大學(xué)物理實驗教學(xué)效果的若干方法和手段的探討*

錢霞

(聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 山東 聊城 252059;山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點實驗室 山東 聊城 252059)

1 大學(xué)物理教學(xué)的組成及作用

物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用、自然界物體運動規(guī)律的一門學(xué)科，抽象性、高度模型化、高度理論性是它的顯著特點.同時，物理學(xué)是一個多方面的學(xué)科，是一個活的科學(xué)，不是一個死的科學(xué)，不是整天在公式里打滾的學(xué)科，是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，有著重大的實踐性與應(yīng)用性.很多理論的誕生建立在實驗的基礎(chǔ)上，實驗糾正了人們很多錯誤的思想，證實和指引著理論，帶給人們理解物理學(xué)的直觀性和可操作性.

物理概念的本身也包含著物理實驗技能、物理研究方法的含義.同所有其他基礎(chǔ)學(xué)科一樣，物理學(xué)研究具有兩重性：一是在理論層面對物理學(xué)知識體系的構(gòu)建與完善，主要包括理論推演、計算模擬、實驗檢驗等環(huán)節(jié)；二是在技術(shù)層面對已掌握的物理規(guī)律的挖掘與應(yīng)用，主要包括與物理有關(guān)的專利設(shè)計、儀器制造、工業(yè)生產(chǎn)等，涉及航空、航天、醫(yī)學(xué)、電氣、工程、計算機等社會領(lǐng)域.在物理教育中，前者稱為物理教育的學(xué)術(shù)目的，后者稱為物理教育的社會目的[1].

大學(xué)物理是理工科專業(yè)學(xué)生的一門必修基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ).大學(xué)物理教學(xué)的成功與否很大程度上會影響和決定學(xué)生對于物理知識的認(rèn)知、理解和應(yīng)用.大學(xué)物理課包括理論課和實驗課，物理知識的傳授主要通過課堂教學(xué)和實驗教學(xué).在課堂教學(xué)上，主要以教師講授，學(xué)生聽課為主，學(xué)生通過聽講獲得理論知識.在理論課堂上，學(xué)生在聽教師講課時，沒有直觀的教具幫助，而是通過想象建立起物理原理、現(xiàn)象、過程和規(guī)律的合理圖像，通過大腦的建構(gòu)，形成抽象的理論模型.在這過程中，記憶起了很重要的作用，也可以說，很多內(nèi)容是以記憶的形式存儲在大腦中，而并沒有被深刻理解.實驗課則具有和理論課不同的特點.在實驗課上，學(xué)生直接接觸、理解并應(yīng)用物理知識，實驗本身所具有的直觀性、可操作性等特點決定了實驗課與理論課的不同特點，它對物理教學(xué)的促進作用不可忽視，對培養(yǎng)學(xué)生的動手、理解并應(yīng)用物理知識的能力有著不可否認(rèn)的推動作用.

在很多高校,實驗課是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力和初期科研素養(yǎng)唯一的途徑，提高實驗教學(xué)效果應(yīng)該是各院校普遍需要重視的問題.本文將從知識的類型和學(xué)習(xí)的角度論述大學(xué)物理實驗教學(xué)的性質(zhì)和特點，探討提高大學(xué)物理實驗教學(xué)效果的方法和手段.

2 大學(xué)物理實驗教學(xué)的性質(zhì)及特點

教育心理學(xué)指出，知識是學(xué)生學(xué)習(xí)的最基本內(nèi)容，通過知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得為了自身的生存和發(fā)展所必須的各種經(jīng)驗，并在這一過程中逐漸形成各種態(tài)度和能力.知識不單單是對各種事物的了解，還包含了運用知識解決問題的技能.

關(guān)于知識的學(xué)習(xí)，在杜威的“做中學(xué)”(Learning by doing)理論中指出：人們應(yīng)當(dāng) “從做事里面求學(xué)問”, 在做的過程中發(fā)現(xiàn)和發(fā)展自己，從 “做中學(xué)” 增添新的更有意義的經(jīng)驗.教育必須建立在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，教育就是經(jīng)驗的成長和經(jīng)驗的改造，學(xué)生從經(jīng)驗中產(chǎn)生問題，而問題又可以激發(fā)他們?nèi)ヌ剿髦R，產(chǎn)生新觀念.有教育功能的經(jīng)驗，不同于“呆板的活動”(不能自主的機械動作)和“無恒的活動”(毫無目的，不顧將來結(jié)果的活動)，“把目的(即結(jié)果)與過程視為一件事”，活動的經(jīng)驗是占用時間的，它的后一步就是完成它的前一步，后面的結(jié)果就表現(xiàn)出前面的目的，這種完整經(jīng)驗使人掌握良好的行為模式(習(xí)慣)[2].根據(jù)建構(gòu)學(xué)習(xí)觀點，知識的獲得不是一次性完成的，知識的獲得與知識的應(yīng)用也不是絕對依次進行的.知識的學(xué)習(xí)可以分為知識的生成與理解、知識的整合和深化、知識的應(yīng)用與遷移3個階段，所有階段的知識學(xué)習(xí)都遵循知識的雙向建構(gòu)和雙向遷移的過程，往往是在應(yīng)用的過程中被獲得、理解、深化和整合的，同時，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中具有主動性[3].

根據(jù)杜威的“做中學(xué)”(Learning by doing)觀點，大學(xué)物理實驗恰好就是學(xué)生做而獲得經(jīng)驗的過程，是經(jīng)驗的成長和改造過程.實驗過程中學(xué)生反復(fù)主動學(xué)習(xí)與應(yīng)用，遇到各種問題，通過舊經(jīng)驗，帶著問題，解決問題，獲得新經(jīng)驗，獲得學(xué)問.在實驗課堂上，實驗原理通常是書本上的、學(xué)生在理論課堂聽講得到的理論知識；實驗進行中，學(xué)生必須親自操作各種實驗儀器，要求學(xué)生必須學(xué)會掌握儀器的操作及使用方法；在記錄數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)時，學(xué)生必須學(xué)會運用數(shù)據(jù)運算分析方法；當(dāng)學(xué)生得出實驗結(jié)論時，也必然又要用到課本中的理論來解釋實驗結(jié)果和實驗現(xiàn)象；完成實驗后，學(xué)生解決了問題，獲得了實驗?zāi)芰蛯嶒灱记?從整個實驗過程中，可以看到幾種類型知識學(xué)習(xí)和遷移的體現(xiàn).學(xué)生首先要利用書本上學(xué)到的間接知識，通過在實驗中親身體會，學(xué)到了直接知識；學(xué)生在實驗中直接體會、理解并應(yīng)用帶有理論性色彩的顯性知識，但同時，他們親自動手實踐，也得到了隱性知識——實踐知識；在為了達到實驗?zāi)康?、解決問題的過程中，學(xué)生一步步地把陳述性知識——實驗原理、儀器原理、運算規(guī)則，轉(zhuǎn)化成程序性知識——儀器的操作、數(shù)據(jù)的運算、實驗結(jié)果的分析，獲得最終的程序性知識——實驗?zāi)芰?對于每一個學(xué)生，實驗的整個過程，從對實驗原理的理解、儀器的操作到原始數(shù)據(jù)的記錄及處理、結(jié)果的分析無一不反映他對陳述性理論知識的掌握程度，而利用程序性知識，成功的完成實驗,甚至不太成功的完成實驗又反過來會促進他對陳述性理論知識的理解與認(rèn)知.通過實驗，學(xué)生把理論課堂上以記憶的形式存儲下來的知識在實驗課堂上提取、釋放和運用；通過實驗，學(xué)生把抽象的知識具體化；通過實驗，學(xué)生頭腦中的物理符號、物理概念有了確定的意義；抽象的概念和復(fù)雜的過程通過物理實驗直觀顯現(xiàn)，通過實驗，學(xué)生直接認(rèn)識物理和物理的應(yīng)用.

3 提高大學(xué)物理實驗教學(xué)效果的若干方法和手段

大學(xué)物理是理工科學(xué)生重要的基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課的基礎(chǔ).在大學(xué)物理教學(xué)中，大學(xué)物理尤其是一門繁雜、抽象、建立在數(shù)學(xué)工具上、用各種數(shù)學(xué)公式來表達物理思想和物理過程的課程，這決定了學(xué)習(xí)這門課的難度，而大學(xué)物理實驗對物理教學(xué)的推進作用不可忽視.但是,由于各種主客觀條件限制，大學(xué)物理實驗教學(xué)中還存在很多問題，這種促進作用并沒有完全發(fā)揮.對于物理，當(dāng)前相當(dāng)多的大學(xué)生第一反應(yīng)還是如何應(yīng)對考試中的試題，頭腦中的物理是一個個抽象的概念和復(fù)雜的公式，并沒有真正理解到物理的含義、意義和重大的應(yīng)用價值.所以，我們必須尋求提高大學(xué)物理實驗教學(xué)效果的有效方法和途徑.

現(xiàn)在很多高校強調(diào)實驗的復(fù)雜性、高難度性，強調(diào)設(shè)置多層次教學(xué)、開放式教學(xué)，但是往往要受到學(xué)時、實驗空間和師資力量的限制，而基礎(chǔ)性實驗也蘊涵了物理的強大含義，也可以引起學(xué)生對物理的興趣，在傳統(tǒng)教學(xué)中也可以開辟新途徑來提高大學(xué)物理教學(xué)效果.

首先可以利用知識的遷移性，深挖基礎(chǔ)性實驗，加強實驗內(nèi)容與理論內(nèi)容的緊密結(jié)合.由于受到學(xué)時的限制，大學(xué)物理的實驗個數(shù)是有限的，而理論內(nèi)容卻很多，所以可以在實驗內(nèi)容上合理編排，增加內(nèi)容含量，增加體現(xiàn)物理思想和方法的實驗內(nèi)容，運用物理科學(xué)發(fā)展中形成的先進思想和方法進行研究和探索，實驗的目的不止于得到實驗結(jié)果或結(jié)論，而更在于學(xué)會運用物理思想和物理方法.利用實驗之間及不同層次實驗之間的相互遷移，讓學(xué)生在遇到某原理、原則適用的背景時，能脫離學(xué)習(xí)原理、原則的背景而把握其實質(zhì)，并能準(zhǔn)確地運用原理、原則去學(xué)習(xí)新知識和解決新問題，把陳述性知識與程序性知識緊密聯(lián)系起來.

在教課中，要為遷移而教，要整合實驗內(nèi)容，把各獨立的實驗內(nèi)容整合起來，鼓勵學(xué)生把內(nèi)容相關(guān)的實驗聯(lián)系起來，把某一實驗中學(xué)到的知識點運用到其他實驗中，加強知識聯(lián)系，相互分析、解釋、進行聯(lián)想；展現(xiàn)物理科學(xué)在其他專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使學(xué)生有意識地將物理知識應(yīng)用到實踐中，解決實際問題；實驗的過程可以采用理論——實驗——應(yīng)用——理論——實驗——應(yīng)用的模式，讓學(xué)生認(rèn)識到物理的理論性、實踐性、應(yīng)用性，在應(yīng)用中加深對物理的理解.比如，在進行偏振光的觀察和測量實驗時，增加“馬呂斯定律的驗證”和“圓偏振光和橢圓偏振光的獲取與檢驗”，加入“生活中的偏振現(xiàn)象觀察”等拓展性實驗內(nèi)容，這樣即能使學(xué)生熟悉起偏器和檢偏器，又能對光的偏振有一個深入的認(rèn)識，進一步了解了光的偏振在實際生活中的應(yīng)用.

在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，如果學(xué)生真正完成實驗并且確切領(lǐng)會實驗背后的含義，不但會獲取物理的知識，而且也會提高實踐能力.但是，在很多情況下，學(xué)生看不到實驗的意義，沒有興趣，這里面體現(xiàn)出教學(xué)方法中不合適的地方，教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)的方法.根據(jù)杜威的“做中學(xué)”(Learning by doing)理論，實驗應(yīng)該是學(xué)生主動地、探索性地、創(chuàng)造性地做而獲得經(jīng)驗的過程，是經(jīng)驗的成長和改造過程.所以,教師在教學(xué)中處于“主導(dǎo)”地位,學(xué)生按照講義或者教師的講解亦步亦趨模仿的模式要改進.在原有這種模式中，學(xué)生完全跟著教師的思路走，沒有進行積極的思考，沒有自己的理解與認(rèn)知，關(guān)心的是實驗結(jié)果，然后才是實驗過程，探索更少，而最后對整個實驗的描述僅以實驗報告的形式完成，在編寫實驗報告時，原始數(shù)據(jù)是由學(xué)生自己親自獲得的，而其他部分，包括原理、實驗步驟等很大部分內(nèi)容都是由學(xué)生抄寫完成，并且最終的實驗分析幾乎就沒有，這樣的實驗沒有達到促進學(xué)生深刻認(rèn)識物理概念含義和物理過程意義的目的，更別說能夠形成自己獨有的對實驗的認(rèn)識.所以一定要讓學(xué)生真正地“做并思考”，真正理解每一個實驗的含義.對某些實驗，可以讓學(xué)生獨立的查閱資料、搜尋實驗原理及需要遵守的規(guī)則，探索性完成實驗操作過程、數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)果后，獨立利用理論課堂上學(xué)到的理論或通過互聯(lián)網(wǎng)等手段查找到的相應(yīng)知識點對實驗結(jié)果進行分析解釋，最終，完成對整個實驗的理解，實驗結(jié)論也不應(yīng)該全部為實驗報告的形式，而要采取小論文的形式或設(shè)計性方案的形式，要求學(xué)生不要一味抄寫而是要變成自己理解，有自己的認(rèn)識和觀點；即便對于驗證性實驗，也要增加學(xué)生獨立思考和分析的環(huán)節(jié)；在課堂上不能完成的實驗環(huán)節(jié)可以在課下完成，這就可以打破學(xué)時和實驗空間的限制；為了使實驗結(jié)論更加科學(xué)，在數(shù)據(jù)處理時可以引入計算軟件，這樣的一些手段對于學(xué)生理清實驗頭緒、形成自己的分析和認(rèn)識有著巨大幫助，對于進行研究性實驗、撰寫研究性論文也大有幫助.

在這里，我們以RLC電路特性實驗為例進行探討.這個實驗有很多的知識點，首先，電阻、電容、電感是生活中常用的器件，可是，學(xué)生對電容、電感的認(rèn)識僅僅停留在課本中，對它們在直流電路和交流電路中的特性可以背誦下來，卻沒有深刻理解，所以，通過將電阻、電容、電感的不同組合，接入正弦穩(wěn)態(tài)交流電源或者方波電源，可以構(gòu)成各種RLC交流電路，在這些電路中，通過電阻、電感以及電容上的電流與加在它們上的電壓隨著時間或頻率的改變而改變，學(xué)生通過觀察這些實驗現(xiàn)象，就會對電容、電感有深刻的認(rèn)識；另外，這些電阻、電容和電感的組合有著非常重要的應(yīng)用價值，在很多電子線路中要用到這些元器件，所以，學(xué)生在了解了RLC電路的各種特性，比如諧振特性、暫態(tài)過程、幅頻特性、相頻特性等特性，就可以進一步理解這些電路在電子儀器比如收音機中的應(yīng)用，這對于學(xué)生理解物理知識有非常大的促進作用；在RLC電路特性實驗的進行過程中，教師指導(dǎo)學(xué)生完成實驗，但在學(xué)習(xí)的過程中也要加強學(xué)生的主動性學(xué)習(xí)，比如自己連接電路，自己分析實驗結(jié)論.另一方面還要求學(xué)生課下查詢有關(guān)RLC電路的應(yīng)用知識點，將實驗與應(yīng)用結(jié)合起來，就會將該實驗課程的教學(xué)效果大大增強.

提高大學(xué)物理實驗教學(xué)效果以促進大學(xué)物理教學(xué)是非常有必要且有重大意義的，作為一名長期從

事大學(xué)物理實驗教學(xué)的教師，在這里談一下這些年對實驗教學(xué)的體會，希望能引起大家的共鳴.