新形勢(shì)下近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

潮洛蒙 劉 佳

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)<理學(xué)院>，內(nèi)蒙古 包頭014010）

物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，是自然科學(xué)以及高新技術(shù)的重要基礎(chǔ)，因此物理教學(xué)在高等教育中起著非常重要的作用。教育部在《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020）》中明確指出“支持學(xué)生參與科學(xué)研究，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)”。近代物理實(shí)驗(yàn)是高等院校物理學(xué)或應(yīng)用物理學(xué)等物理類相關(guān)專業(yè)在普通物理理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上開設(shè)的一門非常重要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)必修課程。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，可掌握一些較先進(jìn)的和綜合性的實(shí)驗(yàn)方法和技能，加深對(duì)近代物理的一些重要概念和規(guī)律的理解，擴(kuò)大知識(shí)面，培養(yǎng)初步的獨(dú)立的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究能力。因此，從實(shí)踐教學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，強(qiáng)化并提升近代物理實(shí)驗(yàn)課程的意義重大。

近代物理實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容一般包括近代物理發(fā)展史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)及重大成就，尤其是20世紀(jì)以來(lái)的一些里程碑式實(shí)驗(yàn)，涉及電、磁、光等物理學(xué)的多個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)容。隨著社會(huì)的發(fā)展，近代物理實(shí)驗(yàn)在高校物理教學(xué)當(dāng)中的重要性也越發(fā)突出。因?yàn)槭艿叫畔r(shí)代的影響，學(xué)生越來(lái)越難把注意力完全集中到理論課堂上。而相對(duì)于理論課程而言，實(shí)驗(yàn)課程更能使學(xué)生把注意力集中到知識(shí)的獲取上，對(duì)學(xué)生養(yǎng)成探索精神及創(chuàng)新意識(shí)方面有著非常重要的作用，但同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的問題。近年來(lái)很多高校在國(guó)家的號(hào)召下推進(jìn)雙一流建設(shè)，而培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[2]，這就要求各高校應(yīng)根據(jù)存在的問題積極對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)用技能，以適應(yīng)國(guó)家大力推進(jìn)的學(xué)科建設(shè)需要。我們結(jié)合我們學(xué)院的實(shí)際情況，對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了一系列的改革，收到了較好的效果。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)

首先，不管是從內(nèi)容上還是層次上，近代物理實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程要分開。很多教學(xué)效果很好的學(xué)校在物理學(xué)相關(guān)專業(yè)的課程中把近代物理實(shí)驗(yàn)課程放在比大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)更高的層次，其教學(xué)目的各自不同[2]。因此，近代物理實(shí)驗(yàn)課程中除了傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)以外,更應(yīng)加強(qiáng)能夠展現(xiàn)物理學(xué)前沿動(dòng)態(tài)的一些綜合性、開放性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使學(xué)生能夠真正地對(duì)所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索與體驗(yàn)，并在此過(guò)程中領(lǐng)會(huì)其中的物理思想。除此之外，隨著近幾年各學(xué)校的教學(xué)改革，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開設(shè)了一些傳統(tǒng)的、經(jīng)典的近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以我們學(xué)院為例，這幾年大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)新增了弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)，邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)，金屬電子逸出功測(cè)量等實(shí)驗(yàn)，這與部分近代物理實(shí)驗(yàn)課程出現(xiàn)了內(nèi)容上的重疊。因此近代物理實(shí)驗(yàn)課程迫切地需要引入新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容，以便能更好地體現(xiàn)該課程的時(shí)代性和先進(jìn)性。比如，我們實(shí)驗(yàn)室近期增加了磁耦合無(wú)線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Wireless Electricity,WiTricity）是2007年由麻省理工學(xué)院Marin Soljacic教授團(tuán) 隊(duì)提出，因此該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵霎?dāng)前物理學(xué)前沿，具有很好的先進(jìn)性。學(xué)生可搭建磁耦合諧振式電能無(wú)線傳輸系統(tǒng)，可做無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)等當(dāng)下常見的新技術(shù)。這種教學(xué)、科研為一體的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有很好的推動(dòng)作用。

2 加強(qiáng)與學(xué)科建設(shè)和科研方向的結(jié)合

上面說(shuō)到近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要及時(shí)調(diào)整及改革，這時(shí)候可以考慮與學(xué)院的學(xué)科建設(shè)和科研方向相結(jié)合拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。我們知道，物理學(xué)方向與很多前沿技術(shù)緊密聯(lián)系在一起，有不少學(xué)生畢業(yè)時(shí)會(huì)選擇考研繼續(xù)深造。同時(shí)很多學(xué)校學(xué)院都有自己重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科方向和科研方向。因此安排近代物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的時(shí)候，如果能跟本校的學(xué)科建設(shè)或科研方向相結(jié)合的話，不管是對(duì)學(xué)生本身將來(lái)的發(fā)展道路還是對(duì)學(xué)校的學(xué)科建設(shè)方向，都有很大的促進(jìn)作用。以我們學(xué)院為例，針對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博稀土礦區(qū)而建立了兩個(gè)重點(diǎn)學(xué)科方向，分別為磁性材料及固體廢棄物資源綜合利用。我院在這兩個(gè)方向上已經(jīng)具有了很強(qiáng)的科研優(yōu)勢(shì)，在這些領(lǐng)域上的研究達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。其中自治區(qū)級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和自治區(qū)級(jí)工程技術(shù)研究中心給該方向的材料研究提供了非常好的科研平臺(tái)。眾所周知，材料支撐著人類文明，材料物理專業(yè)是國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，是理工類專業(yè)里面不可或缺的重要組成部分。材料物理涉及凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體物理、固體物理、金屬物理、微電子器件等物理學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，可見其綜合性之強(qiáng)。因此，如果在近代物理實(shí)驗(yàn)課程里適當(dāng)?shù)陌才挪牧峡茖W(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，則對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)，提升其創(chuàng)造力及創(chuàng)新精神具有很大的推動(dòng)作用。鑒于此，我們根據(jù)本學(xué)院的學(xué)科特色，在近代物理實(shí)驗(yàn)中安排了磁致伸縮材料特性測(cè)量、鐵磁共振實(shí)驗(yàn)、材料維氏硬度及密度測(cè)量實(shí)驗(yàn)、X射線衍射物相定性分析等與學(xué)科方向相關(guān)的一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。這樣既能提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)也能給繼續(xù)深造的學(xué)生打下一個(gè)很好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)合地方資源特色服務(wù)地方產(chǎn)業(yè)

安排調(diào)整實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的時(shí)候除了考慮學(xué)科以及科研方向，也可以考慮地方特色。以我們內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，一方面土地面積寬廣，陽(yáng)光資源充足，硅礦儲(chǔ)量豐富；另一方面全區(qū)可開發(fā)風(fēng)能資源為1.50億千瓦，約占全國(guó)風(fēng)能資源可開發(fā)量的50%，風(fēng)能資源儲(chǔ)量居全國(guó)首位。因此，國(guó)家提倡在內(nèi)蒙古大力發(fā)展光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，近幾年當(dāng)?shù)匾捕嗔撕芏嘞嚓P(guān)企業(yè)，而這些企業(yè)也成了物理類專業(yè)學(xué)生擇業(yè)的一個(gè)選擇方向?？紤]到這一點(diǎn)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)項(xiàng)目中增加了太陽(yáng)能電池特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)以及多功能風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這樣一方面對(duì)學(xué)生將來(lái)的發(fā)展起到一定的直接作用，另一方面也為地方發(fā)展做出一些貢獻(xiàn)。

4 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開設(shè)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究的重要載體。隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的成熟，人們開始認(rèn)識(shí)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在教育領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值，它除了可以輔助高校的科研工作,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面也具有諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)的許多高校都根據(jù)自身科研和教學(xué)的需求建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室，把虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)重要的發(fā)展方向。物理學(xué)中有很多先進(jìn)性的或者高端的實(shí)驗(yàn)會(huì)涉及如下情況：本科實(shí)驗(yàn)課程中真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難；涉及高危或極端環(huán)境；高成本、高消耗、不可逆操作的實(shí)驗(yàn)。這時(shí)候虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是最好的解決方案。比如，以“磁控濺射鍍膜和AFM在氫化納米硅制作過(guò)程中的應(yīng)用”實(shí)驗(yàn)為例：磁控濺射和原子力顯微鏡（AFM）是制備與表征薄膜材料的常見物理方法，也是高階大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然而這類實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備高端，材料昂貴，實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有危險(xiǎn)性，不適合大面積開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此時(shí)我們可以用三維虛擬仿真技術(shù)高度還原實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，100%仿真模擬磁控濺射設(shè)備制備氫化納米硅薄膜以及利用原子力顯微鏡表征薄膜表面形貌的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可培養(yǎng)學(xué)生在相關(guān)方向上的動(dòng)手能力和探索科學(xué)的研究能力。我們?cè)诮锢韺?shí)驗(yàn)課程中安排了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后取得了良好的教學(xué)效果。其中有一部分是與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相結(jié)合的，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前先上虛擬仿真部分的內(nèi)容。這樣虛實(shí)結(jié)合的好處就是學(xué)生更容易了解實(shí)驗(yàn)原理以及掌握操作過(guò)程，在做實(shí)際實(shí)驗(yàn)的時(shí)候避免了很多操作失誤，并且對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的掌握會(huì)更好。

5 結(jié)語(yǔ)

近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)以學(xué)生發(fā)展為本，跟上時(shí)代的步伐，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容需要及時(shí)調(diào)整，積極營(yíng)造創(chuàng)新的、開放性的氛圍，對(duì)課程進(jìn)行教學(xué)改革時(shí)可以適當(dāng)?shù)乜紤]本校或本專業(yè)的學(xué)科建設(shè)及優(yōu)勢(shì)科研方向，也可以根據(jù)地方特色做一些調(diào)整，還可增加虛擬仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的廣度?？傊Ｍ鞲咝?duì)近代物理實(shí)驗(yàn)課程給予更多的重視，并進(jìn)行有效的改革，使近代物理實(shí)驗(yàn)更好地發(fā)展，為更有效地建立國(guó)家創(chuàng)新教育體系服務(wù)。