一種物理實驗創(chuàng)新教育模式的實踐研究

譚 芳，楊 強(qiáng)

(長春大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022)

一種物理實驗創(chuàng)新教育模式的實踐研究

譚 芳，楊 強(qiáng)

(長春大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022)

本文論述和分析了當(dāng)前高等學(xué)校物理實驗教學(xué)所面臨邊緣化的困境，指出探索新型大學(xué)物理實驗開放教學(xué)形式的必要性，在物理實驗開放的基礎(chǔ)上，提出一種物理實驗創(chuàng)新教學(xué)模式，即：基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實驗開放教學(xué)課程，通過四個教學(xué)環(huán)節(jié)的實踐，總結(jié)了四點教學(xué)心得與經(jīng)驗。

物理實驗；創(chuàng)新教育；開放實驗

物理實驗歸類于基礎(chǔ)教學(xué)實驗課程。在我國，大學(xué)物理實驗引入高等教育已有100多年的歷史[1]。大學(xué)物理實驗的思想方法及實驗技術(shù)既體現(xiàn)了傳統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)，又蘊藏著豐富的創(chuàng)新思想。在當(dāng)代大學(xué)生的素質(zhì)教育中，大學(xué)物理實驗是大學(xué)生形成科學(xué)思想、啟迪創(chuàng)新能力的基本渠道，如果認(rèn)真卓有成效地開展教學(xué)，必然會產(chǎn)生良好的效果。但是，社會進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)今，該課程沒能很好地“與時俱進(jìn)”，表現(xiàn)出很多令人憂慮的教學(xué)弊端，甚至成為很多師生詬病的課程之一，具體表現(xiàn)如下：

(1)實驗內(nèi)容不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的激發(fā)與積累。根據(jù)調(diào)查，很多高校現(xiàn)有的實驗題目中，有相當(dāng)一部分內(nèi)容幾十年基本不變，而隨著學(xué)科理論和相應(yīng)科技的迅速發(fā)展，相應(yīng)的實驗儀器和實驗技術(shù)經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代，有些實驗項目已經(jīng)失去了應(yīng)有的學(xué)習(xí)意義。

(2)有些實驗項目內(nèi)容繁瑣，過程復(fù)雜，鍛煉價值不高。這樣的大學(xué)物理實驗題目，實際教學(xué)效果幾乎為零，由這樣實驗題目組成的物理實驗課程難免受到多數(shù)學(xué)生詬病。

(3)現(xiàn)成的實驗儀器過于數(shù)字化、智能化。儀器過于自動化，明顯減少了學(xué)生親身動手過程。

探尋解決上述問題是大學(xué)物理實驗教學(xué)的急切任務(wù)，我們積極尋找一種能夠鍛煉和激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新能力的物理實驗教學(xué)的新模式，這也是大學(xué)物理實驗同行們一直努力的方向[2-8]。

為了科學(xué)而有效地進(jìn)行開放實驗教學(xué)，我們提出兩種開放形式，并制成調(diào)查問卷表格，發(fā)給當(dāng)年在校學(xué)習(xí)大學(xué)物理實驗課程的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問卷。我們對調(diào)查數(shù)據(jù)做了認(rèn)真的分析，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 學(xué)生對大學(xué)物理實驗教學(xué)方式的態(tài)度調(diào)查統(tǒng)計表

圖1 學(xué)生對開放教學(xué)方式的態(tài)度

從圖1可以看出：第一種開放形式是學(xué)生僅僅參與物理實驗裝置的演示操作，然后進(jìn)行討論，學(xué)生感興趣的僅占14%；而第二種開放教學(xué)方式就是本課題提出的新型開放方式，這種方式是由實驗室對某種演示裝置提出做改進(jìn)方案或新裝置的制作方案，然后指導(dǎo)學(xué)生親手參與制作和改進(jìn)討論。學(xué)生對第二種開放實驗形式感興趣，占調(diào)查人數(shù)的86%，因此，我們確定第二種開放形式。

1 基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實驗開放教學(xué)過程

基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實驗開放教學(xué)課程主要分4個教學(xué)環(huán)節(jié)，見圖2。

圖2 基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實驗開放教學(xué)過程方框圖

1.1 完成開放實驗題目設(shè)計，提出實驗?zāi)繕?biāo)(培養(yǎng)創(chuàng)新興趣)

基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實驗開放教學(xué)由課程教師提出開放實驗內(nèi)容：設(shè)計制作一種電磁感應(yīng)陀螺裝置或設(shè)計和組裝一種可以測量基本物理量的光纖傳感器裝置。本課程每學(xué)期在教務(wù)管理系統(tǒng)公布，學(xué)生自由選課：這一過程主要是面向已經(jīng)學(xué)習(xí)或正在學(xué)習(xí)物理實驗課程的學(xué)生。由于實驗內(nèi)容新穎有趣，學(xué)生很愿意參加。圖3為學(xué)生選課情況。

圖3 選課情況

1.2 學(xué)生分組并做實驗準(zhǔn)備

挑選不同專業(yè)的各類學(xué)生進(jìn)行交叉組合，形成多專業(yè)協(xié)作的實驗小組，選定組長。實驗準(zhǔn)備工作由指導(dǎo)教師做內(nèi)容介紹，小組選定任務(wù)后，組長負(fù)責(zé)組織實驗原理討論和裝置制作，學(xué)生利用這種學(xué)習(xí)和鍛煉的過程，為后面的制作和實驗打好基礎(chǔ)，這是一種“基礎(chǔ)”與“創(chuàng)新”相結(jié)合的創(chuàng)新教育的必要準(zhǔn)備。開放實驗小組每組10～12人，根據(jù)各專業(yè)的人數(shù)，專業(yè)組成分配見表2。

表2 開放小組專業(yè)組成情況

1.3 制作與實驗，做實驗信息采集記錄

在制作與實驗的環(huán)節(jié)中，鼓勵學(xué)生大膽提出新想法、新建議，由于學(xué)生主動承擔(dān)了制作的任務(wù)，他們的積極性很高，很有創(chuàng)作熱情，圖4為開放實驗課堂的現(xiàn)場情景。

表3的數(shù)據(jù)反映出，有22%～29%創(chuàng)新建議貫徹到實踐中并取得了良好的效果。以下面兩個例子來說明。

表3 基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合研究型實驗課教學(xué)效果

圖4 學(xué)生在制作控制電路

圖5 外形為圓錐體的電磁陀螺

圖6 外形為乒乓球體的電磁陀螺

實例一：課程開展的第一學(xué)期，實驗室為學(xué)生提供的制作材料是較軟的塑料板，用其制作出圓錐形的陀螺，內(nèi)置橫條形強(qiáng)磁鐵，如圖5。這種圓錐體形狀的陀螺，制作出來后，成功率不高。為此，指導(dǎo)教師與學(xué)生共同探討，認(rèn)為影響圓錐型陀螺運行成功率較低的3個因素是：①因為是手工制作，所以錐體很難做到嚴(yán)格對稱，導(dǎo)致重心不穩(wěn)；②采用旋柄發(fā)動陀螺，旋轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)速不高且不穩(wěn)定，電磁感應(yīng)效果不明顯；③條形磁鐵距離底盤的高度H1較大，離動力裝置較遠(yuǎn)，不容易接受電磁感應(yīng)提供的動力，故不能保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。有一組學(xué)生提出了一個很好的改進(jìn)方案，他們提出采用乒乓球作為陀螺的外殼，用齒輪式陀螺發(fā)射器代替旋柄發(fā)動陀螺，其他工作原理和結(jié)構(gòu)原理不變，見圖6。由于這種方案明顯克服了圓錐體外形的電磁陀螺3個不足。

實例二：為了有效檢測電磁感應(yīng)擺的運行情況，一般使用示波器來檢測，主要是觀察電磁感應(yīng)信號波形是否符合規(guī)律，據(jù)此判斷鐵芯線圈是否參與了工作。在試驗中，指導(dǎo)教師往往要求學(xué)生檢測控制電路中鐵芯線圈初級側(cè)的信號波形。有學(xué)生對這種檢測方式做了分析，認(rèn)為這種方法雖然可行，但觀察到的波形不全面。他們提出可以將示波器接到鐵芯線圈次級側(cè)，這樣一來可以觀察到雙繞組同時工作的兩種信號，雖然波形較為復(fù)雜，但是，能夠全面分析出電磁感應(yīng)陀螺與電磁鐵芯線圈的能量轉(zhuǎn)換情況，有助于分析問題、解決問題。后來的實驗證明了這一做法的高效率。

上述兩個實例說明，學(xué)生完全能夠利用已經(jīng)掌握的基礎(chǔ)理論知識，創(chuàng)新性地應(yīng)用到解決實際問題中。本課程收到了基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合研究型實驗教學(xué)應(yīng)有的效果。

1.4 競賽形式的成果展示

第一步，各大組選出一件最好的作品(一項實驗裝置)。小組代表簡述制作思路及創(chuàng)新之處，其他成員可以補(bǔ)充。

第二步，各組分別同時操作，演示本組制作的實驗裝置工作狀態(tài)，評定小組依次進(jìn)行觀察，做好記錄，然后進(jìn)行評點打分。選出最佳效果的物理裝置。

第三步，總結(jié)交流。

各組同學(xué)自由發(fā)言，交流經(jīng)驗，總結(jié)收獲，并大膽提出建議和想法。

2 幾點總結(jié)

基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實驗開放教學(xué)課程開展兩年以來，在鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面，做了較為有效的探索，有成功也有不足，主要反映在以下幾個方面。

(1)本課程突出了基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的特點。要創(chuàng)新必須有較堅實的基礎(chǔ)能力。基礎(chǔ)能力包括理論基礎(chǔ)、組裝和調(diào)試儀器的技術(shù)能力、實驗觀察能力和信息采集及分析處理能力。其中，實驗觀察力是智力活動的開端；組裝和調(diào)試儀器的動手能力需要具有基礎(chǔ)實驗的鍛煉；實驗信息采集分析處理能力，能夠科學(xué)合理分析、綜合實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，抽象出物理量之間的規(guī)律，找到改進(jìn)與創(chuàng)新的關(guān)鍵點。本課程的四個環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的教學(xué)過程，每個環(huán)節(jié)均可以鍛煉學(xué)生的上述能力。他們反映，這個課程學(xué)習(xí)過程很有趣，但也“不好混”，必須掌握較扎實的基本功，才能真正完成任務(wù)，鍛煉價值較大。

(2)本課程的每一個教學(xué)環(huán)節(jié)均采用較為自由寬松的開放教學(xué)氛圍，盡量發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)作的積極性和主動性。教學(xué)效果顯示，除了電磁陀螺在原理方面基本一致之外，學(xué)生制作的電磁陀螺在外形上、電磁性能上以及轉(zhuǎn)動效果方面等均各有特點。

(3)培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的交流合作能力。交流合作指團(tuán)隊中個體之間交換信息、相互協(xié)作的能力。現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，越來越需要群體的共同協(xié)作來完成。在創(chuàng)新實踐中，個體之間的交流合作能夠聚集集體的智慧來克服實驗中的關(guān)鍵問題，從而獲得成功。本課程確實提高了學(xué)生們這方面的素質(zhì)，特別是第四環(huán)節(jié)，以小組為單位，進(jìn)行一次自制的實驗裝置展示，完全激發(fā)和調(diào)動了學(xué)生的團(tuán)隊意識，無論從制作還是調(diào)試以及最后的成果展示，他們都很注意團(tuán)隊配合，在體會到團(tuán)隊協(xié)作的快樂的同時，也享受到成功的愉悅，課程結(jié)束以后很多學(xué)生要求跟老師合影留念。

[1] 蔡鐵權(quán)，何丹賢.我國近代物理學(xué)和物理教育的興起及早期發(fā)展[J]，全球教育展望，2013(10)：109.

[2] 史貴全.大學(xué)物理實驗教學(xué)變革歷史及其啟示 [J].大學(xué)物理，2001(2)：27-30.

[3] 夏漢林. 創(chuàng)新理念在大學(xué)物理實驗教學(xué)改進(jìn)中的運用[J]. 高等教育，2015(3):115.

[4] 勞媚媚,徐軍,陳如麒. 開放實驗室條件下的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革新探[J]. 實驗室研究與探索，2010(8)：236-237.

[5] 岑澤，陳艷燕. 物理實驗創(chuàng)新方法：“三步走”創(chuàng)新方法[J]. 物理通報，2014(12)：62-64.

[6] 代偉，徐平川，陳太紅，等. 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的大學(xué)物理實驗教學(xué)體系研究[J]. 大學(xué)物理實驗，2013(8)：108-110.

[7] 肖立娟. 大學(xué)物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀與教學(xué)改革的探究[J]. 大學(xué)物理實驗，2015(12)：114-116.

[8] 張慶國，尤景漢，陳慶東，等. 大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的實踐與探索[J]. 物理與工程，2008(4)：48-50.

責(zé)任編輯：劉 琳

PracticalResearchonaPhysicsExperimentInnovationEducationMode

TAN Fang, YANG Qiang

(College of Science, Changchun University, Changchun 130022, China)

This paper discusses the current marginalization dilemma of college physics experiment course, pointing out the necessity of exploring the new mode for open physics experiment teaching. Based on this new experiment mode, it puts forward an innovative teaching method, namely, the mode with combination of foundation and innovation education. Through practice on four processes, it summarize several teaching experiences.

physics experiment； creative education； open experiment

2017-02-09

吉林省科學(xué)教育規(guī)劃課題(GH150105)

譚芳(1975-)，女，吉林長春人，實驗師，博士，主要從事光纖材料與器件方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0102-04