物理實驗多元化教學模式的研究

周群　郭露芳　林立華

摘要：結(jié)合上海理工大學大學物理實驗中心的教學經(jīng)驗，探討了實驗教學和大學物理實驗創(chuàng)新的方式，闡述了營造多元化教學模式的必要性，從實驗教學內(nèi)容、實驗教學方式以及創(chuàng)新平臺建設(shè)方面提出了可行的方法。

關(guān)鍵詞：大學物理實驗；改革創(chuàng)新；多元化教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003 6970.2016.05.003

本文著錄格式：周群，郭露芳，林立華.物理實驗多元化教學模式的研究[J].軟件，2016，37（5）：11-14

0.引言

改革創(chuàng)新在高校建設(shè)中十分重要。實驗教學是高等學校整個教學過程的重要組成部分，直接影響學生的綜合素質(zhì)與能力的培養(yǎng)，其基本任務(wù)是向?qū)W生傳授實驗技術(shù)理論，培養(yǎng)學生的觀察動手能力、分析問題能力以及創(chuàng)新能力，使學生養(yǎng)成理論聯(lián)系實際和勇于探索的科學精神。上海理工大學十分重視大學物理實驗課的教學和建設(shè)。2001年大學物理實驗室被上海市教委授予上海市高校基礎(chǔ)課教學實驗室地區(qū)評估合格證書；2002年因在實驗室管理工作中成績顯著，大學物理實驗室再次受到上海市教委的表彰。為進一步提高大學物理實驗課的教學質(zhì)量，改善實驗設(shè)備陳舊、實驗用房緊張的狀況，學校于2003年投入兩百多萬元對大學物理實驗室進行了改造。改造后的大學物理實驗室能開出力學實驗10個、熱學實驗6個、電磁學實驗11個、光學實驗9個、近代物理實驗6個，共計42個實驗，物理演示實驗27個。在學校的大力支持下，2005年大學物理實驗室又實施了一項總經(jīng)費為180多萬元的中央和地方共建項目，增設(shè)基礎(chǔ)實驗5個，提高和設(shè)計性實驗20余個，計算機仿真實驗室一個（可開出仿真實驗52個，其中35個實驗為全新實驗）。大學物理實驗中心目前下設(shè)基礎(chǔ)物理實驗室、提高實驗窒、創(chuàng)新開放實驗室、演示實驗室和計算機仿真實驗室。

20世紀中葉以來，以計算機信息科學技術(shù)，生命科學，空間科學，材料科學等為代表的新的科學技術(shù)革命，極大地加速了科學技術(shù)的發(fā)展和各學科之間的相互交叉和滲透，新的綜合化趨勢已成為科學發(fā)展的主流。因此，物理實驗課程體系、教學內(nèi)容和教學方法必須由封閉型向開放型轉(zhuǎn)變。大學物理實驗作為大學生在進校后的第一門科學實驗課程，不僅應(yīng)讓學生受到嚴格的、系統(tǒng)的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識，更主要的是要培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維能力和創(chuàng)新精神，分析和解決實際問題的能力，特別是與科學技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，適應(yīng)時代的發(fā)展，科技進步的創(chuàng)新能力。改變實驗教學依附于理論教學的傳統(tǒng)觀念，實施多元化實驗教學理念是目前高校教育學改革的重要內(nèi)容。我們在這方面采取了多種手段以提高學生學習興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

1.實驗教學形式多元化

1.1大學物理仿真實驗

仿真實驗開創(chuàng)了物理實驗教學的新模式。課堂上利用計算機把實驗設(shè)備、教學內(nèi)容（包括理論教學）和學生操作有機融合為一體，為物理實驗改革提供了有力工具，同時克服了實驗教學長期受到課堂、課時限制的困擾，使實驗教學內(nèi)容在時間和空間上得到延伸，將實驗的原理、思想、方法和應(yīng)用與仿真軟件的虛擬實驗儀器、實驗環(huán)境相結(jié)合，將理論教學與實驗教學有機地融為一體。學生可以在學習物理概念的基礎(chǔ)上，有目的地去設(shè)計實驗，又能通過實驗深化對物理概念、思想的理解。利用仿真實驗，實現(xiàn)理論與實驗的互動學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和能力。

1.2開設(shè)現(xiàn)代物理實驗技術(shù)系列講座

現(xiàn)代科學技術(shù)的創(chuàng)新都是在實驗室里產(chǎn)生的。目前大學本科開設(shè)的有些物理實驗是當時科技發(fā)展的突破性成果；一些實驗成果為后來的科技發(fā)展開辟了新的研究范圍，派生出很多研究方向，甚至產(chǎn)生了一個新的科學領(lǐng)域或者一個新的產(chǎn)業(yè)。但在我們教學中沒有介紹其背景、思想和應(yīng)用。這些內(nèi)容是培養(yǎng)學生科學素質(zhì)、創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)和很好的教材。

因此我們在開設(shè)物理實驗課的同時，對學生開設(shè)物理實驗技術(shù)系列講座，例如有：結(jié)合上海工博會介紹新能源轎車，有燃料電池轎車、混合動力轎車等；力學傳感器在工業(yè)機器人和服務(wù)機器人上的應(yīng)用。2012年工博會上，我校除“基于太赫茲技術(shù)的地溝油快速檢測儀”項目受到媒體及參展觀眾的廣泛關(guān)注，并榮獲高校展區(qū)展品三等獎外，“節(jié)能冷卻塔組及全工況冷卻系統(tǒng)”項目更是受到業(yè)內(nèi)專家的一致推崇，榮獲高校展區(qū)展品一等獎。經(jīng)過我們的介紹有一批學生自發(fā)組織去觀看工博會，在展覽現(xiàn)場了解到了很多當今的新科技。在實際教學中，激發(fā)了學生學習的熱情和主動性，出現(xiàn)了生動、活潑的學習氛圍。

1.3開設(shè)物理學史課程

物理學史是研究人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認識史，是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，很值得我們?nèi)グl(fā)掘。通過物理學史的學習，不但能增長見識，加深對物理學的理解，更重要的是可以從中得到教益，開闊眼界，從前人的經(jīng)驗中得到啟示。開設(shè)這門課的目的，就是為了強化學生物理文化教育素質(zhì)，從物理學史這塊精神財富的寶地中，汲取營養(yǎng)，學習物理學前輩們的科學創(chuàng)造方法、嚴謹?shù)闹螌W方法和實事求是的科學態(tài)度，在新世紀的高科技領(lǐng)域中創(chuàng)造更光輝的業(yè)績。

1.4大學物理創(chuàng)新實驗設(shè)計大賽

為進一步激發(fā)我校學生對物理實驗的熱情和興趣，培養(yǎng)學生運用物理知識獨立思考問題解決問題的能力以及實驗動手能力和創(chuàng)新能力，加強學生科學素養(yǎng)，提高學生的綜合實踐能力，每年舉辦一次大學物理創(chuàng)新實驗設(shè)計大賽，至今已舉辦了三屆。從中選拔出一批實驗基礎(chǔ)扎實、創(chuàng)新思維活躍、動手能力強的學生，為大學生創(chuàng)新實踐活動及科研訓練選拔人才奠定基礎(chǔ)。例如2010年創(chuàng)新設(shè)計大賽的一等獎是滴水起電、太陽能風能為機器人供電，二等獎是風洞機翼上升制作等。學生一般是5人一組，團結(jié)協(xié)作完成設(shè)計課題，增強了學生的合作意識。

1.5實行開放式教學

實行開放式教學，它不僅時間上對學生開放，而且在內(nèi)容上也開放，是一種個性教學模式。這種教學模式能滿足學生求知、探索和創(chuàng)新的欲望，側(cè)重創(chuàng)新精神與能力的培養(yǎng)。學生在完成38個學時的基礎(chǔ)實驗和綜合性實驗學習后，可以根據(jù)自己的能力、專業(yè)特點和興趣以及時間，自主地選擇不同的實驗內(nèi)容和實驗時段。開放性實驗對全校所有學生開放，實行網(wǎng)上預(yù)約制。開放性實驗里有和目前的科技發(fā)展聯(lián)系密切的實驗項目，比如液晶電光效應(yīng)、燃料電池的綜合特性、傳感器系列實驗等。

除了教學手段多元化外，我們還在其他軟件硬件方面進行配套的調(diào)整，以達到實驗教學的最優(yōu)效果。

2.整體優(yōu)化實驗教學內(nèi)容體系

實驗內(nèi)容框架體系分成三個層次：基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗。另外還開設(shè)了開放性實驗和創(chuàng)新性實驗，供有興趣和能力的學生選做。在保證基礎(chǔ)的前提下，更新內(nèi)容，提高起點，減少簡單驗證性實驗。綜合和設(shè)計性實驗的比例逐年增加。

按照學校加強基礎(chǔ)，重視應(yīng)用，提高素質(zhì)的人才培養(yǎng)要求，在保證基本教學要求的前提下，對原有實驗項目進行精選，合并，更新。我們淘汰了一些陳舊的、驗證性的實驗，如：靜電場的描繪、薄透鏡焦距的測定等實驗。增設(shè)一些能提高學生創(chuàng)新思維，綜合能力應(yīng)用的實驗，如夫蘭克一赫茲實驗、傳感器技術(shù)等實驗。學生在完成一定數(shù)量的基礎(chǔ)實驗，根據(jù)自身的興趣和愛好自主地選擇綜合性和設(shè)計性實驗。我們給學生開設(shè)的設(shè)計性實驗，要求學生課前根據(jù)設(shè)計實驗題目和實驗室提供的儀器，查閱資料，推證有關(guān)理論公式，畫出設(shè)計線路圖，并按照理論上可行的實驗方法擬定實驗步驟。教師只負責檢查設(shè)計方案是否正確，學生自行完成實驗全過程。目的是以培養(yǎng)學生學會簡單的物理實驗設(shè)計思想、方法和測試技能。難度不是太大，實驗中提供的儀器在先前的實驗中也都用過，例如：用示波器測電感、用邁克耳遜干涉儀測空氣折射率等。目前，高等院校非物理類的本課程教學基本要求中綜合性、設(shè)計性實驗比例只要求達到10%，而我們的綜合性、設(shè)計性實驗比例接近33%。

3.實現(xiàn)教學手段現(xiàn)代化

本實驗中心教學人員利用微機，購買和自行編寫了一些教學軟件。為了在教學中配合這些軟件的運行，每個實驗室配置微機、音響、投影儀和話筒。一方面用于教師上課演示實驗內(nèi)容，另一方面學生在做完實驗，可在計算機上進行數(shù)據(jù)處理，以檢查結(jié)果對錯，誤差較大的數(shù)據(jù)，要求學生重做實驗，采集數(shù)據(jù)，重新上機處理，使學生受到了嚴謹?shù)目茖W素質(zhì)訓練。

教學中配合使用投影設(shè)備和CCD微觀圖象攝像顯示設(shè)備，使物理現(xiàn)象直觀地展現(xiàn)在學生面前，增強了教學效果。例如：密立根油滴實驗、分光計、牛頓環(huán)等實驗，使原先學生無法觀察到的實驗現(xiàn)象，利用CCD微觀圖象攝像顯示設(shè)備，通過電腦展現(xiàn)在學生面前，給教學代來了很大方便。學生對教師講解的內(nèi)容心領(lǐng)神會，既節(jié)省了教師上課講解的時間，學生又能很快地將儀器調(diào)節(jié)到正常的工作狀態(tài)，提高了教學效果。

4.做好實驗教材建設(shè)

教材的改革是實驗改革的總結(jié)和理論上的提高。我們認真分析了各高校的實驗教材，把握住實驗改革和發(fā)展的脈搏和方向，在多年使用校內(nèi)印刷的原自編教材的基礎(chǔ)上，09年4月編寫出版了《大學物理實驗》教材，16年3月出版了《大學物理創(chuàng)新設(shè)計實驗》教材。教材充分體現(xiàn)了“拓展知識面，靈活性，實用性，時代性”。教學方法有特色，《大學物理實驗》教材中分階段，分層次地組織教學，以基礎(chǔ)性實驗，綜合提高性實驗，設(shè)計性實驗為三個臺階，并附加開放性實驗和應(yīng)用物理實驗，來實現(xiàn)從低到高，從基礎(chǔ)到前沿，從接受知識型到培養(yǎng)綜合能力型逐階提高的物理實驗教學目的。此教材使用5年多來效果明顯。有一萬多名學生都使用了該教材。

5.建立物理演示展廳

物理演示實驗?zāi)荛_擴學生的視野，啟發(fā)思維，開發(fā)創(chuàng)造力，增加學生學習物理的興趣，對提高學生的科學素質(zhì)起到極其重要的作用。課堂演示實驗的特點是緊密配合教學，原理清晰，形象直觀，易于操作，安全方便。隨教學手段的進步，演示實驗也有多種表現(xiàn)形式。現(xiàn)場實驗確實對深化理解啟發(fā)思維起到了十分重要的作用。目前演示廳能演示近40個實驗項目，具有一定的規(guī)模。特別是有的實驗一般日常生活不能遇見到的現(xiàn)象，學生就非常關(guān)注，如：激光琴、導光水柱和測力機器人就是如此。每次學生看完演示后，都不愿離開演示室。有時幾個同學圍在一起，邊看實驗邊爭論，從中悟出現(xiàn)象背后的物理原理。學期結(jié)束后，要求學生選擇一個他最感興趣的物理演示實驗，解釋其原理。

6.結(jié)語

幾年來我們在大學物理實驗教學改革中，以學生知識、能力和素質(zhì)的綜合培養(yǎng)為目標，在教學的組織上著力體現(xiàn)以學生為主體、教師為主導，注重學生個性發(fā)展和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的原則。形成了有一定特色的大學物理實驗課程教學體系，取得了一系列的大學物理實驗的教學改革成果。我們還要繼續(xù)發(fā)揚黨提出的改革創(chuàng)新精神，不斷優(yōu)化實驗教學體系，使更多的學生受益。