普通物理綜合設(shè)計實驗課教學(xué)方法改革初探

董巧燕，劉偉健，劉 維，王福合，尹曉冬，施宇蕾

（首都師范大學(xué)，北京 100048）

中小學(xué)受應(yīng)試教育的影響，使得學(xué)生在主動性、創(chuàng)造性及動手實驗?zāi)芰Φ确矫嫫毡檩^差，而且越偏遠(yuǎn)的地域，實驗條件越有限，有相當(dāng)一部分同學(xué)進(jìn)入大學(xué)前從未自己動手做過物理實驗［1］。首都師范大學(xué)物理系物理教育專業(yè)的學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后首先學(xué)習(xí)的實驗課是《普通物理基礎(chǔ)實驗1》和《普通物理基礎(chǔ)實驗2》。通過這兩門課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生在物理實驗的基本知識、基本方法和基本技能方面受到較系統(tǒng)的訓(xùn)練，理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生初步的實驗?zāi)芰?、良好的實驗?xí)慣以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，使學(xué)生逐步具有良好的實驗素質(zhì)。在這兩門課中，傳統(tǒng)的教學(xué)方法是教師詳細(xì)講解實驗原理，演示實驗操作，然后學(xué)生自己動手完成實驗［2］。這種方法使學(xué)生利用理論課所學(xué)知識思考、解決實驗中遇到的問題的訓(xùn)練受到限制。

普通物理綜合設(shè)計實驗課是介于基礎(chǔ)實驗與科學(xué)研究之間的課程，它要求學(xué)生對實驗過程具有全程統(tǒng)籌的能力［3］。其綜合性首先是指實驗內(nèi)容的綜合性和涉及到物理知識的廣泛性，其次是實驗方法的整合性和實驗手段的多元性；設(shè)計性則體現(xiàn)了學(xué)生的參與程度。對于這門課，在固定實驗題目的前提下，優(yōu)質(zhì)的教學(xué)方法是只提供給學(xué)生相關(guān)的實驗儀器及說明書，學(xué)生自己查閱文獻(xiàn)資料，完成實驗內(nèi)容，撰寫研究報告，分析解決實驗過程中遇到的問題。但是，由于學(xué)生之前沒有受過此類訓(xùn)練，學(xué)生人數(shù)多（約100名學(xué)生），課前不認(rèn)真預(yù)習(xí)，任課教師少，每個實驗設(shè)定的時間又僅為4學(xué)時，使這種方法在實際中基本行不通。為了使學(xué)生在這門課中盡可能多地提升綜合設(shè)計能力，進(jìn)行教學(xué)改革勢在必行。

下面以我校物理系為物理教育專業(yè)學(xué)生開設(shè)的綜合設(shè)計性實驗之一——雙光柵法測微弱振動位移量實驗［4－5］來談?wù)劷虒W(xué)的心得與體會。

1 提高學(xué)生實驗預(yù)習(xí)的針對性

在以往與學(xué)生的交談中了解到，有一部分學(xué)生進(jìn)實驗室之前根本就不進(jìn)行預(yù)習(xí)；一部分同學(xué)雖說是提前預(yù)習(xí)了，但上課時會發(fā)現(xiàn)他們根本就沒明白實驗設(shè)計原理；還有一部分同學(xué)只預(yù)習(xí)明白了其中一部分，但仍然影響課上正常進(jìn)行。為了督促學(xué)生很好地進(jìn)行預(yù)習(xí)，我們在正式上課前一周把實驗卡片發(fā)給學(xué)生，實驗卡片包括以下內(nèi)容：思考題、實驗內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理、注意事項、評分標(biāo)準(zhǔn)等。其中思考題的設(shè)置主要是為了提高學(xué)生預(yù)習(xí)的針對性，抓住實驗設(shè)計核心和實驗要點。同時，為了調(diào)動學(xué)生的積極性，要求學(xué)生進(jìn)實驗室之前把這些思考題回答在預(yù)習(xí)報告上。為了避免部分同學(xué)完全不進(jìn)行預(yù)習(xí)就來做實驗，在課堂上抄寫實驗預(yù)習(xí)報告，我們還要求學(xué)生一進(jìn)實驗室就即刻提交實驗預(yù)習(xí)報告。

對于雙光柵法測微弱振動位移量實驗，我們設(shè)計的思考題如下：

（1）微弱振動的振幅如何獲得？

（2）本實驗中如何得到拍頻波？其拍頻大小由什么決定？

（3）激光器射出的激光波長為635nm，由此可知其頻率為多少？能直接探測嗎？若不能，怎么解決？

（4）為什么要使用光拍？形成光拍的條件是什么？（理論上）

（5）如何判斷動光柵與靜光柵的刻痕已平行？

（6）作外力驅(qū)動音叉諧振曲線時，為什么要固定信號功率？測量時首先要找到音叉的什么頻率？如何找？

2 圍繞思考題分小組討論

學(xué)生獨立進(jìn)行實驗預(yù)習(xí)時，思路上總會有一定的局限。往往可能因搞不懂某些小知識點阻礙實驗預(yù)習(xí)的正常進(jìn)行。所以，我們在正式上課時，首先將學(xué)生分成兩組（每組5名學(xué)生），思考題分成兩部分，每組負(fù)責(zé)一部分，討論20分鐘并給出思考題的答案。這樣做不僅發(fā)揮了學(xué)生的自主性，還增強了學(xué)生的團隊合作意識。同時，也可以使極少數(shù)沒有預(yù)習(xí)的同學(xué)也略學(xué)到一些。

3 提問＋提示引導(dǎo)的方式使學(xué)生明確實驗思路

有相當(dāng)一部分同學(xué)為了完成實驗來做實驗，總是著急做實驗，一遇到問題就叫老師幫忙，而不去認(rèn)真思考，不設(shè)法自己解決。還有，學(xué)生在實驗時總是不能將理論課中所學(xué)知識靈活地運用到實驗中來，這是一種普遍現(xiàn)象。所以在學(xué)生自己動手實驗前，我們采取了以下教學(xué)環(huán)節(jié)：明確理論上要達(dá)到什么目的，借助什么實驗器件可以達(dá)到此目的，理論和實驗器件的結(jié)合最終如何達(dá)到目的。

下面仍以雙光柵法測微弱振動位移量實驗為例展現(xiàn)具體過程。從實驗題目來看的話，提問學(xué)生最終要得到哪個物理量？大部分學(xué)生可以回答出來：音叉振動的振幅。提示學(xué)生，要測量的是長度，有什么獲得辦法？學(xué)生會提出用刻度尺、游標(biāo)卡尺等。再引導(dǎo)學(xué)生觀察音叉振動的特點。音叉振動的幅度很小，肉眼完全無法分辨，而且振動的位置時刻在變化，教師否定這種方法。那怎么辦呢？再提示學(xué)生我們是綜合設(shè)計實驗，可以考慮力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方法。再看實驗題目，學(xué)生會說出利用雙光柵法。新的問題出現(xiàn)：什么是雙光柵法？這時要帶著學(xué)生一起復(fù)習(xí)光學(xué)中所學(xué)知識——光柵。首先回憶光柵的結(jié)構(gòu)，從單縫衍射、雙縫干涉的衍射圖樣，猜想光柵的衍射圖樣。同時，利用教學(xué)器件激光筆演示激光通過一光柵后投影在墻上的衍射圖樣，與分析結(jié)果比對，直觀明了。學(xué)生清楚了光柵的概念后，說明雙光柵即是一動一靜兩光柵，其中動光柵貼在音叉上隨音叉一起振動。再緊接著提問：為什么要用雙光柵法？這時學(xué)生一般會不知所措，提示從光的頻率方面考慮。已知實驗激光波長，提問學(xué)生激光頻率大小在什么量級。提供給學(xué)生儀器價格信息，比如Agilent公司幾個GHz的示波器價格在百萬元左右，直接探測激光這么高頻率的光非常困難，而且儀器造價昂貴。此方法行不通。進(jìn)一步提示學(xué)生，現(xiàn)在光頻率太高了，簡單的想法是降低頻率，這時再讓學(xué)生觀察我們實驗提供的示波器能探測的頻率，隨便告訴學(xué)生這個儀器只需要幾千元左右，實驗成本大幅降低。又一新問題出現(xiàn)：怎么降低？部分學(xué)生能說出光拍法。這個時候類比音拍的概念，來講解光拍。根據(jù)波的疊加原理，得出獲得強的光拍信號的理論及實驗條件：利用一動一靜兩光柵得到同方向傳播、且頻率相差很小的兩列光波的疊加。數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出動光柵的振動速度與光拍頻率的關(guān)系其中ωd是光拍圓頻率，v是動光柵振動速度（也即音叉振動速度。），d是光柵密度。即其中為光柵密度。這樣力學(xué)量v和光學(xué)量F拍之間搭起了橋梁。

最后，和學(xué)生一起總結(jié)實驗思路：（1）調(diào)整光路，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后在示波器上觀察到強的光拍信號；（2）尋找音叉振動的諧振點，調(diào)整音叉功率和頻率，聽音叉聲音，并借助示波器。（3）測量完整的諧振曲線，此時固定音叉功率。

隨后學(xué)生自己整理思路，自己獨立動手完成實驗。

4 對部分學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步指導(dǎo)

按步驟3討論完實驗思路后，由于學(xué)生個體的差異，相當(dāng)一部分同學(xué)還是有很多不明白的地方。這時再單獨指導(dǎo)。了解學(xué)生的問題，搞清學(xué)生的問題出現(xiàn)在哪里。先讓學(xué)生從理論上找出答案，然后再讓學(xué)生尋找具體哪個或哪些實驗儀器部件可以達(dá)到目的。而不是直接告訴學(xué)生結(jié)果。這個環(huán)節(jié)學(xué)生起主導(dǎo)作用。

5 實驗報告中對實驗步驟的要求

為了督促學(xué)生對實驗操作過程進(jìn)行回顧，我們特別要求在實驗報告上詳細(xì)寫出實驗步驟。學(xué)生在完成這一部分的過程中有時會發(fā)現(xiàn)操作過程中的重大失誤。教師在批閱實驗報告時也能從這一部分及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，引起學(xué)生對細(xì)節(jié)問題的關(guān)注，培養(yǎng)全面良好的實驗習(xí)慣和能力。同時這一要求還可以加深學(xué)生對實驗設(shè)計思路的認(rèn)識。

6 實驗報告中對實驗數(shù)據(jù)處理的要求

實驗報告中要求將實驗原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理列表，反復(fù)要求學(xué)生標(biāo)明物理量、單位及有效數(shù)字，培養(yǎng)良好習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，為以后教學(xué)和科研工作打基礎(chǔ)。要求利用Excel、Origin等軟件進(jìn)行作圖，培養(yǎng)學(xué)生計算機處理數(shù)據(jù)的能力。

這一教學(xué)方法是在對三屆學(xué)生的教學(xué)過程中逐漸摸索出來的，受到了較好的效果，具體體現(xiàn)在教學(xué)評估成績的提高：第一屆學(xué)生給教師的教學(xué)評估成績?yōu)?2.03，第二屆學(xué)生給教師的教學(xué)評估成績?yōu)?4.27，第三屆學(xué)生給教師的教學(xué)評估成績?yōu)?4.41。當(dāng)然，綜合設(shè)計性實驗與大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不是幾個實驗就能完成的，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有每一個教育工作者都積極參與行動起來，從教學(xué)工作的一點一滴做起，才能真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。此外，在以后的教學(xué)中還需要根據(jù)學(xué)生具體情況相應(yīng)調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)方法。

［1］張清.加強綜合設(shè)計性物理實驗的初步實踐［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2001，18（2）：105－106.

［2］馬世紅.設(shè)計性、研究性物理實驗的實踐情況［J］.物理實驗，2004，24（11）：28－33.

［3］田睿，田碩.對設(shè)計性綜合物理實驗課程的探索（以河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例）［J］.技術(shù)與市場，2009，16（10）：77－78.

［4］楊靜，陳曉花，潘晨.用激光雙光柵法測量微小位移的實驗研究［J］.上饒師范學(xué)院學(xué)報，2012，32（3）：42－48.

［5］周永軍.開設(shè)創(chuàng)新物理實驗課程的實踐與探索［J］.大學(xué)物理實驗，2013（1）：114－116.