拓展近代物理實(shí)驗(yàn)提高本科生創(chuàng)新意識(shí)

麻煥鋒，董若穎

（商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000）

近代物理實(shí)驗(yàn)是全國(guó)高校理科物理類專業(yè)的一門重要的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程，在物理本科專業(yè)教學(xué)中占據(jù)重要的地位，對(duì)本科生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)起著重要的作用[1]。它涉及物理內(nèi)容極其廣泛，且又是由多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域交叉綜合的實(shí)驗(yàn)課程。通常，各個(gè)高校開展的近代物理實(shí)驗(yàn)大都是以物理學(xué)發(fā)展歷史上最有代表性，并對(duì)物理學(xué)發(fā)展起著重要作用的著名實(shí)驗(yàn)為原型，以及在實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法上具有顯著時(shí)代性的實(shí)驗(yàn)為教學(xué)內(nèi)容，具有綜合性，前瞻性等特點(diǎn)。近代物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)科中處于中間位置，它處于普通物理實(shí)驗(yàn)之后，在專門化實(shí)驗(yàn)或科學(xué)研究性實(shí)驗(yàn)之前，具有承上啟下的作用。這就要求在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中要對(duì)學(xué)生的基本的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的訓(xùn)練，是同學(xué)們掌握實(shí)驗(yàn)室的各種基本技巧和實(shí)驗(yàn)思想，同時(shí)要求對(duì)學(xué)生們的創(chuàng)新意識(shí)和對(duì)物理現(xiàn)象的觀察能力和分析能力進(jìn)行培養(yǎng)[2]，使同學(xué)們的科學(xué)素養(yǎng)得以加強(qiáng)。

1 近代物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的設(shè)置

近代物理實(shí)驗(yàn)作為一門專業(yè)性相對(duì)來講比較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程來講要在實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容的安排與設(shè)置和大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)區(qū)分開來，把相對(duì)簡(jiǎn)單的一些驗(yàn)證性和測(cè)量性的實(shí)驗(yàn)安排在大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)中。把設(shè)計(jì)、研究性實(shí)驗(yàn)作為近代物理實(shí)驗(yàn)的主題，以課題組或是實(shí)驗(yàn)小組為組織形式，讓學(xué)生直接參加到近代物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)或傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的更新和改造之中，或者參與到一些教師的科研課題當(dāng)中。達(dá)到提高學(xué)生的知識(shí)面，豐富和活躍學(xué)生的物理思想，鍛煉他們對(duì)物理現(xiàn)象的洞察能力的目的。同時(shí)讓學(xué)生學(xué)習(xí)如何用實(shí)驗(yàn)方法研究物理現(xiàn)象和規(guī)律，掌握近代物理中的實(shí)驗(yàn)技術(shù)（如微波技術(shù)、低溫技術(shù)、真空技術(shù)等）和實(shí)驗(yàn)方法。

2 近代物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方案的改革手段與方式

傳統(tǒng)的近代物理教學(xué)基本上處于一種以自我為中心的封閉狀態(tài)，一直不變的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)前前沿科學(xué)新理論、新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)。近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往只是教科書上已有的基本物理規(guī)律，定理的簡(jiǎn)單重復(fù)，所采用的教學(xué)模式多是讓學(xué)生按部就班地完成教師準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，模式顯得單一，教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，也難以提高學(xué)生的興趣。同時(shí)，對(duì)本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為3個(gè)課時(shí)，而近代物理實(shí)驗(yàn)大都較為復(fù)雜，在這樣一個(gè)很短時(shí)間內(nèi)要學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理，儀器原理，熟悉儀器的操作使用并完成實(shí)驗(yàn)顯然是不太可能的，因而，實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中教師對(duì)實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)步驟，儀器操作方法等只能盡量講清楚一點(diǎn)，讓學(xué)生自己思考的太少，很多學(xué)生是盲目操作，走了過場(chǎng)，這實(shí)際上是一種呆板的模仿型教學(xué)。這些弊端相當(dāng)嚴(yán)重地阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，主動(dòng)性，創(chuàng)造性以及現(xiàn)代科學(xué)思維方法的形成[3]。鑒于此，筆者根據(jù)自身在近幾年的教學(xué)過程中運(yùn)用了以下幾點(diǎn)教學(xué)改革手段：

2.1 建設(shè)實(shí)驗(yàn)課程預(yù)習(xí)平臺(tái)

以往物理實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，學(xué)生大都是就實(shí)驗(yàn)教材本身做簡(jiǎn)單的閱讀，了解其大概實(shí)驗(yàn)原理等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而教師對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)的時(shí)間、方式、方法都沒有給予過多的指導(dǎo)。這在進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)時(shí)由于其原理淺顯，內(nèi)容簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，所以大多數(shù)學(xué)生較好的完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒有問題。但是對(duì)于近代物理實(shí)驗(yàn)，沒有充分的理論準(zhǔn)備、技術(shù)準(zhǔn)備和器材準(zhǔn)備，要完美的完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康膸缀跏遣豢赡艿摹＿@就要求在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中建構(gòu)一個(gè)完備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。具體可以從以下幾個(gè)方面入手。

（1）時(shí)間安排。學(xué)生在進(jìn)行某個(gè)實(shí)驗(yàn)的前一到兩周與指導(dǎo)教師預(yù)約，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行1到2個(gè)課時(shí)的集中預(yù)習(xí)，然后再帶著指導(dǎo)教師給予學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的任務(wù)與要求，利用大約1周時(shí)間進(jìn)行具體的細(xì)致的準(zhǔn)備。這樣就給學(xué)生進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)留出了時(shí)間上的回旋余地，對(duì)他們進(jìn)行深層次問題的思考提供了充裕的時(shí)間和空間。

（2）預(yù)習(xí)方式的改變。預(yù)習(xí)過程中，教師首先扼要介紹該實(shí)驗(yàn)的歷史意義和現(xiàn)實(shí)意義，特別要介紹前人在該實(shí)驗(yàn)上所做的工作及其成功與失敗關(guān)鍵所在和巧妙之處，并結(jié)合日常生活實(shí)際提出一些問題，以引起學(xué)生的興趣。例如核磁共振實(shí)驗(yàn)，可以詢問“醫(yī)院里核磁共振成像診斷疾病”是怎么回事？再如全息照相，可以提問全息照相與普通照相有什么不同？等等。為了讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)有更為廣泛的了解，還可以提出一些問題，例如國(guó)內(nèi)其他高校和實(shí)驗(yàn)室怎么開設(shè)的，怎樣運(yùn)行，與我們的實(shí)驗(yàn)室有何不同？你認(rèn)為利用該實(shí)驗(yàn)儀器還能開展哪些工作，還能拓展哪些內(nèi)容？要求學(xué)生下去查閱資料，進(jìn)行調(diào)研，在整體把握該實(shí)驗(yàn)的過程中激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)和想像力。

（3）規(guī)章制度的學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)室通常都建立了一套行之有效的管理制度和考核制度，以規(guī)范師生行為，但是學(xué)生未必對(duì)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)章制度有一個(gè)深層次的理解，而簡(jiǎn)單認(rèn)為規(guī)章制度就是“能干什么，不能干什么”，而學(xué)生的這種思想對(duì)實(shí)驗(yàn)本身和學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高極為不利。實(shí)驗(yàn)的規(guī)章制度應(yīng)該成為學(xué)生從事科研活動(dòng)的一個(gè)基本準(zhǔn)則和習(xí)慣。才能保證實(shí)驗(yàn)的順利完成，并可持續(xù)發(fā)展。例如在“用快速電子驗(yàn)證相對(duì)論效應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)中就要把輻射的相關(guān)知識(shí)和必要的注意事項(xiàng)講給學(xué)生，也就對(duì)學(xué)生做了一個(gè)關(guān)于核安全的安全教育。達(dá)到規(guī)章制度是對(duì)實(shí)驗(yàn)室工作人員、實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生的有效約束與指導(dǎo)。

2.2 增加實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容專題講座

近代物理實(shí)驗(yàn)相對(duì)于普通實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的綜合性、專業(yè)性和技術(shù)性，從普通物理實(shí)驗(yàn)到近代物理實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很大的飛躍，學(xué)生剛接觸近代物理實(shí)驗(yàn)時(shí)有些不適應(yīng)，尤其對(duì)那些在實(shí)驗(yàn)原理上較難理解、實(shí)驗(yàn)思想上較為新穎、實(shí)驗(yàn)方法上較為復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)技術(shù)上綜合性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，相當(dāng)一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是近代物理學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，其中一些選題是近代物理學(xué)發(fā)展中具有重大影響或獲取諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的著名實(shí)驗(yàn)。因此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容信息量大，涉及相關(guān)知識(shí)多，而學(xué)生課堂上知識(shí)獲取途徑通常是以知識(shí)塊的形式所得，所以對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)并沒有形成一個(gè)完整的體系。通過專題講座對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)性的講解，以便他們?cè)谶M(jìn)行開放性實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)有啟示作用。這樣，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師可以專題講座形式，向?qū)W生介紹、講授相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，拓寬學(xué)生的視野，促使學(xué)生了解所在學(xué)科或相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的前沿知識(shí)，掌握最新的研究動(dòng)態(tài)。讓學(xué)生盡可能多地接觸學(xué)科前沿，并在講座交流中拓展視野，產(chǎn)生靈感，碰撞出智慧火花。

2.3 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力

作為理工類的大學(xué)生，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力是其重要培養(yǎng)能力之一，能把所學(xué)理論應(yīng)用于實(shí)踐中，使理論和實(shí)踐相結(jié)合，能夠靈活地、創(chuàng)造性地利用所學(xué)理論為生產(chǎn)服務(wù)。在以往的學(xué)習(xí)和普通物理實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的動(dòng)手能力已達(dá)到一定程度的培養(yǎng)，但是綜合以往的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生的動(dòng)手能力普遍不強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，常常會(huì)有一些學(xué)生左手拿課本、右手做實(shí)驗(yàn)的情況，這就要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師在講解實(shí)驗(yàn)過程中不僅僅講解實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手操作要求也要講到。當(dāng)然，這也就要求在實(shí)驗(yàn)課程的評(píng)價(jià)體系中加入動(dòng)手能力部分，建立一整套科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核體系，鞏固學(xué)生動(dòng)手能力。為了加強(qiáng)同學(xué)們的動(dòng)手意識(shí)，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力，對(duì)于簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)儀器故障可以由學(xué)生自己解決。當(dāng)然近代物理實(shí)驗(yàn)有其自身的顯著特點(diǎn)，其儀器和普通物理實(shí)驗(yàn)相比：結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密，操作要求細(xì)致入微，稍有不當(dāng)便易損壞，但不便拆卸、組裝和維修；設(shè)備先進(jìn)，但價(jià)格普遍昂貴，這就更加要求加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力的培養(yǎng)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過程中老師只起引導(dǎo)作用，課間操作強(qiáng)調(diào)注重培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象，分析和解決問題的能力，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。完成實(shí)驗(yàn)后老師要檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且允許失敗，學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗后，老師將和同學(xué)一起分析失敗的原因，直到找出解決問題的方法。

2.4 拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵

當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，驗(yàn)證性和演示性的實(shí)驗(yàn)較多，應(yīng)用性的實(shí)驗(yàn)較少，而物理實(shí)驗(yàn)課，特別是近代物理實(shí)驗(yàn)，是一門和當(dāng)今高科技緊密相連的課程，我們可以通過實(shí)驗(yàn)拓展，讓學(xué)生進(jìn)一步接觸類似于科研工作人員進(jìn)行的科研實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。老師應(yīng)當(dāng)把其教學(xué)的內(nèi)容延伸至課堂之外，盡量與日常生活和現(xiàn)代科技聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)習(xí)的效率。指導(dǎo)教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)相當(dāng)多的學(xué)生對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的拓展和重新設(shè)計(jì)特別感興趣，他們運(yùn)用自己方法和思想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并和原實(shí)驗(yàn)加以比較，很多想法都超出了教師們的預(yù)料。當(dāng)然，這也迫使教師們屢屢修改和補(bǔ)充教案，并加深自己能力的提升，以滿足學(xué)生日漸膨脹的求知欲望。像這樣的實(shí)驗(yàn)拓展能加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，更能提提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用能力。另外，實(shí)驗(yàn)拓展不一定局限于僅就實(shí)驗(yàn)過程或結(jié)果進(jìn)行思考，只要與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容都值得肯定。

3 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)

在近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，指導(dǎo)教師要鼓勵(lì)學(xué)生，積極思考，大膽探索，認(rèn)真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生積累物理現(xiàn)象并有正確的思考，能在掌握知識(shí)的同時(shí)，逐漸形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的品質(zhì)。拓展物理教學(xué)內(nèi)涵，將知識(shí)學(xué)習(xí)與科技素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合，人文精神與科學(xué)思想相交融，使學(xué)生在思維方法，實(shí)驗(yàn)技能上受到初步而系統(tǒng)的訓(xùn)練，在潛移默化中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、人文素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)，既為他們后繼專業(yè)課學(xué)習(xí)打下深厚的基礎(chǔ)，也為今后工作、參加科學(xué)研究，乃至形成整個(gè)人生觀培養(yǎng)出一種潛在的能力。教育學(xué)生在科學(xué)面前來不得半點(diǎn)虛假，培養(yǎng)學(xué)生不僅要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，還要有堅(jiān)忍不拔的意志品質(zhì)。

4 激發(fā)學(xué)生探索積極性提高學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力，物理學(xué)的發(fā)展更是一部創(chuàng)新史[4]。

近代物理實(shí)驗(yàn)中蘊(yùn)涵著豐富的物理思想、物理方法和創(chuàng)新思想，實(shí)驗(yàn)中有相當(dāng)一部分選題來自近代物理學(xué)發(fā)展史上起過重大作用的物理學(xué)家們的研究課題。這些題目中許多曾獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，比如：密立根油滴實(shí)驗(yàn)、夫蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)、光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)等。通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)，它能使學(xué)生受到著名物理學(xué)家的物理思想和探索精神的熏陶，激發(fā)學(xué)生的探索、創(chuàng)新意識(shí)。

[1]郝世明，劉香茹，李新忠.近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及教學(xué)模式的改革[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2011，117（5）：117－118.

[2]劉富池，孔文婕，覃以威等.近代物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（1）：114－116.

[3]孫禹典.從香港大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)看其實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些特點(diǎn)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1998（2）：61－62.

[4]王長(zhǎng)春，宛明高.注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010（3）.