專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)與理論課程結(jié)合探究

李智華 楊 光

(華中科技大學(xué)物理學(xué)院 湖北 武漢 430074)

1 前言

在國(guó)內(nèi)諸多高校的本科生培養(yǎng)計(jì)劃里，專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)一般是作為一門(mén)或幾門(mén)課程，獨(dú)立于相應(yīng)的理論課程之外專門(mén)開(kāi)設(shè)的．每門(mén)專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)課程根據(jù)對(duì)相關(guān)理論知識(shí)掌握要求和深度不同，被安排在大學(xué)階段不同學(xué)年的不同學(xué)期開(kāi)設(shè)．比如筆者所在的學(xué)院，專業(yè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)一和專業(yè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)二，一般安排在第二學(xué)期和第三學(xué)期開(kāi)設(shè)，綜合物理實(shí)驗(yàn)以及近代物理實(shí)驗(yàn)一般在大三學(xué)年進(jìn)行開(kāi)設(shè)．這樣的課程安排表面上似乎沒(méi)毛病很合理，既考慮了學(xué)生物理理論知識(shí)體系建立的先后順序，排課也沒(méi)什么困難，根據(jù)培養(yǎng)計(jì)劃按部就班就行．目前大多高校基本上是按照這種模式來(lái)安排專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)課程，并執(zhí)行了上十年甚至幾十年．可正是這種表面上看似合理的專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)課程安排，一直以來(lái)廣受學(xué)生的詬病和不滿．主要原因歸納起來(lái)大致如下：

(1)專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與理論課程的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng).

(2)學(xué)生在部分專業(yè)理論知識(shí)還沒(méi)具備的情況下就被安排做相關(guān)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用探究．簡(jiǎn)言之就是，理論知識(shí)還沒(méi)有學(xué)，就被安排去做相應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，甚至還要做相應(yīng)的應(yīng)用探究.

(3)實(shí)驗(yàn)儀器大多是黑匣子，接接線、按按按鈕就完事，部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)不到預(yù)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

(4)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊，影響實(shí)驗(yàn)過(guò)程和效果．

相信有人會(huì)問(wèn)，既然問(wèn)題癥結(jié)找到了，怎么就沒(méi)有解決呢？“設(shè)備陳舊問(wèn)題”不是本文要在這里討論的重點(diǎn)，相信只要重視教學(xué)，尤其是重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)肯投入資金支持，這個(gè)問(wèn)題不難解決．重要的是前3個(gè)問(wèn)題，要解決不是做不到，而是比較復(fù)雜，涉及到方方面面．

要解決上面提到的“理論與實(shí)驗(yàn)設(shè)置的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)”“實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用探究先行于理論知識(shí)滯后的尷尬”，得把相應(yīng)的理論課程與相應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目揉合成一門(mén)課程，而且涉及到多門(mén)理論課程和專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的揉和，這樣一來(lái)，要對(duì)目前本科生的培養(yǎng)方案做較大的修改，對(duì)課程和學(xué)分進(jìn)行再設(shè)置．另一方面，這也是對(duì)任課教師提出更高的要求．想想看，按照老模式，理論課的主講教師只要負(fù)責(zé)上講臺(tái)講好課程教學(xué)大綱要求的知識(shí)內(nèi)容即可，專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的主講教師只要按照實(shí)驗(yàn)課程的安排指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)即可，不用過(guò)多考慮學(xué)生到底有沒(méi)有相應(yīng)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，也不用考慮理論課上相應(yīng)的理論知識(shí)如何與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容銜接，來(lái)更好達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膯?wèn)題．單從教師的角度來(lái)看，無(wú)論理論課的教師還是實(shí)驗(yàn)課的教師，各自都是認(rèn)真負(fù)責(zé)的．可是明眼人不難發(fā)現(xiàn)，這樣課程設(shè)置模式是有問(wèn)題的，沒(méi)有站在學(xué)生的角度來(lái)進(jìn)行合理的課程設(shè)置與安排．而“黑匣子”的問(wèn)題，相信只要前面兩個(gè)問(wèn)題解決了，在此基礎(chǔ)上擬出一些緊密結(jié)合理論的、能有效培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)能力和動(dòng)手能力的、有代表型的自主創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用，問(wèn)題就相應(yīng)解決了．

筆者機(jī)緣巧合，一直長(zhǎng)期站在電磁學(xué)理論課堂教學(xué)第一線，并堅(jiān)持多年的電磁學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[1～3]，近幾年也被安排主講物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)將專業(yè)理論課程與專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程如何緊密結(jié)合有一定思路．坦白說(shuō)，是這學(xué)期初，筆者微信學(xué)生好友在微信上對(duì)專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)的吐槽及大量學(xué)生的跟帖，才是真正激發(fā)作者動(dòng)真格下決心做這件事情的原因，讓筆者思考作為一名教師，結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)歷和背景，可以為專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論課程教學(xué)的緊密結(jié)合做點(diǎn)事情．其實(shí)，在電磁學(xué)教學(xué)改革和實(shí)踐中，筆者一直都重視理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，只不過(guò)這種重視限制在筆者自己負(fù)責(zé)的電磁學(xué)課程范圍內(nèi)，沒(méi)有去打破專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程和電磁學(xué)理論課程的“壁壘”．現(xiàn)在看來(lái)，在前期已有的電磁學(xué)教學(xué)改革實(shí)踐的基礎(chǔ)上，打破這種壁壘,實(shí)現(xiàn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)與理論課程的結(jié)合，非常必要而且重要，對(duì)筆者而言也并非難以完成的使命．

2 電磁學(xué)理論課程與專業(yè)實(shí)驗(yàn)的對(duì)接

為了讓學(xué)生進(jìn)本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)室前先具備相關(guān)的理論基礎(chǔ)，應(yīng)增強(qiáng)理論課程與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的關(guān)聯(lián)性，合理安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)進(jìn)程．即先有電磁學(xué)相關(guān)理論課教學(xué)，爾后才是對(duì)應(yīng)開(kāi)設(shè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)及其應(yīng)用探究．本科專業(yè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目里，部分是電磁學(xué)理論相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，考慮將這些相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與電磁學(xué)理論課程教學(xué)內(nèi)容打通統(tǒng)籌安排．此外，根據(jù)電磁學(xué)理論課堂教學(xué)的內(nèi)容，擬考慮增設(shè)部分非黑匣子、自主設(shè)計(jì)型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．這樣避免了理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課程的安排關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，甚至理論知識(shí)尚未具備就安排學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用探究的問(wèn)題，也能解決“黑匣子”實(shí)驗(yàn)的弊?。也粌H能提高理論課堂教學(xué)的水平與效果，也有助于真正達(dá)到專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)的目的，更是將培養(yǎng)學(xué)生的5種能力“學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、靈活運(yùn)用知識(shí)能力、口頭與書(shū)面語(yǔ)言表達(dá)能力”落地到教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，是落實(shí)以學(xué)生為中心的教學(xué)改革與實(shí)踐的具體舉措[4～6]．

2．1 現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與理論課程的結(jié)合

一方面，形式上，首先理清專業(yè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程中現(xiàn)有的與電磁學(xué)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(如霍爾效應(yīng)與應(yīng)用設(shè)計(jì)、電路暫態(tài)過(guò)程與示波器的使用、RLC電路和濾波器、直流交流電橋的研究與應(yīng)用)，將這些現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)與電磁學(xué)理論課緊密結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃合理安排．圖1是基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)“RC/RLC/暫態(tài)電路和RLC交流電路和濾波器實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)儀器裝置圖：函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、雙通道示波器、電阻箱，以及可變電容器和可變電感器．

圖1 RC/RLC暫態(tài)過(guò)程、交流電路和濾波器實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)目前專業(yè)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的安排，本實(shí)驗(yàn)一般安排在大二上學(xué)期開(kāi)設(shè)，雖然與電磁學(xué)課程開(kāi)設(shè)在同一學(xué)期，但問(wèn)題是學(xué)生在進(jìn)實(shí)驗(yàn)室做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，還沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)，這些理論背景知識(shí)屬于電磁學(xué)第九章的內(nèi)容，如果將此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排在電磁學(xué)第九章內(nèi)容講授之后，相信學(xué)生才可能靈活應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)來(lái)進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，這樣學(xué)生的實(shí)驗(yàn)收獲會(huì)更好，才可能真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模偃鐚ⅰ盎魻栃?yīng)與應(yīng)用設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，安排在電磁學(xué)的理論課程內(nèi)容“帶電粒子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)用舉例”講授之后；將 “直流交流電橋的研究與應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，安排在“交流電路的復(fù)數(shù)解法與應(yīng)用舉例”講授之后．這樣，既能確保學(xué)生在從事相關(guān)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)之前已具備了相關(guān)的理論知識(shí)，又能馬上在專業(yè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中靈活應(yīng)用相關(guān)的理論知識(shí)，做到了專業(yè)實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)的緊密結(jié)合、無(wú)縫對(duì)接．

另一方面，除了形式上和時(shí)間上的無(wú)縫對(duì)接，課程內(nèi)容上也要融合．仔細(xì)琢磨理論知識(shí)的講授如何與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合，既有助于學(xué)生掌握、鞏固相應(yīng)的理論知識(shí)，又能啟發(fā)學(xué)生開(kāi)展專業(yè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，在課堂教學(xué)理論知識(shí)的指導(dǎo)下，真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置的目的．

2.2 緊密結(jié)合理論課程的自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)置

結(jié)合現(xiàn)有電磁學(xué)理論課教學(xué)內(nèi)容，考慮篩選增設(shè)有代表性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生勤于思考,激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用知識(shí)的能力和動(dòng)手能力．根據(jù)電磁學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容，初步擬出的可供選擇的學(xué)生自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)如下：

(1)設(shè)計(jì)范德格拉夫起電機(jī)周?chē)妶?chǎng)和等勢(shì)面演示儀;

(2)壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；

(3)基于平面矩形載流線圈在均勻磁場(chǎng)中繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律，設(shè)計(jì)一款自測(cè)速高轉(zhuǎn)速馬達(dá)；

(4)指針式/數(shù)顯式磁通計(jì)設(shè)計(jì)與應(yīng)用；

(5)設(shè)計(jì)一款手搖發(fā)電機(jī)，要求具備交流直流切換輸出功能；

(6)RLC電路串聯(lián)共振的應(yīng)用：調(diào)頻收音機(jī)設(shè)計(jì)/機(jī)場(chǎng)安檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)/金屬炸彈探測(cè)器設(shè)計(jì)/排雷探測(cè)器設(shè)計(jì)；

(7)電磁繼電器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用/電鈴的原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用；

(8)赫茲實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)裝置：電磁波的發(fā)射與檢測(cè)；

(9)電磁場(chǎng)動(dòng)量-光壓測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；

(10)電磁波的發(fā)射、電場(chǎng)E、磁場(chǎng)B及能流S的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，以及電磁波疊加形成駐波能量分布的檢驗(yàn)．

這樣的項(xiàng)目并不是要求學(xué)生每一個(gè)都必須完成，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自由選取實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自由組合形成實(shí)驗(yàn)小組，自主分工協(xié)作完成項(xiàng)目．當(dāng)然，項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中，課程組會(huì)有助教和實(shí)驗(yàn)工程師提供必要的指導(dǎo)與支持．自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的引入，是徹底解決黑匣子式實(shí)驗(yàn)“接接線、按按按鈕”就完成實(shí)驗(yàn)缺陷與弊端的有效方式之一．

3 自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)例——自測(cè)速高轉(zhuǎn)速馬達(dá)

此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目屬于完全自由、自主設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的實(shí)例．在電磁學(xué)理論課堂教學(xué)內(nèi)容“通電矩形載流線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律”討論之后，如圖2所示，得到了剛性平面矩形線圈在均勻磁場(chǎng)中的受力矩與線圈磁矩和磁場(chǎng)之間的關(guān)系.

(a)

(b)

設(shè)B為線圈所處的外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，m是通電線圈的磁矩，L就是線圈在均勻外磁場(chǎng)中所受的力矩．三者之間的關(guān)系為

L=m×B

接下來(lái)理論課堂教學(xué)與實(shí)際的應(yīng)用相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：從剛性矩形線圈的受力矩來(lái)看，力矩大小mBsinθ隨著線圈與磁場(chǎng)夾角θ的變化而周期性變化，對(duì)于真實(shí)的馬達(dá)，這種情況會(huì)導(dǎo)致什么問(wèn)題？如何讓線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)受力矩大小穩(wěn)定？如何提高馬達(dá)的轉(zhuǎn)速？請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一款高速馬達(dá)，并具備自測(cè)速功能．這是這堂理論課結(jié)束時(shí)，留給學(xué)生的自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并非必做內(nèi)容，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選做，可以2～3人一組分工協(xié)作完成．項(xiàng)目實(shí)施期間，課程給與學(xué)生實(shí)驗(yàn)小組全力的經(jīng)費(fèi)和硬件條件支持，整個(gè)課程結(jié)束前，要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間提交作品，并向全班學(xué)生做總結(jié)匯報(bào)．圖3展示的是某年級(jí)應(yīng)用物理班上的兩位學(xué)生設(shè)計(jì)完成的自測(cè)速馬達(dá)作品．

圖3 自測(cè)速高轉(zhuǎn)速馬達(dá)作品展示

此作品以多對(duì)強(qiáng)鐵磁性材料釹鐵硼片，來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)分布，測(cè)速裝置采用自主設(shè)計(jì)的電路板結(jié)合光電探頭進(jìn)行測(cè)量，以1.5 V的7號(hào)電池作為電源供電下，馬達(dá)可實(shí)現(xiàn)1 100 r/min．雖然作品展示中馬達(dá)轉(zhuǎn)速不太平穩(wěn)有待改進(jìn)，但從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)例來(lái)看，參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生收獲頗豐，他們將課堂上學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合進(jìn)行探索研究，不僅鍛煉了自己靈活運(yùn)用知識(shí)的能力和動(dòng)手能力，也訓(xùn)練了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，這些收獲讓他們非常有成就感．當(dāng)項(xiàng)目小組成員站在全班同學(xué)面前做項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告，并把作品展現(xiàn)在全班同學(xué)面前時(shí)，不僅贏得了其他同學(xué)羨慕和贊賞的目光，更是激發(fā)了其他同學(xué)的興趣和參與的激情，當(dāng)然也很大程度提高了理論課堂教學(xué)的吸引力．筆者想這應(yīng)該是理論課程與專業(yè)實(shí)驗(yàn)無(wú)縫對(duì)接后所期待的效果了：充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與熱情，在“學(xué)”與“習(xí)”的過(guò)程中有效地訓(xùn)練學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力、動(dòng)手能力以及創(chuàng)新思維的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和敢于探索的精神．

4 總結(jié)

實(shí)現(xiàn)理論課堂教學(xué)與專業(yè)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)無(wú)縫對(duì)接，可以解決多年來(lái)學(xué)生普遍詬病的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)設(shè)與理論知識(shí)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)的現(xiàn)狀；結(jié)合理論課程內(nèi)容設(shè)置真正開(kāi)放性的、非黑匣子式的自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，不僅能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，更能有效鍛煉學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力和動(dòng)手能力．以電磁學(xué)理論課與相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的無(wú)縫對(duì)接為例子，期待擴(kuò)展到其他專業(yè)課力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)與相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的結(jié)合，甚至推廣到量大面廣的課程“大學(xué)物理”和“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”的無(wú)縫對(duì)接．這是將“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念落到實(shí)處的具體體現(xiàn)．