大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課教學(xué)內(nèi)容與方法改革探析

劉 璐 李端勇 張 昱 余雪里 祝 丹

（武漢工程大學(xué)湖北省物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 湖北 武漢 430205）

1 引言

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，也是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)是其中的重要組成部分.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在高等學(xué)校是理工科學(xué)生必修的課程，是對(duì)大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)基礎(chǔ)訓(xùn)練的重要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，是學(xué)習(xí)或從事科學(xué)研究的起步.而學(xué)習(xí)好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是從實(shí)驗(yàn)緒論課開始，緒論課的教學(xué)內(nèi)容和方法直接影響到學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣、認(rèn)知和探索.本文結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)對(duì)緒論課的教學(xué)內(nèi)容與方式進(jìn)行了以下的改革探析.

2 激發(fā)超越榜樣學(xué)生的興趣

我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在大學(xué)一年級(jí)第二學(xué)期開始學(xué)習(xí)，和基礎(chǔ)化學(xué)類實(shí)驗(yàn)同步，是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個(gè)操作性質(zhì)的課程.首次進(jìn)入大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，那么毋庸置疑，首先必須讓學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)室的規(guī)定、實(shí)驗(yàn)成績的評(píng)定等學(xué)生關(guān)心的實(shí)際問題，但這種嚴(yán)肅的說教一般不得超過10min，就馬上切換到請(qǐng)學(xué)生觀看有人物的極美風(fēng)景照，并通過PPT講解這個(gè)照片的背景人物，是他們往屆不遠(yuǎn)的學(xué)長，現(xiàn)在在外國求學(xué)，是一個(gè)不但成績優(yōu)異，而且人品超贊、真正品學(xué)兼優(yōu)的學(xué)霸，老師們都保留了他（她）過往學(xué)習(xí)的片段，至現(xiàn)在仍有聯(lián)系.這樣便立即提起了學(xué)生極大的圍觀興趣，這時(shí)候及時(shí)向?qū)W生分享該榜樣學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，并結(jié)合教材向?qū)W生作如下的講解.

2.1 實(shí)驗(yàn)室規(guī)定

進(jìn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)生衣著必須得體，手機(jī)須靜音或關(guān)機(jī)；課堂采取考勤制，提前15min到實(shí)驗(yàn)室刷卡，遲到扣分，曠課零分；檢查預(yù)習(xí)報(bào)告并簽字，記入報(bào)告成績；沒有預(yù)習(xí)報(bào)告不得操作實(shí)驗(yàn)儀器，實(shí)驗(yàn)獨(dú)立完成，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)二份，一份交老師簽字留存，一份帶回去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；實(shí)驗(yàn)儀器歸零或關(guān)閉，桌面保持整潔之后才視為實(shí)驗(yàn)結(jié)束；隔周同一時(shí)間集中收齊交實(shí)驗(yàn)報(bào)告.

2.2 課業(yè)任務(wù)

開設(shè)2個(gè)學(xué)期，每學(xué)期完成10個(gè)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要完成包含有實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記錄及處理、思考題的實(shí)驗(yàn)報(bào)告.學(xué)生還可以根據(jù)興趣申請(qǐng)做設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn).每學(xué)期結(jié)束之前以班級(jí)為單位抽簽實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行考試.

2.3 實(shí)驗(yàn)成績?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

學(xué)生的到課情況、實(shí)驗(yàn)操作情況以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況記入平時(shí)成績，10個(gè)實(shí)驗(yàn)的成績?yōu)槠綍r(shí)的平均成績，占70%，抽簽考試成績占30%.學(xué)生上交報(bào)告和成績上網(wǎng)查詢間隔一周時(shí)間，批閱的報(bào)告及時(shí)發(fā)放給學(xué)生，以便學(xué)生明白評(píng)定情況、改正錯(cuò)誤.

以上講解有效地避免了高而冷的說教，有故事地傳遞了有規(guī)則的信息，現(xiàn)場看到有學(xué)生頓時(shí)將自己的腳從桌子框架上拿下踩放到地面上，實(shí)驗(yàn)結(jié)束了自覺地將坐凳放回原位，飲品、紙張等與實(shí)驗(yàn)裝置無關(guān)的物品帶出實(shí)驗(yàn)室，最后離開實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生像榜樣學(xué)生一樣主動(dòng)地關(guān)窗關(guān)電.良好的操行是實(shí)驗(yàn)課程的最好開端，為以后培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的科學(xué)精神，提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)打下了基礎(chǔ).

3 誤差理論和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識(shí)講解

誤差理論和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識(shí)是緒論課的精華，包含的實(shí)驗(yàn)科學(xué)知識(shí)有：有效數(shù)字、誤差的基本概念、不確定度的基本概念、直接測量結(jié)果與不確定度的估算、間接測量結(jié)果與不確定度的關(guān)系、數(shù)據(jù)處理的常用方法、常用儀器的儀器誤差等.通過觀察教學(xué)效果，知道學(xué)生對(duì)這種大一統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容講解缺乏聽課的耐心，喜好在遇到具體問題時(shí)再鉆研，那么教師就要改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，簡介教學(xué)內(nèi)容，向?qū)W生介紹知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生掌握最相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)拋磚引玉，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣.

3.1 活化應(yīng)用數(shù)學(xué)知識(shí)增強(qiáng)對(duì)物理量的認(rèn)識(shí)

物理實(shí)驗(yàn)中從緒論課開始都有復(fù)雜的公式推導(dǎo)，這讓基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生有畏難情緒，基礎(chǔ)好的學(xué)生也是不會(huì)靈活應(yīng)用.解決這個(gè)問題，決不能采用“就湯下面”式的教學(xué)，而是要將知識(shí)劃開式地引導(dǎo)，讓學(xué)生達(dá)到聽后有悟性，取得思維打開的效果.比如開始可以講速度對(duì)時(shí)間的求導(dǎo)是加速度這個(gè)容易讓人理解的數(shù)學(xué)活化應(yīng)用，繼而講到極限與偏差，全微分與誤差傳遞，不求深入，但求有全新的理解，讓學(xué)生知道原來是這樣，數(shù)學(xué)和物理緊密相連，數(shù)學(xué)不是孤立的，可以幫助我們理解物理概念，物理公式推導(dǎo)也不是晦澀難懂的，點(diǎn)到為止，給學(xué)生留下回味，使學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中盡量不生搬硬套，體會(huì)到知識(shí)活用不是口號(hào)，舉一反三也不是難以企及，很多物理量的表示也能那么實(shí)際易懂.

3.2 不確定度基本概念的認(rèn)識(shí)

不確定度概念是非常重要的概念，但學(xué)生容易一知半解，似乎懂了，但在以后的實(shí)驗(yàn)中又容易忽視，在對(duì)某一物理量表示時(shí)常常需要教師的提醒，所以在緒論課中對(duì)這個(gè)概念引入并且掌握尤為重要.我們可以從目測某學(xué)生的身高開始，把真值、誤差、不確定度生動(dòng)地講明白.首先講這位學(xué)生的身高是一個(gè)真值，客觀存在，但是不易獲得，我們通過目測可以表示一個(gè)范圍出來，也就是有誤差，有不能肯定的程度，就有不確定度，那么可靠程度就在一個(gè)區(qū)間里，如果我們?cè)跍y量物理量或求得物理量時(shí)，在比較精密的測量儀器下相比目測更能體現(xiàn)物理量的不確定性，只是借助工具的區(qū)間表示范圍會(huì)更小，更準(zhǔn)確.通過這樣講解，學(xué)生更容易理解，更容易把知識(shí)點(diǎn)串起來，收到的教學(xué)效果也就很明顯.

3.3 舉例講解與學(xué)生共同完成有代表性的數(shù)字表達(dá)式

盡管在緒論課教學(xué)中教師不斷從提高學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)、興趣、方法上培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，但學(xué)生對(duì)測量誤差、不確定度及數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識(shí)還沒有全面掌握，將導(dǎo)致學(xué)生在以后實(shí)驗(yàn)中不能正確測量和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也不能合理計(jì)算所得結(jié)果，更不能得到接近真值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以教師選擇有代表性的數(shù)字表達(dá)式舉例講解與學(xué)生共同完成這一教學(xué)環(huán)節(jié)特別重要.結(jié)合典型數(shù)字表達(dá)式講解數(shù)值的舍入修約規(guī)則、有效數(shù)字的計(jì)算規(guī)則、有效數(shù)字和位數(shù)與不確定度的密切關(guān)系等，請(qǐng)學(xué)生分別上來做題，計(jì)算，判斷正誤，寫出正確答案，因針對(duì)性極強(qiáng)，從而使學(xué)生掌握以下幾點(diǎn)：

（1）怎樣確定需要保留的有效數(shù)字和位數(shù).

（2）有效數(shù)字在加減法運(yùn)算中，結(jié)果最后一位與參與運(yùn)算的各測量值中尾數(shù)位最高的（絕對(duì)誤差最大的）取齊［1］.

（3）在乘除運(yùn)算中，積或商的有效數(shù)字位數(shù)與參與運(yùn)算的各數(shù)中位數(shù)最小的數(shù)相同［1］.

（4）一般情況下，x的自然對(duì)數(shù)lnx尾數(shù)部分的位數(shù)與x的有效數(shù)字位數(shù)相同［1］.

（5）不確定度的表示實(shí)際上是一定概率下的置信區(qū)間，采取“只進(jìn)不舍”的入舍修約規(guī)則，平均值的有效數(shù)字最后一位應(yīng)與不確定度確定的最后一位在同一數(shù)量級(jí)上保持一致［1］.

4 常用儀器工具介紹

物理實(shí)驗(yàn)是一門操作性的課程，實(shí)驗(yàn)中涉及到力、熱、電、光各領(lǐng)域的儀器設(shè)備，在緒論課中不可能把這些都介紹完，而且介紹一遍教學(xué)效果也很不好.通?？紤]是在各個(gè)實(shí)驗(yàn)科目中學(xué)習(xí)掌握相關(guān)儀器設(shè)備的操作取得的效果將更好，但是在下一個(gè)實(shí)驗(yàn)科目開始前，教師在緒論課有必要教會(huì)學(xué)生使用涉及到的常用儀器工具，比如萬用表的使用，游標(biāo)卡尺如何讀數(shù)，儀器水平調(diào)節(jié)等，這些不論在教學(xué)上還是工程實(shí)踐中以及在生活中都可能會(huì)用到的常用物的使用學(xué)習(xí)掌握，使學(xué)生有一個(gè)基本面的獲得感，對(duì)以后學(xué)生由淺入深地使用儀器設(shè)備有一個(gè)良好的開端.

5 結(jié)語

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生獲得基本的實(shí)驗(yàn)知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面受到較為嚴(yán)格的訓(xùn)練.為此，緒論課的地位就顯得十分重要.激發(fā)現(xiàn)屆學(xué)生超越往屆榜樣學(xué)生的動(dòng)力可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生有良好操行的效果，誤差理論和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識(shí)講解，讓學(xué)生掌握最相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)拋磚引玉，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，常用儀器工具介紹不僅教會(huì)了學(xué)生使用基本的儀器、工具，還增強(qiáng)了學(xué)生面對(duì)復(fù)雜線路時(shí)躍躍欲試的信心，通過上述教學(xué)過程，進(jìn)一步提高了緒論課的教學(xué)質(zhì)量，收到了良好的教學(xué)效果.

1 李端勇，張昱.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京：科學(xué)出版社，2014.06，9～28