大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的研究

陳中銀 / 南陽理工學(xué)院師范學(xué)院

大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的研究

陳中銀 / 南陽理工學(xué)院師范學(xué)院

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理概念和規(guī)律是通過實驗形成的，大學(xué)物理實驗是理工科專業(yè)課的一門重要的實驗課程，理工科大學(xué)物理實驗教學(xué)基本上處于一種封閉的狀態(tài)，多年不變的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)今飛速發(fā)展的前沿科學(xué)新理論、新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，學(xué)生對大學(xué)物理實驗課越來越感到枯燥無味，由于學(xué)校條件限制和學(xué)生水平等因素，現(xiàn)在的大學(xué)物理實驗教學(xué)確實存在著不足，查找原因的同時，針對性的提出了充分運用現(xiàn)代教育技術(shù)，全方位、多層次地進(jìn)行大學(xué)物理實驗教學(xué)改革，提高大學(xué)物理實驗教學(xué)的效果。

大學(xué)物理實驗；教育技術(shù)；教學(xué)改革；效果

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，物理概念和規(guī)律是通過實驗形成的，大學(xué)物理實驗是理工科專業(yè)課的一門重要的實驗課程，大學(xué)物理實驗課程不僅對學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格的、系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實驗的基本知識、方法和技巧，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力。既要尊重科學(xué)事實，又要具有創(chuàng)新能力，在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，對大學(xué)物理實驗教學(xué)提出更高的要求。

一、大學(xué)物理實驗?zāi)壳按嬖诘睦Щ?/h2>

1.理工科大學(xué)物理實驗教學(xué)基本上處于一種封閉的狀態(tài)，多年不變的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)今飛速發(fā)展的前沿科學(xué)新理論、新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，二十世紀(jì)后期科學(xué)技術(shù)發(fā)展的巨大成就很少能在大學(xué)物理實驗中得到反映，沒有體現(xiàn)出時代的進(jìn)步。落后的實驗教學(xué)設(shè)備，因襲多年的傳統(tǒng)教學(xué)模式、方法和手段更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的步伐，學(xué)生對大學(xué)物理實驗課越來越感到枯燥無味，相當(dāng)嚴(yán)重地阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性、創(chuàng)造性以及現(xiàn)代科學(xué)思維方法的形成，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.目前，理工科大學(xué)物理實驗開設(shè)的有些物理實驗是當(dāng)時科技發(fā)展的突破性成果。有的實驗對物理概念的深化、發(fā)現(xiàn)、總結(jié)規(guī)律和對規(guī)律本質(zhì)的解釋做出了歷史性的巨大貢獻(xiàn)。但教學(xué)中沒有作太多講解，學(xué)生認(rèn)識不到當(dāng)時科學(xué)家為什么要設(shè)計這樣一個實驗，實驗設(shè)計的巧妙之處在什么地方，科學(xué)的概念和規(guī)律是怎么產(chǎn)生的；還有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，但在教學(xué)中也沒有通過這些例子介紹學(xué)科的相關(guān)性，展寬學(xué)生的思路；有的實驗成果則產(chǎn)生了一個新的科學(xué)領(lǐng)域或者一個新的產(chǎn)業(yè)，但在我們教學(xué)中沒有介紹當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)背景和經(jīng)濟(jì)背景，學(xué)生不了解當(dāng)時的科學(xué)家和工程師怎么聯(lián)想到它的應(yīng)用方向，以及發(fā)展過程，而這些內(nèi)容又是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)和很好的教材。

3.大學(xué)物理實驗在內(nèi)容的選擇和安排上缺乏特色。除了注重大學(xué)物理實驗本身的系統(tǒng)性、科學(xué)性之外，教學(xué)內(nèi)容的選擇應(yīng)該與學(xué)生所學(xué)專業(yè)有所結(jié)合，提高學(xué)生對大學(xué)物理實驗課學(xué)習(xí)的興趣和重視程度，同時在內(nèi)容的安排上應(yīng)該注意學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生本身的基礎(chǔ)和特點，因材施教，從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

4.大學(xué)物理實驗課程與物理理論課以及物理實驗與學(xué)生所學(xué)專業(yè)的結(jié)合，在我們以往的實驗課程安排上，也有許多不盡人意的地方。例如，許多實驗內(nèi)容在理論課教學(xué)中，要么不講，或者少講，存在脫節(jié)現(xiàn)象；在實驗課中開設(shè)的與學(xué)生所學(xué)專業(yè)聯(lián)系緊密的實驗內(nèi)容也比較少見。

二、充分利用現(xiàn)代教育技術(shù)，多層次多方位進(jìn)行大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革

1.穩(wěn)固基礎(chǔ)實驗，增加現(xiàn)代物理實驗，提升實驗教學(xué)水平。強化基礎(chǔ)實驗教學(xué)，拓寬實驗教學(xué)口徑。傳統(tǒng)的物理實驗主要有演示性實驗、驗證性實驗，以測量性、驗證性實驗為主要內(nèi)容，所采用的教學(xué)模式多是讓學(xué)生按部就班地完成教師準(zhǔn)備好的實驗項目，這些實驗對培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能、基本實驗方法、常用儀器的使用以及數(shù)據(jù)處理方法無疑是十分必要和重要的。但如果僅局限于經(jīng)典實驗，模式顯得單一，教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，也難以提高學(xué)生的興趣。面對知識經(jīng)濟(jì)時代的到來，必須改革以往實驗內(nèi)容僅是課堂教學(xué)的驗證和補充的教學(xué)模式，建立以物理理論為基礎(chǔ)，以實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)為主線的實驗教學(xué)體系。

為此，我們認(rèn)為應(yīng)該做好兩方面的工作。首先抓好基礎(chǔ)實驗課教學(xué)，通過做一些具有代表性的基礎(chǔ)實驗，例如長度測量、電學(xué)基本測量、電位差計、示波器的使用等，目的是使學(xué)生掌握基本測量儀器的調(diào)節(jié)技術(shù)和操作規(guī)范，學(xué)會正確處理實驗數(shù)據(jù)。其次，開設(shè)近代物理和綜合性實驗。如霍耳效應(yīng)應(yīng)用、動態(tài)楊氏模量實驗、邁克爾遜干涉實驗等，讓學(xué)生了領(lǐng)會實驗設(shè)計的技巧，理解物理理論的內(nèi)涵，能將理論和應(yīng)用緊密結(jié)合起來，培養(yǎng)知識面寬廣、有創(chuàng)新能力的學(xué)生。第三，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，引入計算機(jī)模擬與仿真實驗等現(xiàn)代化教學(xué)手段。利用多媒體技術(shù)，可以對實驗原理和實驗過程進(jìn)行生動形象的模擬仿真，聲音、圖像、動畫、文字有機(jī)地組合在一起，增強教學(xué)活力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生做實驗的積極性和主動性。

2.理論聯(lián)系實際，開設(shè)設(shè)計性、研究性實驗。從物理學(xué)的發(fā)展歷史來看，物理學(xué)的發(fā)展是同實驗密不可分的，無論是18世紀(jì)的牛頓力學(xué)還是20世紀(jì)的相對論和量子力學(xué)，無不都和實驗緊密相關(guān)。伽利略、牛頓等物理學(xué)先驅(qū)在做了大量的實驗后，對實驗現(xiàn)象作出了總結(jié)歸納，從而產(chǎn)生了影響深遠(yuǎn)的經(jīng)典力學(xué)。19世紀(jì)末由于黑體輻射等幾個用經(jīng)典物理理論不能解釋的實驗結(jié)果的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致了愛因斯坦、普朗克等人提出了相對論及量子力學(xué)理論，使物理學(xué)得到了又一次飛躍性的發(fā)展。可以看出，物理學(xué)的理論與實驗是相互依存的，因此，在大學(xué)物理學(xué)的教學(xué)中，必須在傳授物理理論知識的同時進(jìn)行物理實驗的操作，以便使學(xué)生能夠有感性和理性雙重認(rèn)識。這就要求我們改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，增加設(shè)計性實驗、研究性實驗，甚至探索性實驗，建立開放式實驗教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

設(shè)計性實驗著重培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計能力，通過教師擬定題目，實驗中心提供場地和儀器，或者學(xué)生自擬題目，實驗中心提供場地和儀器等形式，給學(xué)生提供一個設(shè)計平臺，使學(xué)生的潛能得以開發(fā)，個性得以張揚。研究性實驗則通過給學(xué)生提供實驗場地和實驗儀器，對一些小課程或重大課題的一部分開展研究，給部分能力較強、學(xué)有余力的學(xué)生提供科學(xué)研究的空間，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識和潛能，開發(fā)學(xué)生的智力。開展設(shè)計性、研究性實驗，是加強學(xué)生能力培養(yǎng)和因材施教的另一個重要途徑。實驗室、實驗儀器和設(shè)備向?qū)W生開放，加上在時間和空間上給學(xué)生一定的自由度，學(xué)生可以自己完成查閱文獻(xiàn)資料、選擇實驗題目、擬定實驗方案、測量實驗數(shù)據(jù)、完成實驗報告等工作。這種教學(xué)模式的顯著特點是學(xué)生在實驗過程中更能充分發(fā)揮他們的主觀能動性，使學(xué)生置身于一種富有探索和創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)環(huán)境中。這種實驗教學(xué)模式既鞏固了學(xué)生書本上的知識，又?jǐn)U大了學(xué)生的知識面，更重要的是提高了學(xué)生的動手和科研能力。

3.加強實驗教學(xué)研究工作，建立科學(xué)合理的物理實驗教學(xué)體系。

物理理論課和物理實驗課是不可分割的兩個組成部分，實驗課和理論課的任課教師要合理調(diào)配。在一學(xué)年內(nèi)，我們應(yīng)盡量安排理論課教師擔(dān)任實驗課，或者把兩門課的任課教師統(tǒng)一起來，使學(xué)生認(rèn)識老師，老師熟悉學(xué)生，有利于教師了解教學(xué)進(jìn)度、學(xué)生的物理理論學(xué)習(xí)情況以及實驗操作能力。理論課老師在實驗課教學(xué)中，要把更多的精力放在實驗內(nèi)容和物理理論的講解上，使學(xué)生明白并掌握物理理論和實驗的技術(shù)方法，這樣才能保證實驗課的教學(xué)質(zhì)量。如果理論課教師不上實驗課，會出現(xiàn)理論教學(xué)與實驗教學(xué)脫節(jié)的現(xiàn)象。

4.加強實驗室建設(shè)，開展模塊分層次教學(xué)。

鑒于物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理實驗教學(xué)是物理教學(xué)不可缺少的一部分，是培養(yǎng)高素質(zhì)物理學(xué)基礎(chǔ)性人才和應(yīng)用性人才的重要環(huán)節(jié)與手段之一，本項目按照新的人才培養(yǎng)模式和教學(xué)計劃，在充分論證的基礎(chǔ)上，調(diào)整、優(yōu)化實驗課與理論課的關(guān)系，從素質(zhì)、能力、創(chuàng)新精神培養(yǎng)的要求著手，打破原基礎(chǔ)物理實驗分普通物理實驗和近代物理實驗的實驗教學(xué)體系以及普通物理實驗分力熱、電磁和光學(xué)實驗彼此獨立三大部分的格局，在保證基礎(chǔ)訓(xùn)練的前提下，精選基礎(chǔ)實驗內(nèi)容，減少驗證性實驗，增設(shè)提高性、應(yīng)用性、綜合性、設(shè)計性實驗，將現(xiàn)代科技成果融入基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)，優(yōu)化、整合和重組實驗教學(xué)體系，形成從低到高、從簡單到復(fù)雜、從基礎(chǔ)到前沿、從接受知識到培養(yǎng)綜合能力、創(chuàng)新能力的物理實驗“模塊分層次”教學(xué)模式,即“基礎(chǔ)物理實驗、演示仿真實驗、近代物理實驗”三大模塊，“基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計性實驗、研究創(chuàng)新實驗”三個層次的教學(xué)模式。 第一、二層次實驗，其授課對象為全校理工科各專業(yè)學(xué)生；第三層次實驗，即研究創(chuàng)新性實驗主要是針對電子系部分優(yōu)秀學(xué)生，主要為他們參加全國電子大賽提供訓(xùn)練、指導(dǎo)和幫助。

三、結(jié)束語

通過大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的嘗試，激勵了學(xué)生的興趣，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，通過實驗的實際操作，不僅更好地理解了理論知識，而且又培養(yǎng)了分析和解決問題的能力，大學(xué)物理實驗成為學(xué)生喜歡的 課程，近年來，我院多名學(xué)生在國家和省級創(chuàng)新型物理實驗設(shè)計大賽中獲獎，大學(xué)物理實驗教學(xué)改革取得明顯成效。

[1]《大學(xué)物理實驗》 陳 聰主編 國防工業(yè)出版社.

[2]《大學(xué)物理實驗》 戴啟潤主編 鄭州大學(xué)出版社.

注：2016河南省教育廳教師教育課程改革研究重點項目《全科教師的培養(yǎng)與初等教育理科教學(xué)的改革》 項目號：2016-JSJYZD-074。