大學(xué)物理實驗教學(xué)應(yīng)突出原理性

張崇輝，吳俊芳，王安祥

(西安工程大學(xué)，陜西西安 710048)

實驗是理工科大學(xué)教學(xué)過程中一個重要環(huán)節(jié)，大學(xué)物理則是其中最基礎(chǔ)、最重要的實驗課程之一了。近年來圍繞大學(xué)物理實驗教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容［1］、教學(xué)手段、考核方式、實驗設(shè)計等等一系列環(huán)節(jié)進(jìn)行了富有成效的改革和有益的探索［2-4］，取得了豐碩的研究成果。隨著科技的發(fā)展和大學(xué)教育大形勢的變化，以及社會對人才的需求不斷變化，盡管不斷發(fā)現(xiàn)問題及時改革，積極探索與時俱進(jìn)的實驗教學(xué)模式，但仍然凸顯不少問題和矛盾。單就實驗內(nèi)容和實驗設(shè)備設(shè)計方面來說，目前步入一個誤區(qū)，輕視原理重操作，實驗儀器設(shè)備高度集成化、智能化，這與基礎(chǔ)教學(xué)的目的相悖，更達(dá)不到大學(xué)教育的內(nèi)涵式發(fā)展總要求和創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)積淀。

1 目前實驗發(fā)展的趨勢與存在的問題

目前在大學(xué)在校生數(shù)目急劇擴(kuò)張和新的社會需求的大環(huán)境下，針對物理實驗教學(xué)的教育改革多集中的:教學(xué)模式改革，教學(xué)方法、現(xiàn)代教學(xué)手段，實驗考核體系改革等方面。在這種主流改革的推動下，為了滿足實驗硬件相對緊張的矛盾，實驗教學(xué)向著縮短實驗課時，簡化實驗過程和原理，實驗儀器和管理高度智能化的方向發(fā)展，與大學(xué)物理基礎(chǔ)課程的性質(zhì)和設(shè)置初衷相對照，存在以下突出問題。

(1)學(xué)生人數(shù)急劇增長，實驗室、實驗設(shè)備等硬件建設(shè)相對滯后和嚴(yán)重不足。在這種很現(xiàn)實的情況下，實驗室除了高頻次運轉(zhuǎn)以外，就是用相對維修成本低的虛擬實驗或仿真實驗代替原來的實際操作實驗。

(2)實驗設(shè)備高度集成化、智能化?，F(xiàn)在實驗設(shè)備廠商為了迎合現(xiàn)在市場的需要，不斷將原有基本實驗集成化，微型化，以縮小體積，并加入電腦自動控裝置，在外圍學(xué)生根本看不到實際的實驗原理，面對的就是一個“黑匣子”，部分外表只提供一個實驗原理示意圖，如光路圖或電路圖，然后只有幾個見得旋鈕和鼠標(biāo)。學(xué)生只需看著說明書點擊下鼠標(biāo)，數(shù)據(jù)、圖線電腦直接給出。

(3)承擔(dān)過多的創(chuàng)新任務(wù)，為了創(chuàng)新而求新求異。尤其在當(dāng)前“創(chuàng)新”為主題的教育背景下，許多實驗教學(xué)工作者也發(fā)現(xiàn)大學(xué)物理實驗則是十分合適的培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的課程，創(chuàng)新能力所要體現(xiàn)各個環(huán)節(jié)都能賦予實現(xiàn)。大學(xué)物理負(fù)起它不該負(fù)的創(chuàng)新義務(wù)，不懂得原理，沒有真正的基本技能和知識的積淀，只是簡單地拼接和表面上的新異罷了，沒有完善的原理支撐，真正的使用性和創(chuàng)新性也就有限，當(dāng)然也就談不上原創(chuàng)性的創(chuàng)新了。

2 大學(xué)物理實驗教學(xué)中原理的重要性

2.1 大學(xué)物理實驗的基礎(chǔ)定位不能變

對于理工科學(xué)生來說，開設(shè)的像以大學(xué)物理實驗為主的各類基礎(chǔ)實驗課，其首要的、最基本的教學(xué)目的是讓學(xué)生受到嚴(yán)格的、系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握進(jìn)行科學(xué)實驗的基本知識、方法和技巧，常用實驗儀器的正確使用;更直接的目的就是為后續(xù)課程和專業(yè)實驗課程打基礎(chǔ)。然后才應(yīng)該談及培養(yǎng)學(xué)生敏銳的觀察力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S能力，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能，培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力和實踐能力，特別是與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力和創(chuàng)新精神。

許多相關(guān)實驗教學(xué)改革的文章都較實驗教學(xué)依附于理論教學(xué)列為突出問題或缺點之一，都傾向于求新求變的思想，全盤否定過去基礎(chǔ)教學(xué)實驗原有的教學(xué)方式，背離了基礎(chǔ)實驗教學(xué)的目標(biāo)，造成學(xué)生只是記憶的訓(xùn)練，雖然，21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的競爭、人才的競爭等將集中體現(xiàn)在創(chuàng)造性人才的競爭上。而一味追求創(chuàng)新能力，將這一任務(wù)全部落在物理實驗教學(xué)，就會失去其最基本的初衷，也是不現(xiàn)實的。況且這幾年基礎(chǔ)實驗教學(xué)地位不是的到加強，而是不斷在減弱，教學(xué)學(xué)實不斷削減，總教學(xué)計劃中的比例就下降的更加厲害，在這種情況下，提出更多、更高要求，賦予更多的培養(yǎng)任務(wù)，手段的不斷現(xiàn)代化，使不切實際的。據(jù)筆者調(diào)研，各校大學(xué)物理實驗學(xué)時近年來都被其他新增課程擠占，學(xué)時大幅縮減，現(xiàn)在還在不斷減少，甚至有的理工科專業(yè)徹底都不開設(shè)大學(xué)物理實驗了。最終不僅沒有達(dá)到傳授給學(xué)生已有知識的教育最終目的，也并未真正做到創(chuàng)造力誘導(dǎo)出來，失去的和得到的就一目了然了。

2.2 加強實驗原理的重要性

我國理工科院校大學(xué)物理實驗按照教學(xué)委員會《大綱》要求安排基本分為四大類，基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、演示實驗和設(shè)計性實驗。這其基礎(chǔ)實驗占有絕大部分學(xué)時，各學(xué)校都在60%以上學(xué)時。這一層次實驗就是按照實驗教學(xué)大綱要求，選取單一知識內(nèi)容的驗證性實驗教學(xué)，看似最低層次的要求，但實則最重要的實驗教學(xué)，主要是讓學(xué)生加深理解實驗原理涉及的理論知識，掌握常用儀器儀表的使用和實驗結(jié)果的分析等基本實驗技能，以達(dá)到動手能力的鍛煉。

本著基礎(chǔ)性實驗教學(xué)的這一定位，大學(xué)物理實驗應(yīng)當(dāng)減少高度集成、高度自動化的“黑匣子”實驗儀器和裝置。像鐵磁質(zhì)材料的磁滯回線實驗儀，學(xué)生只需看著儀器盒蓋上的連線圖在外殼上的插孔鏈接4根導(dǎo)線，然后開通電源，下來就是在電腦上看著菜單提示點鼠標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)的電滯回線圖就呈現(xiàn)出來，點“數(shù)據(jù)處理”按鈕，特征參數(shù)很規(guī)范的列表給出，學(xué)生只需打印結(jié)果即可。另外，像光柵光譜儀和光纖傳感器兩個實驗，實驗的核心裝置完全封裝在固定的實驗柜里，只有與之連接操控電腦可以點點鼠標(biāo)，本來第一個實驗是讓學(xué)生從實驗理解平面光柵利用衍射原理將不同頻率的光分開，得到測試光的成分以及和成分的頻率、強度等特點，進(jìn)一步判斷材料的光學(xué)特性。現(xiàn)在學(xué)生知識按照說明點鼠標(biāo)操作，得到“完美”的光譜，對原理一無所知。第二個實驗，本來是利用光的干涉原理，以光纖為媒介傳輸光信號，測量微小應(yīng)力或溫度引起的微小位移的實驗，結(jié)果也是操作電腦鼠標(biāo)，得到看似“完美”的實驗結(jié)果，實則根本體現(xiàn)不出真正的實驗原理。像這樣高度集成化、智能化的實驗例子很多，將來比例還會不斷增加。

這種實驗設(shè)備更新?lián)Q代的趨勢，表面看是與時俱進(jìn)，淘汰了過去“赤裸裸”重在表現(xiàn)實驗原理搭建的簡單實驗裝置，采用現(xiàn)代科技發(fā)展的成果，充分將現(xiàn)代實驗手段引入大學(xué)物理實驗教學(xué)，的確是進(jìn)步，檔次有所提高。另外，生產(chǎn)廠商也正好抓住這一特點，大肆宣傳集成化、智能化的優(yōu)點，以增加收入，根本就不談原理如何，誤導(dǎo)實驗室建設(shè)。作為基礎(chǔ)性質(zhì)的大學(xué)物理實驗應(yīng)盡量做到實驗原理的透明化，重視原理，看到本質(zhì)［5］，把實驗原理的體現(xiàn)放在整個實驗環(huán)節(jié)設(shè)計的首要位置。只撥幾個按鈕，按幾下鍵盤的實驗，一點都不利于教學(xué)，基本上起不到學(xué)習(xí)知識的作用，更談不上實踐能力的培養(yǎng)，只起到操作員的機械培訓(xùn)。作為專業(yè)的生產(chǎn)、制造等實際應(yīng)用的專用儀器，當(dāng)然這樣集成化越高、智能化越強、精度越高越好?；A(chǔ)實驗不是為了追求省時、高精度為目的的。無需越先進(jìn)越好，為的是對物理現(xiàn)象的理解和理論知識運用為首要目的。那怕簡陋一些，落后一些也是值得的。像過去示波器原理及應(yīng)用實驗用的就是一個跟簡單地體積較大的顯像管，整體裝置放在一個相對簡單開放性有機玻璃盒內(nèi)，學(xué)生自己連接電路，調(diào)節(jié)信號，直接可以看到在電磁鐵產(chǎn)生的磁場中電子束如何偏轉(zhuǎn)，電子束打在熒光屏上如何顯示，偏轉(zhuǎn)幅度與偏轉(zhuǎn)電壓直接關(guān)系，信號的輸入、亮度的調(diào)節(jié)和聚焦等等一目了然，是學(xué)生真正了解示波器的工作原理。

在德國大學(xué)中，實驗設(shè)備中通用儀器(如示波器、信號源等)為大公司生產(chǎn)產(chǎn)品，專用儀器中有很大一部分是自制的，儀器透明度高，不采用集成化的儀器。在美國和加拿大一些大學(xué)里大學(xué)物理實驗儀器有一半多是自制的［6］。

沒有真正懂得物理現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，就是今后走向工作崗位，面對實際應(yīng)用的高集成，高智能化的專業(yè)儀器，根本看不到設(shè)計原理，就是想方設(shè)法看到，也提不出有建設(shè)性的改進(jìn)，怎么談實實在在創(chuàng)新。

3 結(jié)束語

為了大學(xué)物理實驗回歸基礎(chǔ)學(xué)科的原本位置，為后續(xù)課程打基礎(chǔ)，還是應(yīng)當(dāng)切實重視實驗原理，以突顯實驗原理為實驗設(shè)計和實驗設(shè)備選用的首要原則，是大學(xué)物理真正起到鞏固基礎(chǔ)理論知識、鍛煉實際操作能力和培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的作用，為今后更好、更大的創(chuàng)新奠定堅實的基礎(chǔ)。

［1］李永濤，毛巍威，劉孟洪，等.提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量的思考［J］.大學(xué)物理實驗，2013，26(1):117-119.

［2］馬靖.大學(xué)物理實驗開放式教學(xué)模式探討［J］.大學(xué)物理實驗，2011，14:105-107.

［3］謝莉莎，肖蘇.大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的思考與實踐［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)版，2009，23(1):19-22.

［4］肖文波，何興道，鄧懿媛等 大學(xué)物理實驗教學(xué)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的討論［J］.大學(xué)物理實驗，2010，23(1):94-96.

［5］段家氏.美國高校物理實驗教學(xué)和管理情況考察報告［J］大學(xué)物理，2004(3):42-45.

［6］汪文明，大學(xué)物理實驗教學(xué)改革［J］.大學(xué)物理實驗，2004，17:94-96.