大學(xué)物理實驗教學(xué)的整體改革

李登峰,周 平

(重慶郵電大學(xué)物理實驗中心,重慶 400065)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,新的實驗技術(shù)和實驗手段不斷涌現(xiàn),教學(xué)對象的綜合素質(zhì)也提高了,實驗教學(xué)理念、教學(xué)體系、教學(xué)方法和考核辦法等都需要相應(yīng)的改革[1]。目前普通高校的物理實驗室建設(shè)普遍存在 3個主要問題:一是經(jīng)費長期緊缺,使得實驗測試手段和方法與科學(xué)技術(shù)發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié);二是實驗教學(xué)雖獨立排課,但實際上往往從屬于理論教學(xué),是對教科書上已有的基本物理規(guī)律、定律的簡單重復(fù),因而實驗結(jié)果的不確定性很低,缺少探究過程;三是雖然購買了一些較先進(jìn)的實驗儀器,但新實驗項目未能與已有的實驗相融合,有的先進(jìn)實驗儀器集成度太高,學(xué)生動手能力無法得到鍛煉,有的先進(jìn)實驗儀器精度太高且易壞,學(xué)生只能觀察,等等。這些問題直接導(dǎo)制學(xué)生無興趣學(xué),老師無興趣教。因此,大學(xué)物理實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行改革,使之遵循實驗教學(xué)的規(guī)律,系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生對物理現(xiàn)象和規(guī)律的觀察、測量、分析和數(shù)據(jù)處理能力,對未知世界的探究能力,以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題能力。

一、更新教學(xué)觀念

大學(xué)物理實驗課的教學(xué)應(yīng)充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用,突出學(xué)生的主體地位。而在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中,大都是在實驗教師的講解指導(dǎo)中完成的,教師從實驗?zāi)康?、實驗儀器、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)處理直至操作技巧都一一傳授,學(xué)生只是機械地模仿,根本不可能培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和動手能力,更不能期望學(xué)生對出現(xiàn)的各種實驗現(xiàn)象和得到的一些實驗結(jié)果進(jìn)行思考、分析和解決問題,達(dá)不到素質(zhì)教育的目的。因此,實驗教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生獨立完成,讓他們成為真正的主人,教師只是給學(xué)生適當(dāng)?shù)狞c撥、引導(dǎo)和啟發(fā)。為此必須注意兩個環(huán)節(jié)[2]:

首先,實驗預(yù)習(xí)的把關(guān)。實驗預(yù)習(xí)是實驗過程中非常重要的環(huán)節(jié),不是抄襲實驗教材或講義,讓學(xué)生認(rèn)識到充分預(yù)習(xí)是做好實驗的前提,實驗預(yù)習(xí)的質(zhì)量將直接影響到實驗的開展和學(xué)生能力的提高。要達(dá)到預(yù)習(xí)目標(biāo):熟悉與實驗有關(guān)的理論知識,明確實驗?zāi)康?、原理和步驟,掌握儀器結(jié)構(gòu)、使用方法、讀數(shù)方法及操作程序,弄清實驗的設(shè)計思想,能預(yù)測實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果,并完成實驗預(yù)習(xí)報告。為了掌握學(xué)生對本實驗理解情況,教師必須對預(yù)習(xí)效果進(jìn)行檢驗,利用實驗預(yù)作系統(tǒng),讓學(xué)生在網(wǎng)上完成實驗預(yù)作和相應(yīng)的思考題后,才有資格進(jìn)入實驗室;在實驗操作開始之前,教師針對該實驗的原理和重點部分進(jìn)行提問,允許學(xué)生進(jìn)行討論,把提問的結(jié)果納入實驗成績考核體系。

其次,實驗操作的引導(dǎo)。正確的引導(dǎo)可以保證實驗順利地進(jìn)行,發(fā)揮學(xué)生主體作用。教師在講解完實驗的注意事項以后,只需要巡回指導(dǎo),及時糾正學(xué)生不正確的實驗操作習(xí)慣,對實驗中出現(xiàn)的錯誤、遇到的故障和存在的問題要有針對性地給予個別啟發(fā)和點撥,引導(dǎo)學(xué)生充分認(rèn)識并解決一些實驗現(xiàn)象,真正保證學(xué)生獨立完成實驗的各個環(huán)節(jié),培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神,善于捕捉不同尋常的實驗現(xiàn)象并力求給予合理的解釋。

二、重構(gòu)教學(xué)體系

很多高校都認(rèn)識到了原有的實驗教學(xué)體系過分依賴?yán)碚撝R、驗證性實驗偏多等問題,從而進(jìn)行了各種改革。我們在“強化基礎(chǔ)訓(xùn)練,著力提高能力,實現(xiàn)綜合培養(yǎng)”的實踐教學(xué)總體改革思路下,以人才培養(yǎng)為根本,以能力培養(yǎng)為主線,面向我校相關(guān)專業(yè)重構(gòu)并完善以綜合、設(shè)計和研究創(chuàng)新為主的實驗教學(xué)體系。

(一)預(yù)備性實驗

預(yù)備性實驗是指學(xué)生在進(jìn)入實驗室之前對相關(guān)實驗原理、實驗現(xiàn)象和儀器設(shè)備有充分的認(rèn)識,了解相關(guān)實驗原理在實際生活中的應(yīng)用,以便更好地在實驗室完成實驗,提高實驗教學(xué)質(zhì)量。預(yù)備性實驗主要由物理實驗導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)和預(yù)做系統(tǒng)組成。導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)包含導(dǎo)學(xué)軟件、導(dǎo)學(xué)硬件和物理實驗資源庫,實現(xiàn)計算機信息化,擁有更多的圖片和動畫,包括實驗的視頻。預(yù)做系統(tǒng)把相關(guān)實驗過程、實驗現(xiàn)象、實驗結(jié)果和實驗注意事項展現(xiàn)出來,便于學(xué)生掌握整個實驗流程。

(二)基礎(chǔ)性實驗

基礎(chǔ)性實驗是基礎(chǔ)物理實驗課程的基礎(chǔ)性實驗項目,屬于必做實驗,主要包括基本物理量的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能的訓(xùn)練、基本實驗分析方法和測量方法、誤差分析等涉及力、熱、聲、光、電和近代物理等不同層面和水平的各個知識點,使學(xué)生掌握物理實驗的基本知識、基本方法和基本技能,養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣,使之具備從事科學(xué)實驗的基本素質(zhì)。

(三)綜合性實驗

綜合性實驗注重各學(xué)科特色和特點,綜合多學(xué)科知識和多種儀器、多種測量方法等,重視培養(yǎng)學(xué)生綜合利用知識、處理信息、分析問題和解決問題的能力。綜合性實驗內(nèi)容的深度、廣度和實驗方法的難度均高于基礎(chǔ)性實驗,采取必做和選做相結(jié)合的方式,與學(xué)生所學(xué)專業(yè)息息相關(guān)的實驗屬于必做部分,對自己感興趣的其余實驗項目可以進(jìn)行一定數(shù)量的選做,在教師指導(dǎo)下由學(xué)生獨立完成實驗。

(四)設(shè)計性實驗[3]

設(shè)計性實驗教學(xué)以學(xué)生自主設(shè)計、獨立實驗為主,教師只起輔助性的指導(dǎo)作用。要求學(xué)生自由選題,綜合運用已學(xué)過的知識、儀器、方法、手段等,獨立地設(shè)計出能達(dá)到實驗預(yù)期目的的、可行的實驗方案,教師負(fù)責(zé)審查設(shè)計方案的物理思想和方案的可行性。學(xué)生獨立完成一次比較完整的實驗過程。并得出合理的實驗結(jié)果。充分發(fā)揮學(xué)生在實驗中的積極性和主動性,培養(yǎng)學(xué)生綜合運用實驗手段能力和獨立實驗?zāi)芰?。設(shè)計性實驗不僅是對基礎(chǔ)性實驗和綜合性實驗學(xué)習(xí)成效的檢驗,還要為創(chuàng)新性實驗打好堅實的基礎(chǔ),因此在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中都要嚴(yán)格把關(guān),落到實處。設(shè)計型實驗項目流程如圖 1所示。

(五)研究創(chuàng)新性實驗

研究創(chuàng)新性實驗教學(xué)目的主要是引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行獨立思考,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新激情和創(chuàng)新靈感,增強學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維,提高學(xué)生處理復(fù)雜問題的能力和創(chuàng)新能力,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和樂于合作、善于合作的團(tuán)隊精神。實驗內(nèi)容反映了教師的科研水平和特色,把教師課題中的部分研究內(nèi)容移植到實驗室中變?yōu)檠芯縿?chuàng)新性實驗,根據(jù)學(xué)生的興趣,采用導(dǎo)師制方式,雙向選擇。學(xué)生從指導(dǎo)教師處得到實驗課題后,從查閱資料、研讀文獻(xiàn)、鉆研有關(guān)理論開始,學(xué)生先提出自己的實驗研究方案,經(jīng)與指導(dǎo)教師研討后,開始實驗研究,最后以科技論文的格式寫出綜合研究報告。

圖1 設(shè)計型實驗項目流程圖

三、注重因材施教[4-5]

在本、專科大學(xué)和綜合性大學(xué)的理工科專業(yè)基本上都開設(shè)有普通物理實驗課程,有些學(xué)校的文科專業(yè)為了培養(yǎng)學(xué)生的物理思維也把它設(shè)為了選修課程。顯然,學(xué)生的基礎(chǔ)有很大的差異,如果都按照原來的同一教學(xué)模式,難免就會出現(xiàn)有些學(xué)生“吃不飽”而激不起學(xué)習(xí)興趣,有的學(xué)生“吃不消”而失去學(xué)習(xí)興趣,這樣很難調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性。因此,要因材施教,對不同水平的學(xué)生應(yīng)有不同的要求、不同的標(biāo)準(zhǔn)。大學(xué)物理實驗中的基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗和研究創(chuàng)新性實驗都應(yīng)具有很多實驗項目可供學(xué)生選擇,實驗項目不僅體現(xiàn)實驗的難易性,而且體現(xiàn)學(xué)生的專業(yè)性。讓基礎(chǔ)好的學(xué)生可以選擇較難的實驗項目,還可以選做不是本專業(yè)方向所開設(shè)的實驗項目。教師可以要求學(xué)生不僅知道“應(yīng)該怎么做”,還應(yīng)該知道“為什么這么做”,進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考“還能怎么做”,試圖使學(xué)生懂得如何去研究物理問題,把著眼點放在培養(yǎng)學(xué)生如何用實驗方法去解決問題,為以后從事物理學(xué)研究奠定基礎(chǔ),而且提供他們更多的動手動腦的平臺,如讓他們參加課外科技活動小組等。對基礎(chǔ)差的和文科類的學(xué)生則著重培養(yǎng)他們規(guī)范操作能力,使他們養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣,啟發(fā)他們多思考,動手與動腦相結(jié)合,學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

四、推進(jìn)課外科技活動開展[6]

讓學(xué)生參加課外科技活動是培養(yǎng)學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的有效途徑之一。把課堂拉到課外,是對教學(xué)的有力補充,充分利用實驗室特有的設(shè)備資源,為基礎(chǔ)好的學(xué)生營造一個能夠充分動手實踐,發(fā)揮他們的想象力、思維能力和創(chuàng)新能力,體現(xiàn)團(tuán)隊合作精神的健康環(huán)境?？萍蓟顒涌蓮?3個方面來進(jìn)行。

(一)維修實驗儀器

維修實驗儀器有助于學(xué)生認(rèn)識這些儀器的機械機構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)或光學(xué)結(jié)構(gòu),通過故障現(xiàn)象來分析判斷故障的原因,學(xué)會自己動手去排除故障,在維修過程中逐步熟悉常用工具的使用方法和操作技巧,也培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

(二)制作小型的教學(xué)儀器

學(xué)生在制作教學(xué)儀器的過程中,一定要去查一些相關(guān)方面的資料,讓他的知識面更廣,而且也鍛煉了思維力、想象力以及篩選有用資料的能力。每當(dāng)一個設(shè)計思路出來后,要求教師和幾個同學(xué)一起來討論它的可行性,這有利于培養(yǎng)學(xué)生們的合作意識,而且親自制作成功的教學(xué)儀器會讓學(xué)生體驗到成就感,讓他們對物理實驗的興趣大增。

(三)開發(fā)新實驗

可由基礎(chǔ)好的學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下完成,一般分為兩類來實現(xiàn):把科研成果濃縮轉(zhuǎn)化為物理實驗和引進(jìn)國外的一些典型實驗。將科研成果濃縮轉(zhuǎn)化為物理實驗有不少好處:一是選題新穎,能夠培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì),增強科研意識;二是不但能使學(xué)生親自參與實驗儀器的制作,還能將前沿科學(xué)、新技術(shù)及時傳授給學(xué)生,這類題目能啟迪學(xué)生創(chuàng)新思維,拓展想象空間,增強學(xué)生對實驗的興趣;三是開發(fā)成功的實驗可以納入以后的物理實驗中去,這有助于教學(xué)內(nèi)容的更新。國外一些大學(xué)的物理實驗構(gòu)思巧妙,內(nèi)容新穎,物理思想豐富,綜合性強,在力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)之間沒有嚴(yán)格的界限,值得引進(jìn)。

[1] 張學(xué)軍,王鎖萍.全面改革實驗教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索,2005(1):4.

[2] 姚橙.提高大學(xué)物理實驗課教學(xué)效率的研究與探索[J].實驗室科學(xué),2010(3):31.

[3] 賀梅英,章國英,金丹青,等.設(shè)計型物理實驗的研究開發(fā)與思考[J].實驗室科學(xué),2009(4):81.

[4] 魏山城,任玉珍,韓書儉.改革實驗教學(xué)方法促進(jìn)學(xué)生對實驗的興趣[J].實驗室研究與探索,2005 (3):60.

[5] 隗群梅.改變物理實驗教學(xué)方法培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新性人才[J].大學(xué)物理實驗,2009(1):107.

[6] 張萍,李學(xué)慧,劉軍,等.開展課外科技活動,培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力[J].大學(xué)物理實驗,2003(2):89.

(責(zé)任編輯 魏艷君)