物理實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生提高實踐和創(chuàng)新能力

吉曉瑞，楊曉紅，孟廣伊，張 嬌，江 翠，李雙美，王為民

(沈陽工程學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，遼寧 沈陽 110136)

物理實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生提高實踐和創(chuàng)新能力

吉曉瑞，楊曉紅，孟廣伊，張 嬌，江 翠，李雙美，王為民

(沈陽工程學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，遼寧 沈陽 110136)

物理實驗教學(xué)改革，首先應(yīng)對物理實驗教材的內(nèi)容進行合理設(shè)計，給學(xué)生呈現(xiàn)一個清晰的思路，讓學(xué)生對實驗項目有一個宏觀的認(rèn)識而非拘泥于細(xì)枝末節(jié)，從而達到無需教師提示，學(xué)生能夠獨立完成實驗的程度，學(xué)生會從心理上得到一種成就感。用改造現(xiàn)有實驗設(shè)備和真實的創(chuàng)新競賽，啟發(fā)學(xué)生根據(jù)基礎(chǔ)的實驗原理大膽進行創(chuàng)新。通過拋出問題，給學(xué)生留出充分的想象空間，并且從心理上給予正確評價、充分的肯定。

物理實驗教學(xué)；實踐能力；創(chuàng)新能力

大學(xué)物理實驗課程是理工類學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端。物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法、手段，能為學(xué)生提供綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，它在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用。許多從事大學(xué)物理實驗教學(xué)的教育工作者從諸多方面提出了目前大學(xué)物理實驗教學(xué)當(dāng)中存在的一些問題，如重理論輕實踐、驗證實驗多等[1]。同時也探討和嘗試了許多途徑來提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，如：利用趣味實驗引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,增加探索性實驗[2]，強調(diào)以學(xué)生為主體[3]等。經(jīng)過多年的物理實驗教學(xué)，并針對沈陽工程學(xué)院的實際情況，試探討一下如何從實驗教材的編寫、增長學(xué)生見識、學(xué)生心理的把握等方面引導(dǎo)學(xué)生自主提高實踐能力和創(chuàng)新能力。

一、鍛煉學(xué)生通過思考將知識轉(zhuǎn)化成技能以解決問題

杜威倡導(dǎo)問題解決的教學(xué)模式，認(rèn)為大量的實踐和發(fā)現(xiàn)活動都與學(xué)生問題解決有關(guān)，他認(rèn)為：一個人必須有他自己的目的和問題，并能自行思考。在教育中，要引導(dǎo)學(xué)生運用智慧去探究或探索以解決問題，在解決問題的過程中獲得真知[4]。對于現(xiàn)在的學(xué)生，由于成長環(huán)境都很優(yōu)越，整個成長過程中也沒有接觸過多少生產(chǎn)勞動，普遍缺乏動手能力，但是，學(xué)生的理論知識都很強。因此，合理引導(dǎo)學(xué)生的思維，讓學(xué)生在每一步操作當(dāng)中都能獲得成就感，那么他們的自信心就會逐步增強，他們自然而然地會對實驗產(chǎn)生興趣，會主動去探索，并自覺地將理論知識應(yīng)用于實踐當(dāng)中，這樣既能深入了解知識體系，又能鍛煉能力。那么，如何恰當(dāng)?shù)貙W(xué)生的思維引入到實驗當(dāng)中就成為關(guān)鍵問題。

二、注重實驗教材的編寫

實驗教材是指導(dǎo)學(xué)生實驗的參考書，教材內(nèi)容是否具有針對性直接影響到學(xué)生的實驗操作。物理實驗教材一定是要自己編寫的，不能直接選用已經(jīng)出版的其他實驗教材。已經(jīng)出版的實驗教材所包含的實驗項目以及實驗儀器可能與已有的實驗室儀器不完全匹配，如果選這樣的教材，就是對學(xué)生的不負(fù)責(zé)任。前些年實驗室購置了一大批實驗儀器，由于時間緊任務(wù)重，當(dāng)年教師未能及時編寫出配套的實驗教材，無奈選用了一本自認(rèn)為與實驗室設(shè)備相近的教材，結(jié)果當(dāng)年的教學(xué)情況不是很理想，盡管教師對大部分實驗都事先發(fā)放了補充材料，學(xué)生也做了預(yù)習(xí)，但操作效果還是不盡如人意。第二年，我們自己編寫了實驗教材，教學(xué)效果明顯好轉(zhuǎn)，教師授課輕松，學(xué)生也能順利完成整個實驗。可見合適的實驗教材對于老師和學(xué)生來講都是十分必要的。

目前，由于大部分學(xué)生預(yù)習(xí)不夠積極，所以不能要求學(xué)生對每個實驗都上網(wǎng)查資料以及翻閱其他參考書，在這種情況下，實驗教材的內(nèi)容安排就顯得尤為重要。如果知識交代得面面俱到，會限制學(xué)生的發(fā)散思維，學(xué)生思維會出現(xiàn)“固化”；若知識交代得過于膚淺空洞，學(xué)生一時之間不能深刻領(lǐng)悟，又會覺得實驗很難，無法企及，從而失去興趣。所以如何掌握好這個度是教師應(yīng)不斷探索的重要課題。

教材中實驗內(nèi)容的設(shè)計從開篇的實驗背景介紹和實際應(yīng)用，到最后的結(jié)論得出及拓展思維題目，每一個環(huán)節(jié)都很重要，類似鏈條一樣，環(huán)環(huán)相扣。學(xué)生從第一節(jié)鏈條依次遞進，最理想的狀態(tài)是學(xué)生獨立完成實驗。實驗背景的介紹能夠讓學(xué)生了解為什么做這個實驗，能夠解決什么問題，在日常生活中實驗原理都可以應(yīng)用在什么領(lǐng)域，是怎么應(yīng)用的。對于這些問題不能吝惜篇幅，一定要詳細(xì)闡述，這也是很好的普及物理學(xué)史的過程。學(xué)生會感覺到這個實驗做起來很有意義，所能應(yīng)用的領(lǐng)域距離自己也并不遙遠(yuǎn)，所以會產(chǎn)生向往的心理。物理實驗?zāi)康木褪菫閷W(xué)生解決問題，實驗要根據(jù)難易程度來設(shè)計，要讓學(xué)生通過努力在要求的時間內(nèi)能夠完成。當(dāng)學(xué)生獨立完成實驗后，心里就會得到一種滿足感，會對自己做出充分肯定，從而增強自信心，會對下一個實驗產(chǎn)生渴望。

實驗儀器部分，我們在列出所需儀器之后，又附上實驗裝置實物圖以及各個部件的拆分實物圖，讓學(xué)生對實驗儀器有一個直觀的了解。而且，適當(dāng)?shù)貙嶒瀮x器、元件的功能、用途和使用方法作以簡單介紹，會大大減少學(xué)生在預(yù)習(xí)中所遇到的困難。因為我們發(fā)現(xiàn)，由于不同實驗項目分別被安排在不同的實驗室里，本次實驗結(jié)束后，學(xué)生不可能對下一個實驗儀器有系統(tǒng)的了解，學(xué)生往往會反饋說對教材所述的儀器名稱及性能等根本不清楚。其實往往只是個很簡單的問題，只要看一下實物馬上就會懂，就是因為沒看到實物，學(xué)生花了大量的預(yù)習(xí)時間，效果還不理想。

就實驗室來講，由于上實驗的學(xué)生較多，實驗課銜接又很緊密，實驗室已無法滿足所有學(xué)生到實驗室進行觀摩的需求。為了避免造成混亂，我們將儀器實物圖等放在教材中，收到了很好的效果。實驗原理部分也是學(xué)生最撓頭的部分，大部分學(xué)生對于文字?jǐn)⑹龅脑砟軌蚝芎玫亟邮芎退伎?，但對于一些?fù)雜的公式推導(dǎo)則會失去耐心。對于文字?jǐn)⑹鰞?nèi)容，重在“接地氣”，就是根據(jù)理論課教學(xué)的深淺度做出安排，尤其對于那些在理論課中未涉及的知識，一定要在原理當(dāng)中補充，使學(xué)生的思維能夠連貫而不出現(xiàn)知識的“斷層”。對于公式的推導(dǎo)部分，則要盡可能做到詳細(xì)，盡量不出現(xiàn)“顯而易見、由此可證”等文字。對于操作步驟部分，則不必做詳盡的描述。由于實驗?zāi)康囊呀?jīng)提出，儀器、元件的功能及使用方法也適當(dāng)?shù)亟榻B過，實驗原理也十分明確了，學(xué)生此時的任務(wù)就是積極思考、動手操作。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，要求學(xué)生自行對實驗數(shù)據(jù)進行不確定度的計算及修約，因為此過程能夠鍛煉學(xué)生對引起實驗誤差的因素進行科學(xué)的分析和評定，但可以做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，因為畢竟學(xué)生對科學(xué)實驗接觸的比較少。拓展思維題目部分更不能簡單列出幾個問題草草了事，其實這部分正是在引導(dǎo)學(xué)生進行實驗創(chuàng)新。在此部分，可用真實的創(chuàng)新實驗儀器圖片作為例子，圖文并茂地向?qū)W生說明只要肯思考、肯動手，創(chuàng)新實驗就在自己身邊。

三、通過對實驗儀器的拆卸和組裝開拓學(xué)生的眼界

目前，學(xué)生之所以缺乏動手能力，一方面是因為教師沒能充分調(diào)動起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，另一方面是因為學(xué)生沒有實踐經(jīng)歷。物理實驗課作為學(xué)生在大學(xué)較早接觸的一門實踐類課程，應(yīng)極力為學(xué)生“開拓眼界”創(chuàng)造機會。小到扳手、鉗子、電烙鐵、二極管、三極管、電容器，大到電鋸、電鉆等儀器用具，教師都應(yīng)當(dāng)將它們介紹給學(xué)生。實驗教師都很清楚儀器設(shè)備的使用及工具、標(biāo)準(zhǔn)件的操作，但學(xué)生并沒有這樣的閱歷，教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)中盡量幫助學(xué)生解決問題，以增長他們的實踐能力。對于每一樣實驗儀器，無論其是否貴重，教師都應(yīng)當(dāng)拿出一套作為樣機，允許學(xué)生自行拆卸和組裝，以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。物理實驗課并不能僅局限于讓學(xué)生熟練地掌握對實驗的操作，讓學(xué)生了解實驗儀器的拆卸和組裝同樣重要。通過拆裝過程，學(xué)生能夠?qū)嶒瀮x器有全方位的了解。

實驗教師肩負(fù)著指導(dǎo)學(xué)生實驗、培養(yǎng)學(xué)生獨立思維以及自覺的動手能力的重任，因此，教師自身就應(yīng)該具備一定的獨立思維和動手能力。教師對實驗室所有儀器的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理應(yīng)當(dāng)有全面的了解，而不是只懂得實驗操作。對于學(xué)生在拆卸組裝過程中遇到的問題，師生之間應(yīng)相互溝通，以達到教學(xué)相長的效果。學(xué)生提出的問題越尖銳，對老師越是一種考驗和激勵。而學(xué)生也會感到他與教師討論實際技術(shù)問題已超出了自己的學(xué)習(xí)范圍，內(nèi)心會獲得一種充實感和滿足感，這非常有利于學(xué)生創(chuàng)新思維的養(yǎng)成。

四、學(xué)生動手維修實驗儀器及創(chuàng)新實驗儀器的制作

實驗室有很多老舊儀器，有的即將報廢，讓學(xué)生對這些儀器進行改造，使之重新恢復(fù)生機，可以充分鍛煉學(xué)生的動手能力和實踐能力。物理實驗室原有牛頓環(huán)實驗用的讀數(shù)顯微鏡，大部分儀器物鏡下方的半透半反鏡都已經(jīng)損壞。目前市面上售賣的半透半反鏡規(guī)格和樣式已經(jīng)無法與老儀器相匹配。教師讓學(xué)生自行設(shè)計夾具，經(jīng)過切割、打磨、改造和安裝，將所有老式儀器更換了新的半透半反鏡，而且非常牢固。邁克耳孫干涉儀的第一級黑色塑料鼓輪，中心軸與輪之間只靠壓緊摩擦傳動，鼓輪很容易滑脫。學(xué)生將中心金屬軸打磨出平面，在塑料鼓輪的中心放置小小的金屬片作為擋板，摒棄了摩擦傳動的方式，成功地解決了鼓輪滑脫問題，牢固性也非常好。這些工作既鍛煉了學(xué)生的動手能力，同時也為實驗室節(jié)省了可觀的開支。

教材中每個實驗最后的拓展思維部分對學(xué)生的啟發(fā)都很大，有很多學(xué)生就是根據(jù)這部分的提示，自行設(shè)計出不少的創(chuàng)新實驗儀器。如光柵光譜實驗，學(xué)生對“光柵”非常的感興趣；而超聲波測聲速實驗，學(xué)生又對“超聲波”很感興趣。于是，學(xué)生經(jīng)過查閱資料，設(shè)計出利用超聲波測量水的比熱容。原理是提高超聲波的頻率，超聲波在水中傳播時，水將視為光柵，用鈉光燈經(jīng)凸透鏡聚光，光線經(jīng)過水槽，在水槽另一側(cè)的屏上將出現(xiàn)衍射條紋，測出衍射條紋間距，帶入公式即可計算出水的比熱容。學(xué)生在分光儀的調(diào)整與棱鏡折射率的測量實驗中，對準(zhǔn)直管很感興趣，牛頓環(huán)實驗用讀數(shù)顯微鏡還可以精確讀出水平及豎直移動的微小距離，于是，學(xué)生設(shè)計出微量液體折射率的測量實驗儀器。實驗原理是光源經(jīng)準(zhǔn)直管匯聚到讀數(shù)顯微鏡，毛細(xì)管中盛放微量液體，將毛細(xì)管放置在光路焦點處，讀數(shù)顯微鏡能夠測量出光線偏移的數(shù)值，代入公式即可得到液體的折射率。學(xué)生用光纖傳感器測量金屬絲的楊氏模量、用超聲波定位原理制作出可以語音輸出的盲人導(dǎo)航耳機、用超聲波定位原理制作出可以繞過障礙物具有跟蹤功能的行李托運小車、用太陽能電池板和蓄電池及逆變器等制作出可以收集日光燈等光源的光、可以數(shù)字顯示變壓輸出交直流電的綜合裝置……將往屆學(xué)生改造過的實驗儀器、學(xué)生制作的創(chuàng)新實驗儀器都擺放到現(xiàn)在的學(xué)生面前，并輔以展板說明設(shè)計的思路及實驗原理。學(xué)生能夠真切地感覺到創(chuàng)新實驗儀器的制作離自己并不遙遠(yuǎn)，維修儀器也是完全能夠做到的。學(xué)生的實驗積極性極大地被調(diào)動了起來。

經(jīng)過多年的教學(xué)工作和對學(xué)生的了解，根據(jù)現(xiàn)有的實驗儀器，我們自行編寫了實驗教材，充分地吸引學(xué)生的注意力，引導(dǎo)學(xué)生的思維，調(diào)動他們的實驗積極性。讓學(xué)生根據(jù)教材的提示自主完成實驗，學(xué)生的心理得到極大的滿足，成就感油然而生，學(xué)生對接下來的實驗產(chǎn)生渴望。允許學(xué)生將實驗儀器進行拆裝，將實驗室全部的維修工具、儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部展現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生增長了見識，同時也提高了動手能力。在拆裝儀器過程中，由于學(xué)生深入了解了儀器結(jié)構(gòu)，從而會產(chǎn)生許多改進儀器的好想法，將理論知識應(yīng)用到實踐當(dāng)中去設(shè)計改造儀器。用真實的創(chuàng)新實驗儀器對學(xué)生進行教育，學(xué)生的參與性提高，自覺地鍛煉了實踐能力和創(chuàng)新能力。

[1]李明雪.基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的大學(xué)物理實驗五維一體教學(xué)改革[J].高師理科學(xué)刊,2015,35(3):87-90.

[2]鐘曉燕,田輝勇,王淑珍,等.注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)探索 [J].科教文匯,2015(314):51-52.

[3]張風(fēng)昀.大學(xué)物理實驗教學(xué)中科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的三個途徑 [J].科教文匯,2015(334):47-48.

[4]杜 威.經(jīng)驗與教育[M].北京:人民教育出版社,2005.

[5]秦 宏,曲延華,黃 碩.應(yīng)用型本科電子技術(shù)課程工程實際能力的培養(yǎng)與實踐[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報：社會科學(xué)版，2009(4)：555-557.

(責(zé)任編輯 祁 剛 校對 伯 靈)

In College Physics Experiment Teaching Process Leading Students to Improve the Practice Ability and Innovation Ability

JI Xiao-rui,YANG Xiao-hong,MENG Guang-yi,ZHANG Jiao,JIANG Cui,LI Shuang-mei,WANG Wei-min

(Department of Basic Teaching，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)

We rationally design the contents of the experimental books,present students a clear train of thought,and make the students have a macro understanding rather than in details about the project in order to make students independently accomplish the experiment without teacher′s prompt so that the students can get a sense of psychological accomplishment.With the typical example of renovating the equipment of the existing experiment and real innovation contest experimental apparatus as a starting point,to inspire the students to innovate according to the basic principle of the experiment.By throwing out problems,setting aside sufficient imaginary space to the students can correctly influence students psychologically.

physics experiment teaching;practice ability;innovation ability

2016-11-13

吉曉瑞(1980-)，男，吉林松原人，講師，博士，主要從事納米材料的合成與應(yīng)用研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ss).2017.01.025

G642.423

A

1672-9617(2017)01-0122-04