學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的實踐探究

高文莉，周　進(jìn)，蘇為寧

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學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的實踐探究

高文莉，周進(jìn)，蘇為寧

(南京大學(xué) 物理實驗教學(xué)中心，江蘇 南京 210093)

結(jié)合大學(xué)物理實驗教學(xué)工作經(jīng)驗和當(dāng)前大力開展創(chuàng)新型教育的新形勢,在實驗教學(xué)過程中探索了學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗教學(xué)模式,并以邁克耳孫干涉實驗為例，列舉了由基本實驗拓展出的6個實驗. 實踐表明:學(xué)生主導(dǎo)型實驗提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合能力.

學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗；教學(xué)模式；綜合能力

近年來，隨著高等教育改革的深入以及社會的快速進(jìn)步，培養(yǎng)具有較高綜合能力的創(chuàng)新人才成為當(dāng)前高等院校的重要任務(wù). 綜合能力是比較寬泛的概念，從學(xué)生培養(yǎng)的角度看，主要包含2部分:提出問題的能力和解決問題的能力.

現(xiàn)在的大學(xué)教育偏重于后者，即學(xué)生的知識儲備、分析問題、解決問題的能力，物理實驗也是如此，從形式看，物理實驗可以分為3類：

1)基礎(chǔ)和綜合實驗，一般告知實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗儀器，讓學(xué)生按要求完成. 這主要培養(yǎng)學(xué)生理解基本實驗方法、掌握儀器的使用和鍛煉動手能力.

2)設(shè)計性實驗，對學(xué)生提出實驗要求，并一定范圍內(nèi)給定實驗儀器，由學(xué)生思考如何完成實驗任務(wù). 這可培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力.

3)研究性實驗，教師給學(xué)生想法或方向，由學(xué)生自己準(zhǔn)備器材，摸索實驗方法. 這類實驗可以培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、團(tuán)隊協(xié)作等能力.

這3類物理實驗有共同的特點，就是實驗題目均來源于教師，學(xué)生自主完成空間雖然有所不同，但基本上仍屬于培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力的范疇. 如何讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，是當(dāng)今高校人才培養(yǎng)方面重要的課題之一，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要方面. 著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎得主李政道在2010年首屆“創(chuàng)新中國論壇”上指出“要創(chuàng)新，需學(xué)問；只學(xué)答，非學(xué)問. 要創(chuàng)新，需學(xué)問；問愈透，創(chuàng)更新.”近年來南京大學(xué)物理實驗教學(xué)中心在這方面進(jìn)行了一些有效的探索[1].

1　物理實驗課程教學(xué)模式探索

通過幾年的摸索實踐，我們發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力不神秘，有系統(tǒng)性的方法，是可以訓(xùn)練的. 首先，發(fā)現(xiàn)新問題的關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生的好奇心和敏銳的觀察力. 解決新問題的關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，使其能有目的地學(xué)習(xí)(查找、自學(xué)文獻(xiàn))、運用知識，主動探索新規(guī)律和新知識. 具體來說，把大學(xué)二年級下學(xué)期開設(shè)的大學(xué)物理實驗三在教學(xué)模式上進(jìn)行了改變，將課程結(jié)構(gòu)分為2個階段，讓學(xué)生實驗?zāi)M科學(xué)研究的過程，要求自主完成1個自己提出的實驗研究課題.

第一階段，6周時間，學(xué)生自主選擇并完成感興趣的實驗項目，激發(fā)興趣，喚醒好奇心，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題的能力.

南京大學(xué)物理實驗教學(xué)突出讓學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，進(jìn)行科研素養(yǎng)的綜合能力的訓(xùn)練. 具體而言，課程開始時由教師對本課程近30個物理實驗給學(xué)生逐一簡要介紹，讓學(xué)生從中選擇并完成2～3個自己感興趣的基本實驗. 在此階段，給予學(xué)生較多的自由空間，讓學(xué)生根據(jù)實驗要求，進(jìn)行主動探索，引導(dǎo)學(xué)生以科研的方式進(jìn)行實驗. 開設(shè)基本實驗的目的不僅僅是要求學(xué)生獨立完成實驗，更重要的是學(xué)生要在實驗過程中注意觀察，尋找并發(fā)現(xiàn)自己覺得有進(jìn)一步研究價值的現(xiàn)象. 同時，除了必要的注意事項外，指導(dǎo)教師盡量少講解，少示范，多和學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)性的討論，引導(dǎo)學(xué)生去觀察、分析、思考，激發(fā)學(xué)生的主動探索意識，喚醒學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力.

第二階段，在第一階段基礎(chǔ)上，學(xué)生自己提出并完成課題，在期末參加公開答辯.

完成基本實驗后，要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上或自己在學(xué)習(xí)生活中發(fā)現(xiàn)問題，提出自己的實驗研究課題，并設(shè)計合理的實驗方案，自主完成該課題. 除此以外，課題也可以是學(xué)生理論課程中或平時看文獻(xiàn)資料時想到的問題，可以是演示物理實驗中的現(xiàn)象研究，可以是與物理相關(guān)的來自生活中的有興趣的問題的研究. 對課題，首先明確學(xué)生的創(chuàng)新課題及實驗完成與實際意義上的創(chuàng)新要求是不同的，具體說來只要是自己現(xiàn)有的認(rèn)知水平突破即可. 一個好的課題可以是有新的思想、方法，可以是物理知識的合理靈活運用，可以是有較多的設(shè)備和自制器材使用，也可以是若干實驗失敗的總結(jié)和結(jié)論.

從實踐情況看，學(xué)生主導(dǎo)型實驗教學(xué)模式對學(xué)生是挑戰(zhàn)，由于知識和實驗條件、器材等局限，選擇1個可行并能完成的課題，學(xué)生需要花費較多的時間，有時幾乎在很長一段時間內(nèi)反復(fù)摸索才能確定1個課題，最后需要利用雙休日加班加點連續(xù)實驗，完成課題和課題論文，其結(jié)果可能還是初步的，好的課題還需要繼續(xù)進(jìn)行提煉和完善，這樣的過程，學(xué)生們普遍感覺是“痛并快樂著”，而教師和實驗室主要提供指導(dǎo)和開放. 我們看到，若干年后，學(xué)生對物理實驗記得最清楚的正是這樣的實驗.

在提出新課題、解決新問題的過程中，學(xué)生綜合創(chuàng)新能力得到全方位的鍛煉，大批學(xué)生能夠做到理論聯(lián)系實際，靈活運用知識. 很多課題都融合了理論、實驗、計算機(jī)模擬等，學(xué)生的口頭和書面表達(dá)能力也得到了鍛煉.

2　學(xué)生課題案例

以邁克耳孫干涉儀實驗為例，教材中主要有3個內(nèi)容：1)測量激光的波長；2)測量鈉光燈雙黃光的波長差；3)測量玻璃的折射率. 學(xué)生根據(jù)自己的情況，從該實驗出發(fā)拓展出了以下課題.

2.1邁克耳孫干涉儀中補(bǔ)償板與干涉條紋

邁克耳孫干涉儀中補(bǔ)償板的作用是補(bǔ)償兩相干光束因通過分光板次數(shù)不同而引起的附加光程差(特別是對復(fù)合光). 做該實驗時學(xué)生有意地去掉補(bǔ)償板, 討論并觀察在單色光照射時產(chǎn)生的干涉條紋的變化情況[2]，得到的實驗結(jié)果如圖1所示，經(jīng)過理論分析和計算機(jī)模擬,得到的結(jié)果與實驗完全相符,如圖2所示.

圖1　實驗中拍到的干涉條紋

圖2　計算機(jī)模擬的干涉條紋

2.2用邁克耳孫干涉儀測量厚透明材料折射率

物理實驗課程中，邁克耳孫干涉儀測量玻璃折射率主要是利用出現(xiàn)白光干涉條紋的零光程條件，由放入玻璃片前后出現(xiàn)白光干涉條紋的位置，得到相關(guān)的光程. 由于折射率與波長有關(guān)，要求待測樣品盡量薄，而測量厚透明固體折射率，用白光調(diào)節(jié)出干涉條紋難度很大. 為解決這一局限，學(xué)生提出采用半視場法[3]. 半視場法以激光為光源，在光路中一半視場處放入平行待測材料后，調(diào)節(jié)反射鏡，視場兩邊對應(yīng)的干涉條紋出現(xiàn)條紋陷入和漲出，當(dāng)合成為圓時可以得到相關(guān)的光程差. 采用半視場法觀測的干涉條紋如圖3所示.

(a)調(diào)節(jié)前圖像　　　　　　(b)調(diào)節(jié)后圖像圖3　半視場法觀測條紋

2.3利用邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場

空氣溫度改變，折射率將發(fā)生變化，從折射率的變化經(jīng)過定標(biāo)就可以得到溫度分布. 選擇蠟燭火焰作為實驗對象,研究周圍溫度變化，應(yīng)用阿貝爾變換法和環(huán)帶法,可對軸對稱溫度場進(jìn)行定量計算[4]. 蠟燭火焰干涉條紋圖如圖4所示，計算時通過噪聲處理、低通濾波,獲得二值化后的圖像如圖5所示，從而得到溫度分布如圖6所示.

圖4　蠟燭火焰干涉條紋圖

圖5　干涉條紋骨架圖

圖6　邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場

2.4用M-Z干涉儀對空氣折射率的定量測量與理論探討

邁克耳孫干涉儀存在樣品空間的限制，學(xué)生自行組建M-Z干涉儀，測量空氣在不同壓強(qiáng)下的折射率，可以用于測量氣體等大面積區(qū)域中折射率的微小變化[5]. 而且光在所研究容器中只經(jīng)過1次, 這使得該區(qū)域的光程變化顯得很直觀. 圖7為所得到的壓強(qiáng)與折射率關(guān)系. 最后從經(jīng)典的電介質(zhì)理論對空氣折射率產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，解釋了壓強(qiáng)與折射率的對應(yīng)關(guān)系.

圖7　折射率與壓強(qiáng)的擬合曲線

2.5干涉法測量鋁薄膜的軸向應(yīng)力

這也是從邁克耳孫干涉儀實驗拓展出的課題[6]. 應(yīng)力是薄膜制備和生產(chǎn)過程中存在的普遍現(xiàn)象, 薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的原因有2個方面:一是由于薄膜和基底的熱膨脹系數(shù)不同而引起的,稱為熱應(yīng)力;一是由于薄膜生長過程中的非平衡性或薄膜特有的微觀結(jié)構(gòu)引起的,稱本征應(yīng)力. 實驗采用邁克耳孫干涉儀變形結(jié)構(gòu)(圖8)，測量其力應(yīng)變和熱應(yīng)變，并對測量的結(jié)果進(jìn)行了擬合.

圖8　實驗裝置示意圖

2.6邁克耳孫干涉儀進(jìn)行溶質(zhì)擴(kuò)散的研究

這是一個還沒有成功的課題. 課題想法：溶液的折射率與溶液的成分和濃度有關(guān)，利用邁克耳孫干涉儀可以測量折射率的變化，從而研究溶質(zhì)的擴(kuò)散問題. 學(xué)生在該課題研究過程中，解決了圖像變化的獲取問題，但由于樣品盒中三維擴(kuò)散信息的提取極困難，自己制備的二維擴(kuò)散樣品盒(相當(dāng)于薄膜)，材料平整度、平行度等因素效果差，最后未能取得預(yù)期的結(jié)果. 這樣的課題我們也給予鼓勵.

3　結(jié)束語

雖然有些課題看起來簡單，實際上是學(xué)生多次反復(fù)、多次提煉和修改獲得的，這樣的過程對學(xué)生來說是寶貴的經(jīng)歷. 當(dāng)然教師也需要有比較多的付出. 學(xué)生主導(dǎo)型實驗教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動學(xué)生查閱資料、參與實驗實踐活動的積極性，極大提高了學(xué)生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和科研創(chuàng)新能力，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合能力，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用.

[1]周進(jìn),王思慧,黃潤生,等. 樹立新理念 構(gòu)建新體系 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)和研究能力[J]. 實驗室研究與探索,2006,25(5)：619-621.

[2]鄧小燕,喬蹻,潘永華,等. 邁克爾遜干涉儀中補(bǔ)償板與干涉條紋[J]. 物理與工程,2006,16(2)：29-32.

[3]徐文韜,李全偉,李吉驁,等. 用邁克耳孫干涉儀測量厚透明材料折射率[J]. 物理實驗,2012,32(6)：35-39.

[4]溫學(xué)達(dá),劉釗,周惠君,等. 利用邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場[J]. 物理實驗,2007,27(6)：44-47

[5]盧丹勇,劉長江,周惠君,等. 用M-Z干涉儀對空氣折射率的定量測量與理論探討[J]. 物理實驗,2006,26(12)：40-43.

[6]周思，陳迅馳，周惠君，等. 干涉法測量鉛薄膜的軸向應(yīng)力[J]. 物理實驗，2008，28(9):5-8.

[責(zé)任編輯：任德香]

Practice on student-oriented experiment teaching and comprehensive capability cultivation

GAO Wen-li, ZHOU Jin, SU Wei-ning

(Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Combining the teaching experience in university physics experiment and the new situation in carrying out innovative education, the student-oriented experimentin teaching mode was explored. Take the Michelson interference experiment as an example, six extending experiments developed from the basic experiment were listed. Practices showed that the student-oriented experiment improved the teaching quality and the students' comprehensive ability.

student-oriented experiment; teaching mode; comprehensive capability

2016-05-28；修改日期：2016-09-07

高文莉(1968-)，女，江蘇灌云人，南京大學(xué)物理實驗教學(xué)中心講師，碩士，研究方向為凝聚態(tài)物理.

G642.423

B

1005-4642(2016)10-0023-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文