拓展物理實驗教學(xué)需求調(diào)研報告

朱亞彬 王 超 趙紅敏 范 玲 魏敏建 彭繼迎

（北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044）

1 調(diào)研背景

2010年7月國家頒布實施《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，其中提出要全面提高高等教育質(zhì)量，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量.北京交通大學(xué)作為國家重點大學(xué)之一，在軌道交通、通信和運輸?shù)阮I(lǐng)域具有明顯的行業(yè)優(yōu)勢.在多年的教育教學(xué)實踐基礎(chǔ)上，秉承“厚數(shù)博理、學(xué)科復(fù)合、踐實篤行、自主發(fā)展”的教育理念，積極貫徹落實《教育規(guī)劃綱要》精神，出臺了一系列科學(xué)、實效的教學(xué)改革措施，針對基礎(chǔ)教學(xué)方面，提出了理科平臺建設(shè)方案.北京交通大學(xué)于2011年將“工科物理教育改革研究”作為學(xué)校重點項目進(jìn)行支持，拓展物理實驗教學(xué)研究作為其子項目，主要研究內(nèi)容是調(diào)研物理學(xué)與我校優(yōu)勢專業(yè)的結(jié)合點，根據(jù)優(yōu)勢專業(yè)中所需要的物理知識發(fā)掘新的物理實驗項目.

物理學(xué)與其他學(xué)科密切相關(guān)，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個分支幾乎都滲透著物理學(xué)的內(nèi)容.例如，機(jī)械和建筑學(xué)科的發(fā)展，離不開力學(xué)理論；現(xiàn)代交通的發(fā)展離不開運動學(xué)的知識；通信技術(shù)的發(fā)展離不開電磁學(xué)的支持.縱觀物理學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展史，每次發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律都會帶來科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和進(jìn)步，而各種科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步又推動了物理學(xué)的發(fā)展和繁榮.如，現(xiàn)代航天技術(shù)和納米技術(shù)，就為物理學(xué)帶來豐富的研究內(nèi)容［1，2］.

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理實驗為物理學(xué)本身發(fā)展創(chuàng)造條件，又為各種新技術(shù)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ).如，電力和電子技術(shù)廣泛應(yīng)用，可以獲得精確計量的電動裝置和電子設(shè)備；高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，可以獲得超快的磁懸浮列車.現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正以驚人的速度發(fā)展，在其中醞釀著新的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律［3，4］.

基于物理學(xué)與科學(xué)技術(shù)相輔相成的關(guān)系，作為從事大學(xué)物理實驗教學(xué)的教師，我們需要考慮從兩個方面進(jìn)行大學(xué)物理實驗課程的設(shè)置：一是讓學(xué)生們通過驗證物理學(xué)中經(jīng)典和重要的物理實驗，使學(xué)生能夠直觀地理解物理規(guī)律和物理理論，培養(yǎng)學(xué)生的物理思想；二是讓學(xué)生們能夠從所學(xué)的專業(yè)課程和專業(yè)實驗中總結(jié)和發(fā)現(xiàn)物理現(xiàn)象和規(guī)律.我們調(diào)研了國內(nèi)外大學(xué)物理實驗課程的設(shè)置［5－7］，發(fā)現(xiàn)目前大學(xué)物理實驗課程均能完成第一個任務(wù)，而第二個功能幾乎為空白.目前的情況是，學(xué)生在大一和大二進(jìn)行大學(xué)物理和大學(xué)物理實驗的學(xué)習(xí)之后，就不再接觸物理課程.在進(jìn)入大三和大四專業(yè)課程學(xué)習(xí)后，并沒有把物理知識與專業(yè)課程聯(lián)系起來，更不會深究其中的物理原理.這樣，不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)，更不能實現(xiàn)研究型和應(yīng)用型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo).因此，我們提出拓展實驗物理教學(xué)研究項目，加強(qiáng)學(xué)生在專業(yè)課學(xué)習(xí)過程中對物理知識的了解和掌握.

2 調(diào)研問卷設(shè)計

通過電信學(xué)院開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)實驗課程，及學(xué)生在物理學(xué)方面所掌握的知識，設(shè)計出與通信、自動化和電子專業(yè)相關(guān)的物理原理問題調(diào)查問卷.

調(diào)查問卷設(shè)計依據(jù)的幾個原則：

（1）差異性.與電信學(xué)院已開設(shè)的專業(yè)實驗，特別是專業(yè)基礎(chǔ)實驗不能重復(fù)；

（2）物理基礎(chǔ)性.挑選的實驗本身是蘊含著自然科學(xué)的最基本的規(guī)律、基本方法、基本思想最具典型的物理實驗；

（3）實驗基礎(chǔ)性.該實驗在完成過程中能使基本實驗技能得到較充分的訓(xùn)練，有一定覆蓋面并具典型性；

（4）工程應(yīng)用性.挑選開設(shè)的實驗要能直接體現(xiàn)或聯(lián)系延伸工程技術(shù)的典型方法、典型原理、典型思想，并能貼近專業(yè)、貼近現(xiàn)代新技術(shù)，如自動控制中光、機(jī)、電一體化技術(shù)設(shè)計等；

（5）新穎性.開設(shè)的實驗要從設(shè)備原理、方法上跟蹤現(xiàn)實生活和生產(chǎn)技術(shù)并應(yīng)具有相當(dāng)?shù)某埃?，自控、信息化、自動化、?shù)字化、綜合集成化等；

（6）有彈性.實驗設(shè)置的內(nèi)容既包括主體的基本部分，又有多個擴(kuò)展延伸部分供學(xué)生選擇，將基礎(chǔ)部分與延伸部分進(jìn)行有機(jī)的分層次的結(jié)合.可適應(yīng)不同層次，不同梯次訓(xùn)練，可高可低、可增可減方便機(jī)動選擇與安排.

問卷涉及的問題數(shù)量較多，考慮到學(xué)生答卷的時間和質(zhì)量，將問題分為A卷和B卷，各12個題目.為了解學(xué)生對現(xiàn)有物理實驗課程的意見，A卷和B卷均有類似的題目.

A卷中有：

1.在大一時，您上過的大學(xué)物理實驗課中，

您能回憶起的實驗是：

A.力學(xué)實驗：如，楊氏模量靜態(tài)法測量，剛體轉(zhuǎn)動慣量等；

B.光學(xué)實驗；如，分光計的使用，邁克耳孫干涉儀等；

C.電學(xué)實驗：如，分壓限流，示波器的使用等.

B卷中有：

1.您對大一時開設(shè)的大學(xué)物理實驗課的看法是

A.很有意義，對自己幫助也很大，有一些收獲

B.沒有什么感覺，對自己影響不大

C.幫助不大，感覺有些耽誤時間

為了解學(xué)生對拓展物理實驗開設(shè)形式的建議，A卷和B卷設(shè)計了相同的題目：

11.如果理學(xué)院決定在您大二下學(xué)期和大三期間開設(shè)一門物理實驗課，其實驗題目都是從您專業(yè)課程中提取.您覺得怎么樣？

A.比較好，可以幫助自己更牢固地掌握一些基礎(chǔ)層面的知識.

B.可以，如果能夠拓展知識面，并提高實驗技能.

C.感覺會加重自己的課業(yè)負(fù)擔(dān)，而且?guī)椭鷷苄?

12.如果此實驗課已經(jīng)決定開設(shè)，您最希望的課程類型是什么？

A.必修課； B.限選課； C.任選課.

3 調(diào)研結(jié)果分析

A卷和B卷分別打印了300份，共600份，收回的有效問卷505份.調(diào)研對象以電信學(xué)院大三、大四的同學(xué)為主，還有部分是已完成物理實驗課程學(xué)習(xí)的電信學(xué)院大二的學(xué)生.

A卷第1題統(tǒng)計結(jié)果見圖1，對于力、熱、光實驗各有30%左右的學(xué)生印象深刻.B卷第1題統(tǒng)計結(jié)果見圖2，約57%的學(xué)生持無所謂的態(tài)度，只是當(dāng)必修課應(yīng)付.A卷其他題目統(tǒng)計結(jié)果見圖3，50%～90% 的學(xué)生對問卷A中涉及的物理原理理解不深刻或完全不了解.B卷其他題目統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示，可以看出，70%～90% 的學(xué)生對問卷B中涉及的物理原理理解不深刻或完全不了解.A卷和B卷相同題目統(tǒng)計結(jié)果見圖5和圖6，從圖5中可看出，67%同學(xué)認(rèn)為可以開設(shè)后續(xù)拓展實驗課.從圖6中可看出，86%同學(xué)認(rèn)為可以作為任選課程開設(shè).

圖1 A卷第1題統(tǒng)計結(jié)果分布圖

圖2 B卷第1題統(tǒng)計結(jié)果分布圖

圖3 A卷其他題目統(tǒng)計結(jié)果分布圖

根據(jù)對具體問題的統(tǒng)計情況，90%以上的學(xué)生不了解的知識點有：電子設(shè)備內(nèi)部干擾，空間頻譜和濾波，四探針測薄膜的電阻率，像素的灰度值，混沌現(xiàn)象，雙光柵測量微弱振動，電磁感應(yīng)測交變磁場，鐵磁體弦振動儀器等.80%以上的學(xué)生不了解的知識點有：光纖傳輸模式，微波基本參數(shù)，熱噪聲及噪聲電壓等.70%以上的學(xué)生不了解的知識點有：光電效應(yīng)及應(yīng)用，多普勒頻移，光電二極管等.50%以上的學(xué)生不了解的知識點有：門限效應(yīng)和霍爾效應(yīng).

圖4 B卷其他題目統(tǒng)計結(jié)果分布圖

圖5 A和B卷相同題目結(jié)果分布圖

圖6 A和B卷相同題目結(jié)果分布圖

其中，混沌效應(yīng)和電子設(shè)備內(nèi)部干擾的相關(guān)知識在學(xué)生們將要學(xué)習(xí)的電路設(shè)計中具有非常重要的意義，但是學(xué)生并不了解其中的物理原理.雙光柵微弱振動和鐵磁體弦振動測量方法不了解，并有77%的學(xué)生在之后的學(xué)習(xí)中遇到與此相關(guān)的問題.空間濾波技術(shù)對于通信信道的優(yōu)化具有重要作用，但是學(xué)生對阿貝成像原理與空間濾波技術(shù)之間的聯(lián)系不了解.電磁感應(yīng)法測量交變磁場和微波的基本參數(shù)在電磁波與電磁場一課中非常重要，但是在電信學(xué)院只作為演示實驗開設(shè)，學(xué)生印象不深刻.光電效應(yīng)、PN結(jié)單向?qū)щ娦院蚉N結(jié)的雪崩擊穿現(xiàn)象，學(xué)生在專業(yè)課程學(xué)習(xí)中經(jīng)常遇到，但是沒有做實驗，理解并不深刻.

從以上統(tǒng)計結(jié)果可看出，70%左右的學(xué)生并沒有在專業(yè)課的學(xué)習(xí)過程中，提煉和總結(jié)物理知識和規(guī)律.如果物理實驗中心開設(shè)后續(xù)拓展實驗課程，有67%的學(xué)生愿意參加學(xué)習(xí)，86%的學(xué)生認(rèn)為以任選課的形式開課.

4 部分物理實驗項目

通過對調(diào)查問卷的分析，歸納出電信學(xué)院專業(yè)課程中涉及的，而目前沒有相應(yīng)的實驗配套的物理知識點，見表1.無線通信課程中涉及多普勒頻移，可開展多普勒效應(yīng)實驗.模擬電路課程中有光電二極管等知識，可開展光敏電阻、硅光電池、光電二極管、三極管等光電探測器實驗.通信原理課程中有熱噪聲、電阻兩端的噪聲壓電現(xiàn)象，可設(shè)計關(guān)于電阻和晶體三極管中的噪聲實驗.通信原理課程中還有頻譜、頻率調(diào)制時門限效應(yīng)，可設(shè)計周期信號頻譜實驗、高密度頻譜實驗.集成電路設(shè)計基礎(chǔ)課程中有集成電路制造技術(shù)，可開展微納結(jié)構(gòu)制備及觀測實驗（如，薄膜制備、光刻技術(shù)和掃描電鏡等）.通信系統(tǒng)原理課程中有通信安全，可設(shè)計同步混沌電路及其在保密通信中的應(yīng)用實驗.電磁場與電磁波課程中有電磁波的傳播，可開展單縫衍射實驗、雙縫干涉實驗、邁克耳孫干涉實驗、無損介質(zhì)介電常數(shù)實驗、布拉格衍射實驗、電磁波偏振實驗、圓極化波的產(chǎn)生與檢測、右旋與左旋，反射和折射等.

表1 可開設(shè)拓展物理實驗的知識點

根據(jù)現(xiàn)有的物理實驗教學(xué)示范中心的儀器設(shè)備，請電信學(xué)院的8位同學(xué)進(jìn)行試做，試做的實驗題目及知識點有：微波衍射、激光多普勒測速、光信號傳輸和導(dǎo)體薄膜電阻測試.學(xué)生反饋意見是：微波衍射實驗，加深了對該現(xiàn)象的理解，拓展了知識面；激光多普勒測速實驗與專業(yè)所學(xué)相關(guān)度很大，第一次接觸到Labview軟件，通過軟件硬件結(jié)合來實現(xiàn)控制，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；光信號傳輸實驗對專業(yè)幫助很大，通過自己動手操作，了解光通信的全過程，印象深刻；導(dǎo)體薄膜電阻測試，有利于理解電子元器件的內(nèi)部構(gòu)造，拓展了知識面.

后續(xù)拓展物理實驗作為一門課程建設(shè)，不僅需要確定實驗項目，還需要有相應(yīng)的實驗設(shè)備配套，及講義編著等其他環(huán)節(jié).因此，這方面的工作才剛剛起步，今后還需要繼續(xù)開展此方面的教學(xué)研究.

5 結(jié)語

大學(xué)物理實驗課程是工科院校大學(xué)生進(jìn)校后的第一門科學(xué)實驗課程，對于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力具有重要的作用.作為講授大學(xué)物理實驗課程的教師，需要在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等諸方面進(jìn)行不斷創(chuàng)新.拓展物理實驗課程開設(shè)，作為大學(xué)物理實驗的后續(xù)課程，讓學(xué)生在接受本專業(yè)技能訓(xùn)練的同時“知其然，也知其所以然”，將科學(xué)與技術(shù)融會貫通，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)用能力.在未來的工作中，找到物理與其專業(yè)交叉的突破點，有所發(fā)明和創(chuàng)造.

［1］ 趙凱華.20世紀(jì)是物理學(xué)推動了高技術(shù)的發(fā)展［J］.物理，1997，26（11）：703－704.

［2］ 趙凱華.談?wù)勎锢韺W(xué)與自然科學(xué)中姐妹學(xué)科的關(guān)系［J］.物理，1997，26（11）：755－756.

［3］ 國家教委高教司.當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展與教學(xué)改革［M］.北京：高等教育出版社，1995.49－62.

［4］ 王剛.大學(xué)物理與相關(guān)學(xué)科關(guān)系探討［J］.科技市場經(jīng)濟(jì)，2010，3：101－7102.

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［6］ 沈元華.訪美歸來談物理實驗的教學(xué)改革［J］.物理實驗，2001，21（6）：43－46.

［7］ 馬興坤，小林正明.東京理科大學(xué)物理系的物理實驗教學(xué)［J］.物理實驗，2000，20（10）：35－36.

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