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打造学生追捧的实验“神器”

| 2020-10-06

6月18日,在陕西师范大学科学教育仪器研究开发中心实验室,张宗权向记者介绍他研发的光学系列实验仪器。

1997年—2007年,英国作家J·K·罗琳创作的系列小说《哈利·波特》畅销全球,其中的神奇道具——“隐身斗篷”吸引了无数人的眼球。许多人对人类实现长久以来的“隐身”梦想充满期待。在现实世界中,经过科学家的不懈努力,隐身技术虽然在不同领域都取得了进展,但尚未达到“光学隐身”这一最高境界。

“我们之所以可以看见物体,是因为眼睛能看到来自物体的光线。要实现‘光学隐身’,必须满足两个条件,一是隐身的物体不发光,二是隐身的物体对位于其后侧的景物‘无遮挡’,就是能从隐身物体的前方无障碍地看到隐身物体后侧的景物,且隐身物体没有阴影。前者容易达到,而后者难度非常大。”陕西师范大学教授级高级实验师张宗权说。

张宗权长期从事大学物理实验教学、科学教育仪器研发和探究性物理实验的研究设计工作。为了激发学生的科学兴趣,从而感受到基础学科在现代科技中的基石作用,张宗权研发了光学隐身斗篷实验演示仪、光在非均匀介质中的弯曲传播特性及应用科普实验系统等一系列科学教育仪器,大受学生欢迎,让物理这样略显枯燥的基础学科课堂“活”了起来。

工欲善其事,必先利其器。“实验仪器是实验教学不可缺少的工具,对教学质量的保障与提高作用显著。2018年初,学校整合物理、化学、材料、生物、地理、食品、计算机等7个学科资源,成立了科学教育仪器研究开发中心,为大学教育、中小学师资培训及科普工作研发科学教育仪器。”陕西师范大学科学教育仪器研究开发中心(以下简称科教仪器研发中心)主任张尊听教授说。

光学趣味性实验打造“网红”课

张宗权是科教仪器研发中心光学探究性实验仪器研制与实验内容设计的学术带头人。为了启迪学生的创新思维,起到“打开一扇窗户”的作用,张宗权研发了一系列趣味性、探究性光学实验仪器,让学生能够“看明白”多种神奇的光学现象。

以光学隐身斗篷实验演示仪为例,记者在科教仪器研发中心实验室看到,这是一种开放式光学隐身实验装置,“隐身斗篷”是由一组不同形状的水棱镜组合构造的隐形空间,外部物体可以无障碍进入其中,能够实现可见光范围内的完全隐身,而隐形物体后面的景物却“一览无余”。

“这是我们基于光的折射原理,通过巧妙的结构设计,实现了物体的光学隐身。”张宗权说,“在实验装置功能器件尺寸确定的情况下,隐形空间的大小可变,有利于学生更深刻地理解光学隐身的物理本质。”

除了光学隐身斗篷实验演示仪,张宗权自主研发的光在非均匀介质中的弯曲传播特性及应用科普实验系统也激发了学生的学习热情。这套科普实验系统在2018年全国科学实验展演汇演活动中获得了一等奖,同时获得最佳实验创意奖,是本次活动中仅有的两个最佳实验创意奖获奖项目之一。

“日常生活中,不论是照明灯光、汽车灯光、手电筒光还是激光束,都是直线传播的,因此人们心中‘光沿直线传播’的概念根深蒂固。”张宗权说,“我们以自来水为工作介质,基于水的‘热光效应’,利用自有专利技术,在水中快速构造出大尺度、高梯度、可重复使用的非均匀透明介质,让学生能够在光线的侧面观察其弯曲传播轨迹,通过视觉与触觉感受,深刻理解光在非均匀介质中弯曲传播的物理原理。”

目前,张宗权共研发科学教育仪器20余台(套),获得国家授权发明专利20余项。借助这些仪器,许多枯燥难懂的理论都变得“看得见、摸得着”。科教仪器研发中心开设的选修课——大学科学实验课也成为陕师大的“网红”课,每年选课时都是学生们追捧的对象,许多文科生都跑来听课。

让孩子们主动学快乐学

作为师范类院校,陕西师范大学对于适合中小学生的科学教育仪器研发和中小学教师人才培养也十分重视。

6月13日,由科教仪器研发中心和陕西省青少年科技教育协会等联合主办的2019年陕西省青少年创新教育研讨会在陕西师范大学锦园中学举办。研讨会上,锦园中学未来科学探究实验室正式落成使用。科教仪器研发中心为实验室提供的光学系列实验仪器、教育机器人、超导磁悬浮系列实验仪器等引起了学生的浓厚兴趣。

“目前国家和陕西省对青少年科技创新教育非常重视,学校将努力承担起培养优秀科学教师的使命。”陕西师范大学党委常委、副校长杨祖培教授在研讨会上说,“培养中小学生创新能力的核心就是培养创新思维,各中小学应该在能力允许的范围内创造良好的科学探究平台,在教学内容、教学手段和教学方式上不断变革,把培养学生创新精神和实践能力作为工作重点。”

基于这样的理念,科教仪器研发中心教育机器人产品研制学术带头人秦健副教授做了大量有益尝试。“我们组建了技术教育与创新实验室(园丁创客空间),面向校内教育技术专业创新班的学生开设人工智能课程,以机器人项目为依托进行实践教学。”秦健告诉记者,“目前我们已经培养了40余位师范毕业生,活跃在中小学教学一线,他们指导的学生在国家级或省级青少年科技创新大赛及机器人比赛中取得了优异成绩。”

2018年4月,秦健和她的团队在中国大学MOOC(慕课)平台上开设了教师能力提升慕课——如何做创客教育,目前修课人数已经达到1.4万余人。团队还与陕师大锦园中学、西安高新国际学校等20余所中小学建立了横向课题合作,进行中小学信息技术、通用技术及机器人教学的探索。

“我们将发挥学校教育技术专业优势,面向中小学探索机器人教育和创客教育,加强学生创新能力培养,让孩子们主动来学、快乐地学。”秦健说。

科普活动 给梦想插上翅膀

“习近平总书记去年在全国两院院士大会上指出,当科学家是无数中国孩子的梦想,我们要让科技工作成为富有吸引力的工作、成为孩子们尊崇向往的职业,给孩子们的梦想插上科技的翅膀,让未来祖国的科技天地群英荟萃,让未来科学的浩瀚星空群星闪耀!”张尊听教授说,“科教仪器研发中心自成立以来,就积极投身各类科普公益活动,希望在孩子们的心田种下科学的种子。”

5月17日,秦健和她的团队参加了西安市第一中学第11届校园文化节科技类展示活动。团队带去了连续3次去美国参加VEX机器人世界锦标赛的3台机器人,为孩子们进行了讲解和演示,点燃了孩子们的学习热情。在互动环节,学生亲自动手体验了跳舞机器人、乐高机器人、DIY六足机器人、PVC机器人等团队作品,用自己的双手感受了创造的乐趣。

“我和同学们都愿意参加这样的科普活动,激发孩子们的科学兴趣和热情,培养他们的动手动脑能力。”团队成员、陕西师范大学教育技术专业大三学生管鑫说。

除了秦健和她的教育机器人产品研制团队,科教仪器研发中心的光学、电磁学、人工智能等研发团队也都积极投身科普活动。目前,各团队已开展科普实验课和科普讲座上百次,听课学生超过2万余人。

“每年全国科普日、科技活动周期间,我们都会组织团队带着最新最有趣的实验仪器到中小学进行科普教育宣传活动,特别是安排去一些农村地区的学校,拓展学生的知识视野,激发学生的创造性思维。”张尊听教授说。(记者 霍强)

编辑:谢珊

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