大學(xué)物理實驗教學(xué)改革的探討與實踐*

檀姍姍 黃 蕊 孫宗利 翟永安 張君霞 彭增偉

(華北電力大學(xué)科技學(xué)院 河北 保定 071051)

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運動形式、相互作用及其轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科.它的基本概念、基本理論滲透在自然科學(xué)的各個領(lǐng)域，應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)的許多部門，是自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ).在人類追求真理、探索未知世界的過程中，物理學(xué)展現(xiàn)了一系列科學(xué)的世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質(zhì)世界的基本認(rèn)識、人類的思維方式和社會生活，是人類文明的基石，在人才的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中具有重要的地位.

物理學(xué)本質(zhì)上是一門實驗科學(xué).物理概念的建立、規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都以嚴(yán)格的科學(xué)實驗為基礎(chǔ)，并通過實驗來證實，因此物理實驗在物理學(xué)的發(fā)展過程中起著重要的和直接的推動作用[1].在大學(xué)物理實驗課程中開設(shè)的實驗, 有的在物理學(xué)和科學(xué)的發(fā)展史上發(fā)揮過重要里程碑的作用，有的實驗所涉及的設(shè)計思想、實驗方法和實驗技術(shù)正在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用.通過學(xué)習(xí)某些前沿領(lǐng)域中的近代物理實驗，可以開闊學(xué)生的眼界，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生使用新設(shè)備、新儀器及應(yīng)用新技術(shù)的能力.

1 國內(nèi)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 教學(xué)模式的不同

根據(jù)各高校的實際情況，國內(nèi)物理實驗教學(xué)模

式基本可以分為兩種.

1.1.1 教師負(fù)責(zé)固定實驗的教學(xué)模式

這種教學(xué)模式在綜合類院校，特別是缺少專門物理實驗教師的高校比較常見，一般是物理任課教師在負(fù)責(zé)大學(xué)物理課程教學(xué)任務(wù)的同時，也負(fù)責(zé)學(xué)校所有必修物理實驗學(xué)生的大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)任務(wù).基本的教學(xué)流程為：第一，教師講解實驗，講解內(nèi)容包括實驗原理、儀器介紹、儀器使用注意事項和演示操作4個部分.第二，學(xué)生做實驗，學(xué)生按照教師演示的實驗操作，結(jié)合實驗原理完成實驗.第三，完成實驗報告，根據(jù)每一個實驗的要求，結(jié)合自己測量獲得的實驗原始數(shù)據(jù)，完成實驗報告.這種教學(xué)模式優(yōu)缺點參半，優(yōu)點是教師負(fù)責(zé)固定的實驗，可以游刃有余地把握所負(fù)責(zé)實驗的各個環(huán)節(jié)，不管學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)什么問題，都可以根據(jù)往常積累的經(jīng)驗和儀器的特性及時解決，而且這種模式也有利于儀器維護和維修，同時提高學(xué)生的實驗效率，保證絕大部分學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗.缺點是由于學(xué)生的不固定性，教師沒辦法進行教學(xué)改革和學(xué)習(xí)效果的跟蹤，且容易使學(xué)生養(yǎng)成課前不認(rèn)真預(yù)習(xí)(甚至不預(yù)習(xí))的習(xí)慣，絕大多數(shù)學(xué)生都是聽教師講完后一邊看書一邊做實驗，所謂做實驗就是測數(shù)據(jù)，至于實驗的真正目的是什么，為什么要這么做，學(xué)生根本不愿去思考.另外，教師對實驗成績的評定也主要是以數(shù)據(jù)或報告為主，對實驗過程的評價稍顯欠缺，這也是導(dǎo)致學(xué)生重結(jié)果、輕過程，甚至為了成績而去偽造數(shù)據(jù)的重要因素.

1.1.2 教師跟班制的教學(xué)模式

與教師負(fù)責(zé)固定實驗的教學(xué)模式不同，教師跟班制由一名教師負(fù)責(zé)若干自然班級或若干實驗組一學(xué)期全部的實驗課程.實驗項目的選取、實驗前儀器的準(zhǔn)備、實驗室的調(diào)配等都由該教師有針對性地安排[2].每位教師要負(fù)責(zé)10個左右的實驗，任課教師不僅需要熟練掌握這些實驗，同時還需要不斷補充與之相關(guān)的新的實驗方法與手段，這樣一來，跟班制教學(xué)對任課教師提出了更高的要求，同時對實驗室的調(diào)配、交接及實驗器材的維護也提出了新的挑戰(zhàn).這種教學(xué)模式，要求每位教師針對所帶學(xué)生的所學(xué)專業(yè)特點、學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識掌握程度，對一學(xué)期的實驗課程做出合理的統(tǒng)籌規(guī)劃，把彼此孤立的實驗結(jié)合成一個整體.同時，也要求教師認(rèn)識所帶實驗教學(xué)班的每一個學(xué)生，根據(jù)每堂課每個學(xué)生的表現(xiàn)，深入了解他們對大學(xué)物理實驗這門課的認(rèn)知程度，從而制訂出最優(yōu)的教學(xué)方法.學(xué)生熟悉并了解任課教師的教學(xué)方法后，可以隨時根據(jù)自己實驗中出現(xiàn)的問題與老師進行溝通交流，更深入地理解掌握各個物理實驗，加強各實驗之間的聯(lián)系，提高自己的實驗素養(yǎng).

1.2 教學(xué)方法的差別

1.2.1 教師講授式

教師講授模式是大部分高校實驗室采取的實驗教學(xué)法.教師講解實驗原理、實驗儀器和實驗操作步驟，學(xué)生按照固定模式完成實驗，記錄原始數(shù)據(jù)，課下再計算數(shù)據(jù)處理及誤差分析.完成整個實驗的過程中，學(xué)生都在按照教師的要求及教師的操作步驟完成實驗，這樣的傳統(tǒng)教學(xué)方法不能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)實驗的積極性和主動性，在激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力方面更顯得捉襟見肘.

1.2.2 多元化教學(xué)法

多元化教學(xué)法對實驗教師的要求高于教師講授式.多元化教學(xué)法要求教師準(zhǔn)確定位各個實驗的難易程度，并將各個實驗與日常生活的契合度作出分析.在講解實驗時，可以靈活引入與實驗相關(guān)的多媒體素材，且可以使用各種不同的教學(xué)軟件和平臺，更完美地將實驗呈現(xiàn)在學(xué)生面前.比如，可以通過翻轉(zhuǎn)課堂達到學(xué)生課前自學(xué)實驗的目的[3].比如在“楊氏彈性模量的測量”這個實驗中，在望遠(yuǎn)鏡中找到標(biāo)尺的像是這個實驗的關(guān)鍵，由于講解過程中，學(xué)生看不到望遠(yuǎn)鏡中呈現(xiàn)出的圖像，這種情況下，教師講解費時費力，但學(xué)生接收度很低，甚至大部分學(xué)生不知所云.導(dǎo)致學(xué)生在調(diào)整儀器過程中，會花很長時間才能找到標(biāo)尺的像，很多學(xué)生都不可能在規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗，最后就變成惡性循環(huán)，編數(shù)據(jù)，抄數(shù)據(jù).鑒于這樣的情況，教師可以事先錄制一個簡短的視頻，把望遠(yuǎn)鏡目鏡中的視野清晰直觀地錄到視頻中，同時把調(diào)整儀器的方法、要點，步驟，以及可能出現(xiàn)的現(xiàn)象等，都一一反映在視頻中.學(xué)生課前預(yù)習(xí)時，除了預(yù)習(xí)書本上的理論知識，還要觀看視頻，課上學(xué)生調(diào)節(jié)儀器時，對儀器調(diào)節(jié)已經(jīng)有一個基本的了解，操作起來才會有較高效率，也會對實驗有較深刻的認(rèn)識.

1.3 課程考核方式的不同

1.3.1 平時成績+期末成績

開課之前，物理實驗室會根據(jù)實驗室現(xiàn)有的儀器設(shè)備制定出本學(xué)期需要學(xué)生完成的物理實驗內(nèi)容，并提前制定學(xué)生實驗成績的分布比例.比如，實驗滿分為100分，在計劃學(xué)時內(nèi)，學(xué)生根據(jù)教師的要求完成8個實驗，每個實驗分?jǐn)?shù)設(shè)定為10分，剩余20分以考試的形式完成.由實驗教師制定實驗題目，要求學(xué)生獨立操作完成，并在考試時間內(nèi)做出相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，教師根據(jù)學(xué)生的操作和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，給出考試分?jǐn)?shù)，這種考核方式是大部分院校的課程考核方式.

1.3.2 指定實驗+設(shè)計性實驗

這種考核方式的最終分?jǐn)?shù)由指定的幾個實驗分?jǐn)?shù)和學(xué)生設(shè)計性實驗兩部分組成，比例要按照實際情況來定[4].關(guān)于設(shè)計性實驗的設(shè)定，教師可以根據(jù)學(xué)生平時學(xué)習(xí)的情況，給出實驗題目，讓學(xué)生通過查資料的方式，用日常生活中可以找到的物品作為實驗器材，獨立設(shè)計出一套完整的實驗方案，并完成.實驗操作過程可以錄成視頻交予教師查閱，同時學(xué)生可設(shè)計并完成一份完整的報告，包括原理、方法、步驟和數(shù)據(jù)處理、誤差分析，或者讓學(xué)生寫一份完整的調(diào)研報告，如果能鼓勵學(xué)生以自創(chuàng)小論文或自創(chuàng)實驗工具的形式將自己設(shè)計的實驗進行發(fā)表和展示更佳.這種考核方式對學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力要求較高，在培養(yǎng)學(xué)生獨立思考能力和動手能力方面能起到很好的作用.

2 在實際教學(xué)中進行的實驗教學(xué)改革

2.1 教學(xué)模式的改革

我校的大學(xué)物理實驗為全院的理工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)，分兩個學(xué)期，分別在大一后半學(xué)期和大二前半學(xué)期.大學(xué)物理實驗在前幾年一直采用的是教師負(fù)責(zé)固定實驗的教學(xué)模式，在2020年新冠疫情的大背景下，為了方便組織和聯(lián)系學(xué)生，也為了促進教學(xué)與實驗的結(jié)合統(tǒng)一，提高學(xué)生實驗學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性和積極性，針對2019級學(xué)生，物理教研室將2019-2020-2學(xué)期的大學(xué)物理實驗課程轉(zhuǎn)為線上開展，同時，一改教師負(fù)責(zé)固定實驗的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)為教師跟班制的教學(xué)模式.在2019-2020-2學(xué)期大學(xué)物理實驗開課之前，物理教研室的教師們作了充分的調(diào)研與準(zhǔn)備工作，多次開會討論修訂教學(xué)大綱、制定教學(xué)計劃，審定教學(xué)設(shè)計、制定讓學(xué)生宅在家就可以操作的物理實驗內(nèi)容.2020-2021-1學(xué)期，疫情得到有效控制，教師和學(xué)生返回學(xué)校，返回課堂.針對大學(xué)物理實驗，物理教研室的教師們經(jīng)過開會討論，決定仍然采用教師跟班制的教學(xué)模式.結(jié)合大學(xué)物理所授內(nèi)容和實驗室實際情況，通過開展教師集體備課活動，發(fā)揮團隊優(yōu)勢，物理教研室的教師們制定了合理的實驗方案、實驗室維護及調(diào)配方案等系列內(nèi)容，來解決此次教學(xué)改革面臨的種種挑戰(zhàn).

2.2 教學(xué)方法的改革

15～18級學(xué)生的實驗課堂采取的教學(xué)方式是教師講授式，以教師講解實驗原理和演示實驗為主，教師講完后，學(xué)生按照教師的要求按部就班完成實驗并測得原始數(shù)據(jù)即可離開實驗室進行課下數(shù)據(jù)處理和實驗報告的撰寫.

針對2019級學(xué)生，2019-2020-2學(xué)期的大學(xué)物理實驗課程在線上開展，由于居家實驗帶來的不便，只能讓學(xué)生就地取材，設(shè)計若干個與大學(xué)物理內(nèi)容相關(guān)的實驗，比如拉脫法測液體表面張力系數(shù)、固體表面的浸潤和疏水性質(zhì)的實驗觀測等.教學(xué)方法采取的是線上教學(xué)的方式，與在校完成實驗教學(xué)不同，居家實驗教學(xué)過程中，教師會詳細(xì)講解每個實驗涉及到的原理，并對自己預(yù)先做的實驗以圖片或視頻的形式展示給學(xué)生，并對學(xué)生居家操作實驗給出適當(dāng)建議.在這種大背景下，對學(xué)生設(shè)計實驗和動手操作能力提出較大挑戰(zhàn).盡管如此，本學(xué)期大部分學(xué)生都能夠較好完成實驗.

2020-2021-1學(xué)期，學(xué)生返校以后，經(jīng)過教研室討論，一致認(rèn)為往年采用的教師講授式不能激發(fā)學(xué)生的實驗積極性，在采取教師跟班制教學(xué)模式的同時，鼓勵各位教師在講解實驗時，適當(dāng)在課前選用教學(xué)軟件或教學(xué)平臺給學(xué)生發(fā)布實驗預(yù)習(xí)信息及與實驗相關(guān)的多媒體素材.在教學(xué)過程中，教師們用到的教學(xué)軟件和平臺有釘釘、課堂派、中國大學(xué)MOOC等.針對不同實驗，制作和搜集了不同的多媒體素材，包括圖片、視頻等.圖1是講解邁克爾孫干涉實驗前，預(yù)先拍攝的實驗儀器圖，圖2為邁克爾孫干涉實驗儀接收屏上的干涉圖樣，圖3是講解密立根油滴實驗前，預(yù)先拍攝的儀器顯示屏中看到的油滴圖像，圖4是講解楊氏彈性模量測量實驗前，預(yù)先拍攝“三點一線”圖，圖5為望遠(yuǎn)鏡中看到的標(biāo)尺的像.

圖1 邁克爾孫干涉實驗儀

圖2 邁克爾孫干涉圖樣

圖3 密立根油滴實驗拍攝圖

圖4 楊氏模量測量“三點一線”圖

圖5 望遠(yuǎn)鏡中看到的標(biāo)尺像

2.3 課程考核方式的改革

15～18級學(xué)生的實驗課程考核方式相同，最終成績的計算公式為：實驗分?jǐn)?shù)=緒論部分測試(滿分100分)×0.2+單次實驗成績(滿分10分)×8.這種考核方式要求物理教研室在學(xué)期初就選定本學(xué)期要做的8個物理實驗，并對每個實驗分?jǐn)?shù)的配比做出統(tǒng)一規(guī)定，雖然在給分時，也是預(yù)習(xí)、操作、實驗報告3個部分的結(jié)合，但多數(shù)情況下，教師都是根據(jù)學(xué)生的實驗報告給出最終分?jǐn)?shù).

2019-2020-2學(xué)期，19級學(xué)生居家實驗，實驗總成績的計算公式為：實驗分?jǐn)?shù)=緒論部分測試(滿分100分)×0.2+單次實驗成績(滿分10分)×8，雖然公式與之前的實驗成績計算公式相同，但學(xué)生的每一個實驗要交兩個作業(yè)，一部分是實驗操作視頻，視頻中要求學(xué)生拍攝完整的實驗操作過程并進行相應(yīng)的解說，另一部分是本次實驗的實驗報告，實驗報告由學(xué)生自己設(shè)計，但也應(yīng)該包括實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗原始數(shù)據(jù)的測量、數(shù)據(jù)處理及實驗總結(jié).單次實驗分?jǐn)?shù)更看重學(xué)生拍攝的實驗操作視頻.2020-2021-1學(xué)期，19級學(xué)生返回學(xué)校，有了上學(xué)期新式實驗課程考核方式的基礎(chǔ)，經(jīng)過教研室開會研討，決定制定新的課程考核方式，首先從制定實驗的方向進行改革，由原來的制定8個固定實驗改為指定實驗+設(shè)計性實驗的方式，指定的6個實驗為密立根油滴實驗、剛體轉(zhuǎn)動慣量的測量、示波器的使用、聲速的測量等.設(shè)計性實驗包括插針法測量水的折射率和單擺測重力加速度.考核方式也更靈活，特別在考核設(shè)計性實驗時，學(xué)生設(shè)計的實驗方案、實驗可行性和實驗操作是關(guān)鍵給分點.在這種考核方式下，更能激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，在培養(yǎng)學(xué)生動手能力方面也大有益處.

3 實驗教學(xué)改革成果

表1是華北電力大學(xué)科技學(xué)院15級學(xué)生到19級學(xué)生兩個學(xué)期的實驗成績數(shù)據(jù).

表1 15～19級上、下學(xué)期物理實驗成績分布表

從表1可以得到以下結(jié)論：

不論哪一級的學(xué)生，優(yōu)秀、良好和中等3個分?jǐn)?shù)段所占比例都是第二學(xué)期要高于第一學(xué)期，這個結(jié)果是在意料之中的.學(xué)生從第一學(xué)期開始接觸物理實驗，并不熟悉物理實驗的整個流程和各個實驗教師的要求，因此對物理實驗的關(guān)注度不夠，學(xué)習(xí)物理實驗的相關(guān)原理和操作積極性不高，且物理實驗成績不是采取集中考試的形式判定，而是由各個物理實驗分?jǐn)?shù)疊加的總和構(gòu)成，以上原因使得學(xué)生在第一學(xué)期對大學(xué)物理實驗的重視程度有所欠缺，直接導(dǎo)致整體成績不理想.有了第一學(xué)期的經(jīng)驗教訓(xùn)，學(xué)生在第二學(xué)期，對物理實驗會有新的認(rèn)識，對自己也會有較高的要求，不管是在聽老師講解的過程中，在實際操作中，還是在課后完成實驗報告時，都比較認(rèn)真，這也是第二學(xué)期整體成績比第一學(xué)期好得多的根本原因.

對于19級學(xué)生，在教學(xué)模式方面，采用的是教師跟班制的教學(xué)模式，在教學(xué)方法方面，采用的是多元化的教學(xué)方法，在課程考核方式方面，更注重學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和動手能力.雖然由于疫情的原因，第一學(xué)期的物理實驗由教師確定實驗題目，安排學(xué)生在家就地取材進行，但由數(shù)據(jù)也可看出，優(yōu)秀和良好的占比率也要比之前任意一屆高出許多.第二學(xué)期返校以后，每位教師的教學(xué)靈活性更高.每次上課前可以隨時抽查學(xué)生的課前預(yù)習(xí)情況，很好地解決了以往學(xué)生不預(yù)習(xí)的情況.實驗講解過程中，教師可以根據(jù)自己所帶學(xué)生的理論課學(xué)習(xí)情況，將每個實驗用到的理論原理知識和實驗很好地結(jié)合起來，講解實驗的過程，也是復(fù)習(xí)和鞏固理論知識的過程.與此同時，結(jié)合各種多媒體素材也更能調(diào)動學(xué)生對實驗的學(xué)習(xí)積極性.學(xué)生在獨立操作時，教師可以根據(jù)每位學(xué)生的表現(xiàn)給予及時的指導(dǎo)、糾正和建議，從而使學(xué)生的實驗完成得更順利.課下，學(xué)生也會根據(jù)自己實驗老師對每一個實驗提出的要求，撰寫實驗報告，不會因為不同實驗由不同的教師負(fù)責(zé)，對學(xué)生的要求不同而導(dǎo)致學(xué)生寫報告時有手足無措的情況發(fā)生.在緊抓實驗各個環(huán)節(jié)的前提下，整體實驗成績確實有了很大的提高.

4 總結(jié)

物理實驗課是高等理工科院校對學(xué)生進行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修基礎(chǔ)課程，是本科生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端.物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法和手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗?zāi)芰?、提高科學(xué)素質(zhì)的重要基礎(chǔ).因此，在進行大學(xué)物理實驗教學(xué)時，一定要結(jié)合學(xué)生的綜合素養(yǎng)、各學(xué)校的具體情況，選擇合適的物理實驗教學(xué)模式，采用多元化的教學(xué)方法、靈活的課程考核方式，讓學(xué)生從物理實驗課程中，能真正有所收獲，比如獨立實驗?zāi)芰?、分析與研究能力、理論聯(lián)系實際的能力以及創(chuàng)新能力等的培養(yǎng).同時，大學(xué)物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新意識、理論聯(lián)系實際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用.