地方高校《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程教育教學(xué)的幾點(diǎn)思考*

王永佳，李慶峰

(湖州師范學(xué)院理學(xué)院，浙江 湖州 313000)

1 引言

眾所周知，物理學(xué)的建立與發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)的大廈是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)物理學(xué)理論的唯一手段。實(shí)驗(yàn)不僅對(duì)物理學(xué)的發(fā)展有重要的意義，其對(duì)學(xué)生掌握物理學(xué)相關(guān)知識(shí)、訓(xùn)練實(shí)際動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神等也有十分重要的作用。國(guó)內(nèi)外高校物理學(xué)專業(yè)學(xué)生都要進(jìn)行《普通物理實(shí)驗(yàn)》和《近代物理實(shí)驗(yàn)》等實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，其中《近代物理實(shí)驗(yàn)》是一門綜合性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課，具有涉及知識(shí)面的廣度和深度都較強(qiáng)、多學(xué)科交叉等特點(diǎn)，是物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，綜合了物理學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)過的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、電子線路等理論課程以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)學(xué)生融合貫通大學(xué)期間學(xué)過的多門課程有重要作用。近代物理實(shí)驗(yàn)所包含的內(nèi)容涉及許多物理學(xué)研究及實(shí)踐中的最新內(nèi)容，是學(xué)生了解近代物理學(xué)發(fā)展和當(dāng)代物理前沿的重要途徑，也是學(xué)生了解微觀世界最常用的手段。本實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，能使學(xué)生掌握近代物理學(xué)發(fā)展過程出現(xiàn)的具有劃時(shí)代意義的重要實(shí)驗(yàn)的基本思路、方法和技術(shù)，以及對(duì)近代物理學(xué)發(fā)展的影響；加深對(duì)有關(guān)物理概念的理解，并對(duì)相關(guān)知識(shí)和概念產(chǎn)生、發(fā)展、演化的過程有一定了解，培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致觀察的習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。因此做好《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)有十分重要的意義。

2 近代物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

近代物理實(shí)驗(yàn)由于其研究對(duì)象的特殊性（如微觀特性），導(dǎo)致近代物理實(shí)驗(yàn)有別于其它物理課程實(shí)驗(yàn)，主要區(qū)別有：

（1）所用實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，一般高校配備的設(shè)備數(shù)目少。如一臺(tái)教學(xué)用的激光拉曼實(shí)驗(yàn)儀至少需要10 萬元。

（2）實(shí)驗(yàn)相關(guān)的背景理論知識(shí)有一定的深度和廣度。如核磁共振實(shí)驗(yàn)，涉及原子物理學(xué)、電動(dòng)力學(xué)等相關(guān)知識(shí)，而光敏傳感器實(shí)驗(yàn)又涉及復(fù)雜的半導(dǎo)體物理知識(shí)。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察。如塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，要細(xì)致調(diào)節(jié)光路，仔細(xì)觀察微小的干涉條紋變化。

（4）一般實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)。如全息照相實(shí)驗(yàn)，首先要細(xì)致調(diào)節(jié)光路，待光路穩(wěn)定后曝光拍攝，然后沖洗、顯影、定影、晾干，最后再觀察，整個(gè)過程中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)微小差錯(cuò)都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，需要重頭再來。這些因素導(dǎo)致《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程的開展比一般實(shí)驗(yàn)課難度高。

3 地方高校開展《近代物理實(shí)驗(yàn)》的困境以及思考

國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)大學(xué)的《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)一般都有龐大的高水平教師團(tuán)隊(duì)和充裕的經(jīng)費(fèi)保障，如武漢大學(xué)的《近代物理實(shí)驗(yàn)》采用“選擇開放”式教學(xué)模式，即不規(guī)定實(shí)驗(yàn)時(shí)間和次數(shù)、不安排學(xué)生的實(shí)驗(yàn)順序，學(xué)生可以隨時(shí)到實(shí)驗(yàn)室來做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室采用任課教師與高年級(jí)研究生協(xié)調(diào)管理的模式，使實(shí)驗(yàn)室從周一到周日、早上8:30 到晚上22:00 都可以對(duì)學(xué)生開放。如上海交通大學(xué)有專門的網(wǎng)上預(yù)習(xí)和選實(shí)驗(yàn)課題系統(tǒng)，學(xué)生可以靈活選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)時(shí)間。顯然這種方式對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)學(xué)生科研態(tài)度都有很大好處，但此方法在地方高校推廣有一定難度。地方高校由于經(jīng)費(fèi)相對(duì)缺乏、師資力量相對(duì)薄弱，開展《近代物理實(shí)驗(yàn)》有一定限制，探究如何更高效的在地方高校開展《近代物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)十分有必要。由于地方師范類高校肩負(fù)著培養(yǎng)未來中小學(xué)教師的重任，如何讓學(xué)生從《近代物理實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)中有收獲，更高效的實(shí)現(xiàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)，是非常值得研究和深思的課題。

一般地方性高校在投入有限的情況下，為了保證能開設(shè)更多的實(shí)驗(yàn)課程，通常每個(gè)實(shí)驗(yàn)的儀器都只購(gòu)買1-2 臺(tái)，而且通常這些儀器上都盡可能安排好幾個(gè)內(nèi)容相近的實(shí)驗(yàn)，以此增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用率和開設(shè)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目數(shù)。如我校使用的光敏傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，就可以開展光敏電池、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等器件的光譜特性、溫度特性、光照特性等多個(gè)內(nèi)容的研究。這些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、原理大致相近，可由學(xué)生自主選擇其中一個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。解決儀器套數(shù)少的另一個(gè)辦法是學(xué)生分批次、同時(shí)進(jìn)行多個(gè)實(shí)驗(yàn)，這也是目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校開展《近代物理實(shí)驗(yàn)》教學(xué)的通用做法。此辦法的開展需要有充分的師資做保障，在一般地方高校實(shí)施起來仍然有一定困難。教師可以在分組時(shí)，適當(dāng)考慮每組學(xué)生的能力水平，并且在每組學(xué)生中選擇責(zé)任心較強(qiáng)的同學(xué)擔(dān)任組長(zhǎng)，課前對(duì)組長(zhǎng)進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，組長(zhǎng)協(xié)助教師負(fù)責(zé)管理實(shí)驗(yàn)開展，這樣能有效提升教學(xué)效果。此外，還可以讓已經(jīng)做過某個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生給下一個(gè)批次的學(xué)生進(jìn)行講解，這樣即能鞏固第一批同學(xué)掌握的知識(shí)，也能對(duì)學(xué)生的師范技能進(jìn)行鍛煉，這對(duì)于地方師范類高校的學(xué)生尤為重要。與普通物理實(shí)驗(yàn)相比，近代物理實(shí)驗(yàn)由于其儀器的一般都較昂貴，而且套數(shù)較少，所以學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要一定的監(jiān)督和管理，但在分批次教學(xué)的情況下，授課教師很難顧及多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的情況。在實(shí)際教學(xué)中，可以讓組長(zhǎng)以及已經(jīng)做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生充當(dāng)教師的角色，這樣可以一定程度上解決此類問題。

近代物理實(shí)驗(yàn)涉及的項(xiàng)目涵蓋近代物理的方方面面，幾乎每個(gè)實(shí)驗(yàn)背后都是一門新興的學(xué)科和方向，所以對(duì)教師的要求較高。如果沒有一定的理論知識(shí)做背景，實(shí)驗(yàn)的開展將非常的困難，即便做完了實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也很難真正理解其中的道理。在實(shí)際授課中需要精選一些近代物理中具有劃時(shí)代意義的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于涉及理論知識(shí)較深的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以選講部分內(nèi)容，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些重要實(shí)驗(yàn)的價(jià)值和意義。數(shù)據(jù)和結(jié)果處理環(huán)節(jié)也是實(shí)驗(yàn)課程的重要內(nèi)容，《近代物理實(shí)驗(yàn)》由于其復(fù)雜性，一般實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的理論值之間可能會(huì)存在較大差距，這時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生正確的分析產(chǎn)生差異的原因、實(shí)驗(yàn)中可能存在的問題等等，必要時(shí)還要多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

在《近代物理實(shí)驗(yàn)》的教育教學(xué)過程中，有豐富的課程思政元素可以融入。引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成百折不撓，細(xì)致鉆研的科學(xué)研究精神，以實(shí)際行動(dòng)影響學(xué)生建立正確的實(shí)驗(yàn)研究方法和習(xí)慣。

4 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)課有別于理論課的一個(gè)主要區(qū)別在于，學(xué)生自主的探索和發(fā)現(xiàn)。對(duì)于近代物理實(shí)驗(yàn)，由于儀器設(shè)備的特殊性，一方面不能讓學(xué)生隨意改變儀器設(shè)定；另一方面對(duì)學(xué)生有準(zhǔn)備和考慮的自由探索也需要積極鼓勵(lì)，容許學(xué)生做適當(dāng)?shù)奶剿鳌?shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫也是學(xué)生養(yǎng)成良好科學(xué)研究習(xí)慣的重要部分，要重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和論述，積極鼓勵(lì)學(xué)生探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值有差異的原因，對(duì)于質(zhì)量較高的實(shí)驗(yàn)報(bào)告和自由探索內(nèi)容，進(jìn)行凝練后可以發(fā)表相關(guān)論文。

此外，對(duì)于一些有危險(xiǎn)性（如放射性）的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以采用虛擬仿真的形式開展，在國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)上已經(jīng)有幾十個(gè)物理學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以為地方高校開展近代物理實(shí)驗(yàn)提供幫助。這些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，仿真度高，使用方便，而且免費(fèi)開放，將會(huì)使更多的學(xué)生受益。如我校開發(fā)的重離子加速器中的原子核碰撞虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目是以我國(guó)蘭州重離子加速器相關(guān)設(shè)備為模板，利用計(jì)算機(jī)3D 建模，內(nèi)置微觀輸運(yùn)模型，能仿真重離子加速器工作的整個(gè)流程以及分析重離子碰撞的動(dòng)力學(xué)過程，對(duì)學(xué)生了解重離子碰撞相關(guān)知識(shí)有一定幫助。