一種大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

趙朝軍 韓娟 邱文旭 智春艷 劉金秋

摘?要：本文分析了傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問(wèn)題，針對(duì)性地提出了一種設(shè)計(jì)性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)該教學(xué)模式的實(shí)施，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的提高，將逐步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：O41??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?緒論

傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程分為三個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1。首先，教師給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容。其次，教師集合學(xué)生，按照實(shí)驗(yàn)步驟給學(xué)生詳細(xì)演示實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。最后，學(xué)生觀察完實(shí)驗(yàn)操作步驟后，按照教師的演示步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以教師為主體，學(xué)生為客體，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式過(guò)于“理論化”，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程過(guò)于程序化，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新思維。另外，傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏多，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不足。這種知識(shí)體系下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，難以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的興趣，也在一定程度上不能最大限度地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行大膽創(chuàng)新，進(jìn)一步提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

2?設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

本文提出一種大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[1]如圖2。首先，教師提出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[2]名稱(chēng)，班級(jí)學(xué)生進(jìn)行分組，每組學(xué)生針對(duì)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器，自己通過(guò)閱讀論文，查閱資料，網(wǎng)上搜集數(shù)據(jù)等形式確定設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)方案報(bào)告。當(dāng)所有分組的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)方案后，教師組織學(xué)生進(jìn)行分組討論。

圖2?設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

如果相關(guān)分組的同學(xué)實(shí)驗(yàn)方案[3]可行，則進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器，參考預(yù)先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，完成實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。如果相關(guān)分組的同學(xué)實(shí)驗(yàn)方案不可行，則該組同學(xué)需要重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，待分組討論合理后，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室按照實(shí)驗(yàn)方案操作實(shí)驗(yàn)[4]。

等待所有組別同學(xué)完成實(shí)驗(yàn)且處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，每個(gè)組做好整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的PPT，進(jìn)行分組答辯。答辯過(guò)程中，任意同學(xué)可以進(jìn)行答辯環(huán)節(jié)提問(wèn)。待整個(gè)答辯流程結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告和答辯環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)給出最后的總評(píng)成績(jī)。

3?設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)例

例如測(cè)量定值電阻阻值的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生先進(jìn)行分組，分組后每個(gè)小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)收集學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，匯總后有多種實(shí)驗(yàn)方案。

第一個(gè)小組學(xué)生提出用伏安法測(cè)定值電阻的阻值，學(xué)生設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，先利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器連接好電路，設(shè)計(jì)好記錄數(shù)據(jù)的表格，接著按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)記錄電壓表的示數(shù)和電流表的示數(shù)，多次測(cè)量多組數(shù)據(jù)。當(dāng)學(xué)生測(cè)量完數(shù)據(jù)后，緊接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這時(shí)授課教師給該組學(xué)生分配一項(xiàng)任務(wù)，討論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，該組學(xué)生進(jìn)行激烈討論，提出的數(shù)據(jù)處理方法有列表法和作圖法[5]，經(jīng)過(guò)授課教師的指導(dǎo)，該組學(xué)生選擇了作圖法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但作圖法結(jié)合了計(jì)算機(jī)軟件，使得處理數(shù)據(jù)更加快速、高效。

當(dāng)該組學(xué)生完成電路設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理步驟后，授課教師給學(xué)生提出幾個(gè)問(wèn)題，一是如果實(shí)驗(yàn)室只提供電流表而不提供電壓表，如何測(cè)量未知電阻的阻值[6]。授課教師要求該組學(xué)生進(jìn)一步討論，最好能夠設(shè)計(jì)出電路圖。二是如果實(shí)驗(yàn)室只提供電壓表而不提供電流表，如何測(cè)量未知電阻的阻值，授課教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論。

第二個(gè)小組學(xué)生提出用直流電橋法測(cè)定值電阻的阻值。在用該方法測(cè)定值電阻時(shí)，第二小組的同學(xué)又提出兩種方法。第一種按照設(shè)計(jì)的電路圖連接好電路，電路中滑動(dòng)變阻器用分壓式連接，滑動(dòng)觸頭兩邊對(duì)應(yīng)的電阻記為R1和R2，電阻箱記為Rs，未知電阻記為Rx，檢查電路無(wú)誤后，設(shè)置不同的R1R2的數(shù)值，利用直接法的公式Rx=R1R2Rs計(jì)算未知電阻的阻值，最后將多個(gè)Rx的值求平均值，計(jì)算出待測(cè)電阻的阻值，緊接著交換未知電阻Rx和電阻箱Rs的值。第二種方法利用箱式電橋，連接好外圍電源，外接電流表，在箱式電橋中設(shè)置R1R2的數(shù)值，利用直接法公式Rx=R1R2Rs計(jì)算待測(cè)電阻的阻值，共測(cè)三次。第二小組同學(xué)在用自己搭建好的電路測(cè)試未知電阻時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)后出現(xiàn)若干故障。比如電流表的指針未偏轉(zhuǎn)，比如電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，比如電源出現(xiàn)報(bào)警，這時(shí)授課教師不要急于為學(xué)生解決存在的問(wèn)題，可以提示學(xué)生可能存在的原因，該讓學(xué)生自己根據(jù)電路圖及實(shí)物電路查找問(wèn)題，這樣鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，又提升了學(xué)生對(duì)電路的分析[7]能力。

當(dāng)學(xué)生完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)及電路連接和測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，授課教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)電路中經(jīng)常存在的故障及解決方法進(jìn)行總結(jié)，并反思自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8]過(guò)程中的教學(xué)方法。一是要注意電路中是否存在短路現(xiàn)象，當(dāng)存在此現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)該立刻關(guān)閉電源，重新回歸到實(shí)驗(yàn)的電路圖，認(rèn)真分析電路的串、并聯(lián)方式及分析清楚電路中的結(jié)點(diǎn)，主要是要分析清楚電流的流向。二是要注意電路中是否存在斷路現(xiàn)象，當(dāng)存在此現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生也應(yīng)立即切斷電源，認(rèn)真分析電路圖，檢查電路連接，必要時(shí)利用歐姆表等儀器判斷電路中具體位置是否存在斷路現(xiàn)象。這個(gè)過(guò)程中，有小組學(xué)生提出利用歐姆表判斷電路中具體的斷路位置存在一定的困難，這時(shí)授課教師應(yīng)該從最基本的理論講起，給學(xué)生講解該方法的原理，接著為學(xué)生親自演示操作的方法，最后為學(xué)生設(shè)置一定的實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生利用學(xué)到的原理及方法解決對(duì)應(yīng)的實(shí)際問(wèn)題。三是要注意連接電流表時(shí)電流表串聯(lián)在電路中，而電壓表要并聯(lián)在電路中。四是要注意連接滑動(dòng)變阻器時(shí)分清楚滑動(dòng)變阻器的連接方式是分壓式還是限流式，要熟悉滑動(dòng)變阻器的分壓式連接電路和限流式連接電路，大部分的學(xué)生對(duì)滑動(dòng)變阻器的限流式連接比較清楚，但是對(duì)分壓式連接不一定清楚明白，所以授課教師要將分析滑動(dòng)變阻器的分壓式連接作為重點(diǎn)內(nèi)容，詳細(xì)地為學(xué)生分析電流的流向，讓學(xué)生能夠熟練掌握滑動(dòng)變阻器分壓式的連接。四是要注意連接電路時(shí)要斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過(guò)程[9]中，授課教師發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生連接電路時(shí)電源依然打開(kāi)，這樣在連接電路過(guò)程中存在一定的安全隱患。五是要在電路連接完成后，測(cè)量前要先估測(cè)一下所需要的電壓表或電流表的量程，所選擇的電壓表或者電流表的量程不能過(guò)大或者過(guò)小。