模塊化物理實驗教學(xué)的方式與策略*

丁 東 莊云飛 何英秋 李海軍 張曉春

(華北科技學(xué)院理學(xué)院 河北 廊坊 065201)

1 引言

大學(xué)物理實驗是面向高校理工科學(xué)生開設(shè)的一門通識性基礎(chǔ)課程.該課程覆蓋面廣，是對學(xué)生進行科學(xué)實驗基本技能訓(xùn)練的開端，在培養(yǎng)學(xué)生初步掌握實驗科學(xué)的思想，掌握實驗研究的基本方法，提高學(xué)生分析、解決問題能力和創(chuàng)新能力等方面具有其他課程不可替代的地位和作用[1～3].

當(dāng)前，在一般普通本科院校大學(xué)物理實驗課的開設(shè)和教學(xué)環(huán)節(jié)中還或多或少存在一些不足.在課程的設(shè)置上，有的院校一直沿用傳統(tǒng)上的按力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理學(xué)等順序排課，還有由于教學(xué)資源的匱乏導(dǎo)致被動的隨機排課等.自高考制度改革以來，很多省高考大綱和考試內(nèi)容的側(cè)重點都不一樣，這就導(dǎo)致同一專業(yè)、同一班級來自不同省份的學(xué)生物理基礎(chǔ)不盡相同，也使得傳統(tǒng)排課方式或者隨機排課方式不能照顧到所有的學(xué)生.在教學(xué)方法上，通常教師采用一貫的“注入式”教學(xué)方法，即教師依次講解實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗方法和實驗步驟，然后學(xué)生按部就班地重復(fù)實驗流程、記錄實驗數(shù)據(jù)、處理實驗結(jié)果和誤差分析.這種教學(xué)模式雖然可以使學(xué)生很快掌握實驗內(nèi)容、采集到預(yù)期的實驗數(shù)據(jù)，但同時也可能導(dǎo)致學(xué)生誤認為實驗就是重復(fù)書上的實驗內(nèi)容和步驟，從而導(dǎo)致對實驗課程漸漸失去學(xué)習(xí)興趣，甚至?xí)霈F(xiàn)不認真聽課、偽造實驗數(shù)據(jù)、抄襲實驗報告結(jié)果等被動學(xué)習(xí)狀態(tài).

如何在大學(xué)物理實驗課上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動性，進而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，是當(dāng)前高校物理實驗教學(xué)改革的重點內(nèi)容[4～6].本文結(jié)合教學(xué)實踐，對大學(xué)物理實驗課的課程設(shè)置和教學(xué)方式進行研究和總結(jié)，探討模塊化物理實驗教學(xué)的方式與策略.

2 大學(xué)物理實驗?zāi)K化課程設(shè)計

為了解決學(xué)生實驗基礎(chǔ)的差異性問題和提高教學(xué)資源的合理優(yōu)化，建議大學(xué)物理實驗課程實施模塊化教學(xué).我們這里考慮設(shè)置3個實驗?zāi)K：基礎(chǔ)性實驗?zāi)K、綜合提高性實驗?zāi)K和設(shè)計研究性實驗?zāi)K.

2.1 基礎(chǔ)性實驗?zāi)K

基礎(chǔ)性實驗?zāi)K目的是使學(xué)生掌握物理實驗中基本的實驗方法和正確處理實驗數(shù)據(jù)的初步能力.掌握常用物理量的一般測量方法，比如長度、時間、質(zhì)量、加速度、力、角度、熱量、溫度、電阻、電流強度、電壓、電動勢、頻率或周期等物理量的測量.了解常用儀器的性能，并掌握使用方法，比如游標(biāo)卡尺、螺旋測微計、天平、秒表、溫度計、直流電表、檢流計、電位差計、數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、通用示波器、讀數(shù)顯微鏡、直流穩(wěn)壓電源等.能夠利用測量儀器對基本物理量進行測量和結(jié)果表示，包括直接與間接測量結(jié)果的表示、測量誤差的估計(平均絕對誤差、儀器誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差等).可參考的具體實驗項目，如基本測量、示波器的使用、牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑、電表改裝與校準(zhǔn)、光學(xué)基礎(chǔ)實驗等.

2.2 綜合提高性實驗?zāi)K

綜合提高性實驗是在學(xué)生初步掌握了基本物理實驗方法的前提下，綜合考慮多領(lǐng)域知識點的交叉融合，尤其是應(yīng)用兩種以上實驗方法或技術(shù)的實驗項目.包括扭擺法測量物體轉(zhuǎn)動慣量、液體粘滯系數(shù)的測定、氣體比熱容比的測定、密立根油滴法測定電子電荷、邁克爾孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用、聲速的測量等.例如，在聲速的測量實驗中，綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)換法、共振干涉法和相位比較法等測量方法；在密立根油滴法測定電子電荷實驗中，需要綜合應(yīng)用力學(xué)平衡法控制油滴、圖像法或最小二乘法處理實驗數(shù)據(jù).綜合提高性實驗?zāi)K旨在啟發(fā)學(xué)生綜合運用物理實驗方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，進而提高學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰?

2.3 設(shè)計研究性實驗?zāi)K

設(shè)計研究性實驗?zāi)K是由教師提出實驗方向和實驗要求，學(xué)生根據(jù)具體的實驗條件構(gòu)思實驗?zāi)康?、設(shè)計實驗方法和實驗步驟，在教師的指導(dǎo)下通過獨立操作最終完成具體的實驗過程.要求學(xué)生掌握基本的實驗技能并能夠綜合運用多種實驗方法完成一定量的綜合提高性實驗項目，這是對學(xué)生科學(xué)實驗素養(yǎng)、自主創(chuàng)新意識、分析問題和解決問題能力的進一步鍛煉和提高.比如，動力學(xué)綜合設(shè)計性實驗、多普勒效應(yīng)綜合實驗、自組微波光學(xué)實驗等.

3 教學(xué)方式與策略

在大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)過程中，結(jié)合模塊化課程設(shè)計，我們提出階段性啟發(fā)式教學(xué)方法.啟發(fā)式教學(xué)在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面是一種有效的教學(xué)方法.早在我國古代，思想家、教育家孔子就十分重視啟發(fā)式教學(xué)，提出了“不憤不啟，不悱不發(fā)”的教學(xué)思想，意思就是說：“不到他努力想弄明白而得不到的程度不要去開導(dǎo)他，不到他心里明白卻不能完善表達出來的程度不要去啟發(fā)他.”對教師來講，在把已有知識傳授給學(xué)生并且鼓勵學(xué)生運用所學(xué)知識去解決實際問題時，首要任務(wù)就是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，通過積極引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生求知欲(或?qū)W習(xí)需求)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中意識到對某方面知識的欠缺，達到力求獲得提高的一種心理狀態(tài).

針對不同的模塊化課程以及學(xué)生在不同模塊化教學(xué)過程中的知識儲備，采用由淺入深的方式不斷啟發(fā)學(xué)生思考，使學(xué)生既能體會到通過自身努力學(xué)會了一些物理實驗知識和方法的成就感，又有對更為復(fù)雜問題求解的困惑，對大學(xué)物理實驗課程的學(xué)習(xí)時刻保持“饑渴”狀態(tài).啟發(fā)式教學(xué)需要教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，實驗過程中要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)問、積極地引導(dǎo)并掌控好課程的進度.這就要求教師不斷學(xué)習(xí)，只有具備了深厚的理論知識和豐富的實踐經(jīng)驗，才能更好地組織課堂發(fā)揮啟發(fā)式教學(xué)方法的優(yōu)勢.

3.1 基礎(chǔ)性實驗?zāi)K的啟發(fā)策略

基礎(chǔ)性實驗?zāi)K的教學(xué)注重學(xué)生基本實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，包括學(xué)生觀察能力和動手能力、學(xué)習(xí)基本的實驗方法和技能等.因此，該階段啟發(fā)式教學(xué)應(yīng)簡單明了，可采用實物演示法和直接提問法.例如，在基本測量實驗中，首先讓學(xué)生觀察米尺、千分尺和游標(biāo)卡尺等長度測量儀器的基本結(jié)構(gòu)和最小分度值，討論和學(xué)習(xí)直接測量結(jié)果的誤差和測量結(jié)果的表示方法.在學(xué)生掌握了直接測量結(jié)果的表示后，啟發(fā)學(xué)生如何測量間接測量量，比如形狀規(guī)則物體的體積.以測量圓柱體體積為例，要求學(xué)生用千分尺測量圓柱體的直徑、用游標(biāo)卡尺測量圓柱體的高，在學(xué)生寫出體積公式后，啟發(fā)學(xué)生思考以下問題：

(1)為什么需要多次測量圓柱體的直徑和高；(2)間接測量結(jié)果應(yīng)該如何表示；(3)測量結(jié)果平均值的有效數(shù)字該如何取舍；(4)測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差該如何計算.

通過啟發(fā)式教學(xué)指導(dǎo)學(xué)生類比前面已經(jīng)學(xué)過的直接測量量的測量方法、誤差分析和結(jié)果表示，學(xué)會間接測量量的實驗處理方法.

3.2 綜合提高性實驗?zāi)K的啟發(fā)策略

綜合提高性實驗?zāi)K的教學(xué)重點是對學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng).該階段采用問題教學(xué)方式啟發(fā)學(xué)生獨立思考，在學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的基礎(chǔ)知識和基本實驗方法的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生積極主動地探索實驗過程中遇到的問題并進一步給出具體解決思路，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果.

例如，在扭擺法測量物體轉(zhuǎn)動慣量實驗中，通過學(xué)習(xí)塑料圓柱體和金屬圓筒轉(zhuǎn)動慣量的測量，啟發(fā)學(xué)生思考如何測量金屬細桿的轉(zhuǎn)動慣量.有的學(xué)生可能會用夾具固定好金屬細桿，并思考如何調(diào)整光電傳感器和金屬細桿的位置進而重組實驗裝置.甚至可能會有學(xué)生直接把金屬細桿放到載物圓盤上，在發(fā)現(xiàn)金屬細桿無法固定時自然就會修正錯誤并尋找正確的實驗方法.學(xué)生通過自己動手安裝好金屬細桿后，實驗裝置可能會存在一些問題，比如光電傳感器高度不合適、夾具未夾在金屬細桿中心等，出現(xiàn)這些問題都很正常，這個時候，教師不要急著給學(xué)生糾正錯誤，可以采用問題教學(xué)啟發(fā)學(xué)生思考：

(1)當(dāng)擺動金屬細桿開始測量時，如果計時燈一直不亮，問題可能出現(xiàn)在哪里并且該如何解決；

(2)如果實驗值和理論值存在較大偏差，可能的原因是什么？

這樣，學(xué)生在實驗過程中，遇到類似的問題就會主動地尋找問題的原因，通過進一步調(diào)整實驗裝置或糾正操作上的錯誤而解決實驗中出現(xiàn)的各種具體問題.最后，教師總結(jié)實驗過程中學(xué)生可能遇到的各種問題及問題的解決方法.這樣，既培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力,又鍛煉了學(xué)生的動手能力.

3.3 設(shè)計研究性實驗?zāi)K的啟發(fā)策略

設(shè)計研究性實驗?zāi)K的教學(xué)注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).鼓勵學(xué)生通過主動思考善于發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計并提出合理可行的科學(xué)實驗方案.例如，在微波光學(xué)實驗中，可以嘗試僅通過介紹實驗裝置，結(jié)合學(xué)生對光學(xué)理論知識的學(xué)習(xí)和基本實驗技能的掌握，啟發(fā)學(xué)生通過主動思考組裝儀器，設(shè)計可行的實驗項目：如反射實驗、棱鏡折射實驗、駐波法測量波長、單縫衍射、雙縫干涉、偏振實驗、勞埃德鏡及觀察布儒斯特角等.再比如，在分光計測光柵常數(shù)實驗中，當(dāng)學(xué)生提出望遠鏡中二級光譜線亮度太低而無法讀取數(shù)據(jù)時，教師可以通過對分光計儀器構(gòu)造的講解和光路的分析，啟發(fā)學(xué)生分別在光源、光路和望遠鏡這3部分尋找可能的原因.要充分調(diào)動學(xué)生主觀能動性，使學(xué)生積極主動地探索問題的解決途徑，提出合理可行的解決方案.為了獲得足夠清晰的光譜線，學(xué)生通過對儀器反復(fù)調(diào)解和實踐可能找到以下原因及相應(yīng)的解決辦法：

(1)平行光管狹縫太窄導(dǎo)致光強太弱，解決辦法是適當(dāng)調(diào)節(jié)狹縫寬度以增加入射光強度；

(2)光譜線或分劃板模糊不清，解決辦法是調(diào)節(jié)望遠鏡鏡筒位置和目鏡焦距；

(3)背景光太強，通過實踐學(xué)生發(fā)現(xiàn)用書或幾張紙遮擋住外部光線，用手指適當(dāng)遮住一小部分望遠鏡鏡筒可以有效減小背景光的影響進而提高光譜線的清晰度.

問題是思維的起點，發(fā)現(xiàn)問題是創(chuàng)新的前提.在課堂教學(xué)中，要通過啟發(fā)學(xué)生主動提出問題，讓學(xué)生成為課堂教學(xué)的積極參與者，這樣不僅能使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到發(fā)展，而且還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

4 結(jié)束語

綜上所述，大學(xué)物理實驗?zāi)K化課程設(shè)計與階段性啟發(fā)式教學(xué)不僅有利于促進學(xué)生對物理實驗知識的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).將啟發(fā)式教學(xué)靈活應(yīng)用于大學(xué)物理實驗課堂，只要師生共同努力，相信一定可以培養(yǎng)出具有良好科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才.