開放式物理實(shí)驗交流平臺及教學(xué)輻射作用

李潮銳,姚若河,何振輝,孫番典,楊 燕,皮飛鵬,蘇成悅,蔡志崗,歐陽紅群

(1.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275;2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院,廣東廣州510641;3.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東廣州510631;4.暨南大學(xué)物理系,廣東廣州510632;5.廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,廣東廣州510006;6.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,廣東廣州510006)

開放式物理實(shí)驗交流平臺及教學(xué)輻射作用

李潮銳1,姚若河2,何振輝1,孫番典3,楊 燕4,皮飛鵬5,蘇成悅6,蔡志崗1,歐陽紅群1

(1.中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510275;2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院,廣東廣州510641;3.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東廣州510631;4.暨南大學(xué)物理系,廣東廣州510632;5.廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,廣東廣州510006;6.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,廣東廣州510006)

為了滿足大學(xué)生多元化學(xué)習(xí)需要,目前高校物理實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容豐富、教學(xué)形式多樣,而操作簡易化卻使教與學(xué)雙方部分忽視了物理實(shí)驗的教學(xué)意義.基于“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”所構(gòu)建的開放式物理實(shí)驗教學(xué)交流平臺與物理實(shí)驗示范中心作用互補(bǔ),在有效利用高校現(xiàn)有教學(xué)資源基礎(chǔ)上,通過關(guān)注物理實(shí)驗測量基本原理和實(shí)驗物理相關(guān)性,促進(jìn)實(shí)驗教學(xué)方法改革,提高物理實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量.交流平臺超越《教育部高等院校物理實(shí)驗基礎(chǔ)教學(xué)示范中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》示范要求,教學(xué)受益面廣泛,輻射“靶向”作用直接、明確.

物理實(shí)驗;交流平臺;輻射作用

1 引 言

《教育部高等院校物理實(shí)驗基礎(chǔ)教學(xué)示范中心建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(下簡稱《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》)中指導(dǎo)性地提出具有共性的實(shí)驗項目、教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗技術(shù),同時也鼓勵根據(jù)不同時期和不同區(qū)域發(fā)展需要的個性化實(shí)驗課程建設(shè),強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗平臺的教學(xué)輻射作用.

《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中所突出的實(shí)驗平臺示范作用并非(硬件)實(shí)驗項目或教學(xué)內(nèi)容的簡單復(fù)制,其真正意義在于通過(軟件)教學(xué)技術(shù)和教學(xué)方法交流達(dá)到提高(區(qū)域)高校物理實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量的目的.顯然,校際間有選擇地調(diào)研存在片面性和局限性,通常這種交流作用也僅僅是單向性.

《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中所強(qiáng)調(diào)的教學(xué)輻射作用側(cè)重于物理學(xué)科本身.物理學(xué)既是一門基礎(chǔ)學(xué)科又是一門實(shí)驗學(xué)科,物理實(shí)驗課程不僅是理工醫(yī)等學(xué)科的必修課程,也是文商管等學(xué)科的本科課程.事實(shí)上,掌握物理實(shí)驗原理是深入探索理工醫(yī)科學(xué)問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié);理解物理實(shí)驗思想、分析(技術(shù))方法有助于文商管的信息數(shù)據(jù)發(fā)掘.相對于其他學(xué)科實(shí)驗示范中心,物理實(shí)驗平臺(和實(shí)驗課程)建設(shè)更需要體現(xiàn)物理跨學(xué)科教學(xué)輻射作用.

教學(xué),即教與學(xué).可以認(rèn)為,物理實(shí)驗基礎(chǔ)教學(xué)示范中心必須實(shí)現(xiàn)“教”和“學(xué)”兩方面的輻射作用,但是普遍關(guān)注的僅側(cè)重于前者.因此,如何真正實(shí)現(xiàn)依照《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)評估指標(biāo)而建成的物理實(shí)驗平臺(跨學(xué)科)教學(xué)輻射作用,依然是目前物理實(shí)驗中心建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵.

針對上述物理實(shí)驗教學(xué)需要,近年來廣東省物理學(xué)會通過“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”,同時結(jié)合省內(nèi)高校物理實(shí)驗中心的教學(xué)示范作用需要,逐步完善并構(gòu)建了開放式物理實(shí)驗教學(xué)交流平臺,不僅體現(xiàn)了物理基礎(chǔ)學(xué)科地位,也實(shí)現(xiàn)了物理跨學(xué)科教學(xué)輻射作用.

2 構(gòu)建教學(xué)交流平臺

為了滿足大學(xué)生多元化學(xué)習(xí)需要,目前高校物理實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容豐富、教學(xué)形式多樣[1-4].然而,部分操作簡易化(或集成化)的教學(xué)設(shè)備卻使教與學(xué)雙方都忽視了物理實(shí)驗存在的價值和教學(xué)意義.物理量的基本特征是量級和量綱(單位),從而它也決定了物理測量所需設(shè)備類型及其測量精度;物理實(shí)驗不僅關(guān)注測量不確定度和數(shù)據(jù)分析的物理原理,更需要消除測量對被測對象的干擾;為了保證實(shí)驗測量科學(xué)性,需要對測量所用設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定.在目前物理教學(xué)實(shí)驗基本采用成套設(shè)備(或操作簡易化儀器)的硬件環(huán)境中,上述基本教學(xué)環(huán)節(jié)已被掩蓋了.“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”針對以上問題,要求參賽大學(xué)生從一個實(shí)驗項目中“了解—理解—掌握”實(shí)驗的物理原理、技術(shù)方法和結(jié)果分析,感受物理實(shí)驗的樂趣.

物理實(shí)驗設(shè)計大賽命題不是本科教學(xué)項目的復(fù)制或簡單拓展,而是比教學(xué)實(shí)驗更關(guān)注實(shí)驗的基本原理和物理本質(zhì).它采用指定題目的比賽方式,定位為與物理教學(xué)相互促進(jìn)、水平難度適當(dāng)、具有想象和發(fā)揮空間的命題,它既突出物理基礎(chǔ)又充分體現(xiàn)物理學(xué)科的輻射作用.命題明確提出目標(biāo)和指標(biāo),不限制技術(shù)方法,盡可能使參賽者能夠運(yùn)用熱、力、電、磁、光等物理原理多種途徑完成項目要求.每屆大賽命題包括基礎(chǔ)題和應(yīng)用題,前者注重物理原理與基礎(chǔ)知識的靈活運(yùn)用,而后者側(cè)重物理思想的實(shí)現(xiàn).

物理實(shí)驗設(shè)計大賽命題與本科課程實(shí)驗項目的差別在于:

1)后者已提供了具體的實(shí)驗技術(shù)方法且實(shí)驗結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是確定的,前者實(shí)施方案不唯一也不存在標(biāo)準(zhǔn)答案;

2)后者可能側(cè)重于物理研究的某一實(shí)驗環(huán)節(jié),而前者更關(guān)注物理現(xiàn)象觀測分析的全過程;

3)學(xué)生可以運(yùn)用熱、力、電、磁、光等多種物理途徑完成命題實(shí)驗項目要求,從實(shí)驗方法篩選優(yōu)化過程中指導(dǎo)教師和參賽學(xué)生共同理解并關(guān)注物理實(shí)驗相關(guān)性的重要性.

物理實(shí)驗設(shè)計大賽全程包括“命題—參賽—評判(點(diǎn)評)—交流(研討)”,每一環(huán)節(jié)都緊密結(jié)合著本科物理實(shí)驗教學(xué)水平提高需要.

2.1 命題

以下為一個真實(shí)的課堂教學(xué)小故事.為了優(yōu)化教學(xué)資源,教師利用“脈沖核磁共振實(shí)驗”部分設(shè)備功能模塊并增加邊限振蕩器組建“連續(xù)波核磁共振觀測”實(shí)驗.有學(xué)生剛進(jìn)實(shí)驗室便掉頭往外走,邊走邊告訴教師:“上學(xué)期已做這實(shí)驗了!”教師困惑:這實(shí)驗項目是本學(xué)期才開設(shè)的.經(jīng)過一番交談教師才明白,該學(xué)生上學(xué)期已完成了“脈沖核磁共振實(shí)驗”,當(dāng)他見到實(shí)驗桌上“似曾相識”的設(shè)備時,以為教學(xué)安排錯誤.隨后教師向他講解了連續(xù)波法與脈沖法的物理原理相關(guān)性及實(shí)驗測量技術(shù)的共性.稍頓,學(xué)生才恍然大悟.

上述教學(xué)例子具有普遍性.在目前絕大多數(shù)實(shí)驗教學(xué)環(huán)境中,除了多用電表、示波器等通用儀器外,基本上都采用冠以項目名稱的實(shí)驗設(shè)備(裝置).因此,學(xué)生誤解為針對每一實(shí)驗項目需要各自專用設(shè)備,而忽視了實(shí)驗測量的基本物理過程和物理量.這一教學(xué)例子對物理實(shí)驗教學(xué)的啟示:教學(xué)過程不能將實(shí)驗項目獨(dú)立授課,必須關(guān)注實(shí)驗項目之間物理原理(或測量技術(shù)分析)的內(nèi)在聯(lián)系[5].物理實(shí)驗大賽命題從發(fā)現(xiàn)這些具有普遍性的教學(xué)問題入手,注重學(xué)生運(yùn)用熱、力、電、磁、光等多種物理途徑完成同一實(shí)驗項目要求的動手能力,關(guān)注物理實(shí)驗相關(guān)性的教學(xué)必要性.

實(shí)際上,大賽命題不僅關(guān)注每一實(shí)驗項目自身的物理相關(guān)性,同時也關(guān)注每屆大賽基礎(chǔ)題與應(yīng)用題之間、不同屆命題之間的物理相關(guān)性.例如,2009年第10屆“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”中基礎(chǔ)題為弱磁場測量,而應(yīng)用題為次聲監(jiān)測,事實(shí)上,采用弱磁場測量技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)對環(huán)境次聲監(jiān)測.運(yùn)用多普勒效應(yīng)是檢測次聲信號的有效方法,大家也已發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)正是2010年第11屆“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”的基礎(chǔ)題.大賽每道命題都提供了展現(xiàn)實(shí)驗的物理相關(guān)性的機(jī)會,它在不斷地提醒高校物理實(shí)驗教學(xué)不能將每個實(shí)驗項目獨(dú)立授課.

命題素材來源于教學(xué)啟發(fā)和教學(xué)質(zhì)量提高的需要,也是教與教之間交流的體現(xiàn).

2.2 參賽

既然物理實(shí)驗設(shè)計大賽命題不是本科教學(xué)項目的復(fù)制或者簡單拓展,命題實(shí)施也不可能簡單地照搬教學(xué)實(shí)驗項目的技術(shù)方法.根據(jù)大賽命題要求,參賽學(xué)生必須在教師指導(dǎo)下通過關(guān)注實(shí)驗的物理相關(guān)性,理解實(shí)驗原理—分離測量功能模塊—設(shè)計實(shí)驗方案—評估實(shí)驗不確定度—實(shí)施方案/組裝實(shí)驗—分析實(shí)驗結(jié)果(數(shù)據(jù)),認(rèn)真完成物理實(shí)驗的全過程.

在課堂教學(xué)中,通常由于課時限制忽視了物理原理與實(shí)驗技術(shù)(方法)的對應(yīng)關(guān)系,事實(shí)上,大多數(shù)學(xué)生并不能很好地理解實(shí)驗技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗理論條件(要求),從而也難以利用實(shí)驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地描述實(shí)驗的物理規(guī)律.通過參賽,指導(dǎo)教師可引導(dǎo)學(xué)生將命題分解為若干模塊,進(jìn)而要求學(xué)生針對每一模塊尋找適當(dāng)?shù)募夹g(shù)方法;參賽組學(xué)生之間經(jīng)過探討、優(yōu)化而形成最終實(shí)驗方案.這一過程不僅使學(xué)生理解理論與技術(shù)實(shí)施的對應(yīng)關(guān)系,也促進(jìn)教師不斷改進(jìn)教學(xué)方法.

另一方面,在實(shí)驗教學(xué)中,實(shí)驗結(jié)果不確定度分析也僅僅是實(shí)驗數(shù)據(jù)測量誤差.測量對被測對象的影響、測量量標(biāo)定(校準(zhǔn))等基本實(shí)驗問題往往都被忽略了!近幾年,大賽基礎(chǔ)題已完成了包括微溫測量、微小質(zhì)量測量、微小位移測量、時間(精密)測量和弱磁場測量等實(shí)驗命題,其主要目的在于引導(dǎo)物理實(shí)驗教學(xué)過程關(guān)注測量干擾和測量標(biāo)定的重要性.如果沒有很好地解決這些問題,實(shí)驗測量還有科學(xué)意義嗎?

通過物理實(shí)驗設(shè)計大賽,指導(dǎo)教師在與參賽學(xué)生(組)實(shí)驗交流過程中,發(fā)現(xiàn)教學(xué)薄弱環(huán)節(jié)并不斷更新知識結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)教與學(xué)雙贏.因此,參賽促進(jìn)教學(xué)方法改進(jìn),也提供了教與學(xué)、學(xué)與學(xué)之間實(shí)驗探索交流.

2.3 評判(點(diǎn)評)

參賽作品的物理創(chuàng)新點(diǎn)是什么?這是每位參賽者必須回答的首要問題.物理實(shí)驗設(shè)計大賽的參賽作品必須突出所運(yùn)用的物理理論原理和實(shí)施技術(shù)物理原理,評判原則采用“物理原理”一票否決制.

參賽作品難以獨(dú)創(chuàng)出新的物理原理,可以認(rèn)為,作品所提出的實(shí)驗方案是在已有的物理原理基礎(chǔ)上進(jìn)行“再創(chuàng)作及運(yùn)用”.作品的實(shí)施技術(shù)方法也體現(xiàn)了參賽者對物理原理的理解和掌握程度,物理實(shí)驗設(shè)計大賽中所謂“創(chuàng)新”可以理解為“創(chuàng)意”;作品方案也可能是在大量參考他人成果或文獻(xiàn)的基礎(chǔ)進(jìn)行完善或提高,但作品的物理創(chuàng)新點(diǎn)必須具有原創(chuàng)性.

實(shí)驗存在測量誤差,需要對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行不確定度分析;實(shí)驗測量技術(shù)(方法)也可能對被測對象產(chǎn)生影響.作品中必須對這兩方面影響進(jìn)行評估,但可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗教學(xué)過程中測量干擾往往被忽視了.甚至認(rèn)為只要想盡辦法實(shí)現(xiàn)測量并獲得實(shí)驗數(shù)據(jù)就已達(dá)到命題要求的錯誤觀點(diǎn).

必須認(rèn)識到,物理測量的本質(zhì)是物理相互作用的過程.2009年第10屆“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”基礎(chǔ)題弱磁場(小于1 m T)測量是一個很有代表性的物理測量實(shí)驗命題.實(shí)際上,在選用電磁感應(yīng)原理實(shí)施測量的實(shí)驗方案中,只有少數(shù)參賽作品能主動意識到測量干擾并采用合理技術(shù)(方法)消除測量影響,提高測量準(zhǔn)確性和科學(xué)性.必須強(qiáng)調(diào),只有測量干擾遠(yuǎn)小于被測信號量才具有測量意義.當(dāng)測量干擾足以破環(huán)被測對象的物理狀態(tài)時,測量所得并非被測對象原狀態(tài)的本征性質(zhì).

盡管物理實(shí)驗設(shè)計大賽命題不是本科教學(xué)項目的復(fù)制或簡單拓展,但基于大賽命題與物理教學(xué)相互促進(jìn)、水平難度適當(dāng)?shù)亩ㄎ辉瓌t,參賽作品質(zhì)量既反映物理實(shí)驗教學(xué)現(xiàn)狀又隱含著物理實(shí)驗教學(xué)水平提高的可能趨勢.通過物理實(shí)驗設(shè)計大賽促進(jìn)高校物理實(shí)驗教學(xué),期望大賽優(yōu)秀作品經(jīng)過完善改進(jìn)成為物理實(shí)驗項目或拓展實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容,從而有利于物理實(shí)驗課程和物理實(shí)驗教學(xué)平臺建設(shè)可持續(xù)發(fā)展.

上述幾方面的評判依據(jù)和對作品進(jìn)行點(diǎn)評的側(cè)重點(diǎn)不僅用于評價參賽作品優(yōu)劣,更重要的是通過這一環(huán)節(jié)使參賽學(xué)生獲得課堂教學(xué)之外對物理實(shí)驗更深刻認(rèn)識和理解.可以認(rèn)為,評判(點(diǎn)評)更全面體現(xiàn)物理實(shí)驗教學(xué)意義,進(jìn)一步強(qiáng)化教與學(xué)、學(xué)與學(xué)之間實(shí)驗交流.

2.4 交流(研討)

大賽參賽者能夠運(yùn)用熱、力、電、磁、光等物理原理多種途徑完成命題要求.由于命題的實(shí)施方案并不唯一,通過現(xiàn)場展示交流不僅可以體現(xiàn)大賽的公平、公正,更能凸顯參賽作品優(yōu)點(diǎn).

組織參賽經(jīng)驗交流研討會不僅促進(jìn)物理實(shí)驗設(shè)計大賽可持續(xù)發(fā)展,也為大賽命題提供關(guān)注熱點(diǎn)和素材.由于大賽命題比教學(xué)實(shí)驗項目更關(guān)注實(shí)驗的基本原理和物理本質(zhì),兩者互為補(bǔ)充、相互促進(jìn).

通過參賽作品展示、介紹、答辯、交流和點(diǎn)評,不僅學(xué)生之間相互了解、相互學(xué)習(xí),高校之間也借此機(jī)會交流了教學(xué)經(jīng)驗.顯然,由于交流熱點(diǎn)突出,與教學(xué)研討會相比主題更加明確;因為交流范圍廣,較兄弟院校之間的參觀調(diào)研更直接有效.競賽使各方優(yōu)點(diǎn)凸顯,交流促進(jìn)競爭,同時也是更上一層樓的推動力.

廣東省物理學(xué)會委托中山大學(xué)于2010年3月舉辦了首屆“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽研討會”.近年來參賽成績突出的華南師范大學(xué)和深圳大學(xué)介紹如何在結(jié)合高校物理教學(xué)和實(shí)驗創(chuàng)新教育過程中培養(yǎng)、指導(dǎo)學(xué)生參加大賽的寶貴經(jīng)驗.同時,物理學(xué)會競賽工作委員會成員對大賽命題、評判原則進(jìn)行了解讀與說明,其目的是使省內(nèi)高校更全面了解物理實(shí)驗設(shè)計大賽,積極組織參賽并提交更優(yōu)秀的參賽作品.

可以認(rèn)為,“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”提供了一個開放式物理實(shí)驗交流平臺,在有效地利用廣東省高?，F(xiàn)有教學(xué)資源基礎(chǔ)上,為省內(nèi)高校物理實(shí)驗的教與學(xué)、學(xué)與學(xué)、教與教之間架起了相互促進(jìn)、共同提高的橋梁.其主要目的在于促進(jìn)省內(nèi)高校在物理實(shí)驗教學(xué)方法交流,推動本科物理實(shí)驗教學(xué)改革,提高物理實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量.

3 體現(xiàn)教學(xué)輻射作用

由于不同高校的人才培養(yǎng)目標(biāo)不同,基于《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》所建成的實(shí)驗中心在示范作用方面存在著局限性.事實(shí)上,《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中指導(dǎo)性地提出具有共性的實(shí)驗項目、教學(xué)內(nèi)容及其技術(shù)方法,為實(shí)驗教學(xué)平臺建設(shè)提供了一個教學(xué)環(huán)境的參照體系.盡管《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》鼓勵個性化實(shí)驗課程建設(shè),顯然,它對區(qū)域高校的教學(xué)示范作用也較為微弱.唯有教學(xué)方法能夠突破這些限制,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗教學(xué)輻射作用,但是《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》未能對此提出具體的教學(xué)指南.

從現(xiàn)狀看,示范中心側(cè)重于教與教、教與學(xué)的輻射作用,對于學(xué)與學(xué)的輻射作用依然缺乏有效的實(shí)踐途徑和環(huán)境[6-9].基于物理實(shí)驗設(shè)計大賽所構(gòu)建的開放式物理實(shí)驗教學(xué)交流平臺與示范中心作用互補(bǔ),不僅從實(shí)驗教學(xué)方法上實(shí)現(xiàn)全方位教學(xué)輻射,同時也進(jìn)一步擴(kuò)大物理實(shí)驗的教學(xué)輻射范圍.

3.1 注重實(shí)驗測量基本原理

虛構(gòu)命題:在長1 000 mm、寬1 000 mm、深2 000 mm蓄水池中儲水若干,要求測量儲水深度(注:池體由大賽承辦單位提供,池內(nèi)沒有刻度).

顯然,這是一個簡單命題,可以采用多種簡易方法直接(準(zhǔn)確)測量.基于物理實(shí)驗大賽要求作品“性價比高”的評判指標(biāo)考慮,(假想)參賽者可能利用自已身體作為測量儀器完成命題要求.

假想方案1:參賽者自建一個與命題相同的實(shí)驗環(huán)境(如:池內(nèi)沒有刻度).步驟:1)儲水若干;2)準(zhǔn)確測量水深度;3)參賽者站立池中,用剛才測量數(shù)據(jù)“標(biāo)示”處于水面的身體位置;4)完成一系列不同儲水量的“測量標(biāo)定”;5)采用數(shù)據(jù)擬合方法獲得(在允許范圍內(nèi))任一儲水量的“人體刻度”,或反之.參賽.

假想方案2:參賽者借助精密儀器對自己身體(高度)進(jìn)行“準(zhǔn)確標(biāo)定”.參賽.

這2種方案的錯誤是顯而易見的,它們忽視了測量對被測對象的干擾問題.筆者曾多次在學(xué)生首次進(jìn)入物理實(shí)驗室的課堂討論中,通過這一虛構(gòu)實(shí)驗提醒學(xué)生關(guān)注物理測量的科學(xué)性.

實(shí)際上,上述虛構(gòu)實(shí)驗是對微溫測量、微小質(zhì)量測量、微小位移測量、時間(精密)測量和弱磁場測量等大賽命題中所出現(xiàn)的測量基本問題的提煉和簡化.

不同高校物理實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容(項目)和教學(xué)技術(shù)(設(shè)備)各有特色,但在教學(xué)方法上關(guān)注類似測量干擾則是具有共性的物理實(shí)驗教學(xué)問題.物理實(shí)驗教學(xué)交流平臺將這些教學(xué)問題隱含于大賽命題中,其目的在于提醒各高校在教學(xué)技術(shù)不斷更新的大環(huán)境下更需要引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)驗物理原理,通過點(diǎn)評、研討等教學(xué)交流共同提高物理實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量.

物理量的基本特征是量級和量綱(單位),從而它也決定了物理測量所需設(shè)備類型及其測量精度;物理實(shí)驗不僅關(guān)注測量不確定度和數(shù)據(jù)分析的物理原理,更需要消除測量對被測對象的干擾;為了保證實(shí)驗測量科學(xué)性,需要對測量所用設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定.

3.2 關(guān)注基本物理現(xiàn)象

依照本科物理實(shí)驗課程教學(xué)大綱,學(xué)生可完成若干實(shí)驗項目,這是橫向?qū)W習(xí)的教學(xué)安排.物理實(shí)驗設(shè)計大賽則要求學(xué)生“了解—理解—掌握”實(shí)驗項目(命題)的物理原理、技術(shù)方法和結(jié)果分析全過程,它為學(xué)生提供縱向?qū)W習(xí)的實(shí)踐機(jī)會.由此再一次體現(xiàn),物理實(shí)驗教學(xué)交流平臺與物理實(shí)驗課程在教學(xué)方法上具有互補(bǔ)作用.

大賽命題期望通過一個簡單物理現(xiàn)象(過程),讓學(xué)生體驗物理實(shí)驗的樂趣和感受成功實(shí)驗的快樂.由于物理實(shí)驗設(shè)計大賽面向全省高校(包括非物理專業(yè))本科生,大賽命題所關(guān)注的基本物理現(xiàn)象必須具有普遍性和可操作性.

2000年混沌實(shí)驗觀測是一個很成功的命題個案(注:承辦單位是華南師范大學(xué)).

混沌作為一個基本物理現(xiàn)象,它存在于許多學(xué)科領(lǐng)域.盡管混沌“知名度”頗高,但依然過于抽象,當(dāng)時也缺乏成熟的教學(xué)設(shè)備,命題能很好地作為課程內(nèi)容的補(bǔ)充.大多數(shù)參賽學(xué)生帶著好奇完成命題要求.進(jìn)入決賽的參賽隊伍不管是對產(chǎn)生混沌的實(shí)驗條件、混沌判據(jù),還是作品中展現(xiàn)混沌的物理方法,都將物理實(shí)驗設(shè)計大賽宗旨體現(xiàn)得淋漓盡致.

作品通過熱、力(包括流體力學(xué))、電(磁)、光等各種物理手段直觀地展示混沌現(xiàn)象,特別是引入非線性力(力矩)的巧妙實(shí)驗技術(shù).可以認(rèn)為,這一簡單命題不僅顯現(xiàn)省內(nèi)各個高校的物理實(shí)驗教學(xué)方法優(yōu)勢和不足之處,也為高校之間物理實(shí)驗教學(xué)方法交流提供了實(shí)質(zhì)性的切入點(diǎn).

期待著2010年多普勒效應(yīng)實(shí)驗命題的精彩作品.

3.3 突出實(shí)驗物理相關(guān)性

在物理實(shí)驗教材和課堂教學(xué)安排上,基本采用以每一實(shí)驗項目為單位的教學(xué)方法,也缺乏項目之間物理關(guān)聯(lián)的教學(xué)交流(研討).通常,學(xué)生也將每一實(shí)驗為獨(dú)立的知識點(diǎn)來理解和掌握.

采用冠以項目名稱的成套化實(shí)驗設(shè)備(裝置),學(xué)生誤解為針對每一實(shí)驗項目需各自專用設(shè)備.上面“核磁共振實(shí)驗”例子對物理實(shí)驗教學(xué)的啟示:教學(xué)過程必須關(guān)注實(shí)驗項目之間物理原理(或測量技術(shù)分析)的內(nèi)在聯(lián)系;將實(shí)驗整體分離為若干功能模塊,并理解它們之間因果關(guān)系;功能模塊重新組合可組建新的實(shí)驗內(nèi)容(或拓展).

物理實(shí)驗設(shè)計大賽通過命題傳遞了這些教學(xué)要求的重要性.2009年基礎(chǔ)題弱磁場測量技術(shù)也可用于應(yīng)用題環(huán)境次聲監(jiān)測,它們之間不同之處僅是直流與交流之分.盡管多普勒效應(yīng)也是檢測次聲信號的有效方法,但在2009年大賽作品中卻被忽視了.2010年提出多普勒效應(yīng)實(shí)驗命題的原始意圖是:

1)期望有參賽隊伍能結(jié)合2009年次聲監(jiān)測來完成這一命題,使參賽學(xué)生及指導(dǎo)教師領(lǐng)會到在實(shí)驗教學(xué)中關(guān)注物理相關(guān)的重要性;

2)作為一個基本物理現(xiàn)象,用于許多領(lǐng)域的理論和實(shí)驗研究;

3)從不同領(lǐng)域的多普勒效應(yīng)作品中,尋找2011年大賽命題的實(shí)驗物理相關(guān)性切入點(diǎn).

3.4 體現(xiàn)跨學(xué)科輻射作用

物理實(shí)驗設(shè)計大賽面向全省高校在校學(xué)生,旨在培養(yǎng)大學(xué)生對物理學(xué)和物理實(shí)驗的興趣,提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、知識綜合運(yùn)用能力和動手能力,既有效地擴(kuò)大物理實(shí)驗教學(xué)受益面,又體現(xiàn)了物理的基礎(chǔ)學(xué)科地位.隨著大賽規(guī)范化和緊密結(jié)合實(shí)驗教學(xué)改革的命題模式逐步完善,參賽院校逐年增加,學(xué)生參賽規(guī)模逐年擴(kuò)大.為了進(jìn)一步擴(kuò)大參賽規(guī)模和提高參賽作品質(zhì)量,部分省內(nèi)高校除了參賽動員之外,還通過舉辦校級物理實(shí)驗設(shè)計大賽或校內(nèi)選拔賽優(yōu)選出省級參賽隊伍.由于大賽注重物理基本原理,定位為與物理教學(xué)相互促進(jìn)、水平難度適當(dāng)?shù)拿}模式,資料顯示,盡管只有少數(shù)非物理專業(yè)學(xué)生作品進(jìn)入決賽,但在校級賽或選拔賽作品中可以發(fā)現(xiàn)包括理工醫(yī)、文商管等專業(yè)本科生參賽.特別是,物理與非物理專業(yè)組合也體現(xiàn)了以物理為基礎(chǔ)、學(xué)科知識互補(bǔ)的教學(xué)需要.

大賽應(yīng)用題除了注重物理基本原理外,近年來主要關(guān)注環(huán)境(檢測)監(jiān)測,其中包括電磁輻射、水位檢測、次聲監(jiān)測、大氣塵埃顆粒度等實(shí)驗命題.參賽學(xué)生可以通過這些命題了解物理學(xué)科對科技和社會發(fā)展的積極推動作用,理解、體會物理實(shí)驗跨學(xué)科教學(xué)輻射作用.目前針對交叉學(xué)科的物理實(shí)驗教學(xué)實(shí)驗項目依然缺乏,物理實(shí)驗設(shè)計大賽為這一教學(xué)內(nèi)容改革提供了前期探索.

4 結(jié) 論

經(jīng)過15年來不斷探索,“廣東省大學(xué)生物理實(shí)驗設(shè)計大賽”在省內(nèi)高校已有相當(dāng)大的影響力,各院校學(xué)生參與物理實(shí)驗設(shè)計大賽的積極性很高.隨著參賽院校逐年增加,學(xué)生參賽規(guī)模逐年擴(kuò)大,大賽宗旨得到充分的體現(xiàn).基于物理實(shí)驗設(shè)計大賽所構(gòu)建的開放式物理實(shí)驗教學(xué)交流平臺與示范中心輻射作用互補(bǔ),在有效利用廣東省高?，F(xiàn)有教學(xué)資源基礎(chǔ)上,通過關(guān)注物理實(shí)驗測量基本原理和實(shí)驗物理相關(guān)性,促進(jìn)實(shí)驗教學(xué)方法改革,提高全省高校物理實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量.

由于全省高校參與,物理實(shí)驗教學(xué)交流平臺輻射作用廣泛,成果“靶向”作用直接、明確.更重要的是,通過這一交流平臺引導(dǎo)實(shí)驗課程建設(shè)關(guān)注物理實(shí)驗對其他學(xué)科的原理性作用和交叉滲透,同時也吸收其他學(xué)科對物理實(shí)驗教學(xué)要求,有效促進(jìn)省內(nèi)高校本科物理實(shí)驗課程改革和教學(xué)平臺建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展.

超越《建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》示范要求,通過這一交流平臺擴(kuò)大物理實(shí)驗教學(xué)受益面和體現(xiàn)物理實(shí)驗在交叉學(xué)科的教學(xué)意義,從而實(shí)現(xiàn)交流平臺跨學(xué)科教學(xué)輻射作用.

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[責(zé)任編輯:尹冬梅]

Open platform for teaching physics experiments

L IChao-rui1,YAO Ruo-he2,HE Zhen-hui1,SUN Pan-dian3,YANG Yan4,PIFei-peng5,SU Cheng-yue6,CA IZhi-gang1,OU YANG Hong-qun1
(1.School of Physics and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China;2.School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;3.School of Physics and Telecomm unication Engineering,South China Normal University,Guangzhou 510631,China;4.Physics Department,Jinan University,Guangzhou 510632,China;5.Physics and Electronic Engineering Institute,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;6.Faculty of Physics and Op toelectronic Engineering,Guangdong U niversity of Technology,Guangzhou 510006,China)

It is required to extent and upgrade the teaching content of physics experiment as the demand from most of students and the imp rovement of scientific technology grow s.But the teaching significance of experiment is partially ignored due to use of some easy operating equipments.An open p latform,based on the Design Contest of Physics Experiments for Students in Guangdong,is built up not only to so lve this experiment teaching p roblem but also to demonstrate the dom inant ro le of physics experiment.The correlativity of physics experiment isemphasized w ith reasonable teachingmethod and technique.The performance on effective learning and choice teaching isobviously p romoted.The result from teaching and learning p ractice indicates that the role of open p latform is dominant almost everyw here and exactly p rovides the teaching guidance fo r subjects beyond physics.

physics experiment;open p latform;dominant role

G642.423

B

1005-4642(2010)11-0015-06

“第6屆全國高等學(xué)校物理學(xué)實(shí)驗教學(xué)研討會”論文

2010-06-13

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金條件建設(shè)項目(No.J0630320);國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金能力提高項目(No.J0730313);中山大學(xué)實(shí)驗室開放基金項目(No.KF200934)

李潮銳(1962-),男,廣東汕頭人,中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院副教授,博士,從事凝聚態(tài)物質(zhì)光電性質(zhì)及其材料合成動力學(xué)研究.