改進“實用型”大學物理實驗儀器 促進實驗教學質(zhì)量提高

李景奎 崔金剛 田赫

摘? ? 要：物理實驗儀器的好壞直接影響學生完成物理實驗的效果，更會影響實驗課的教學質(zhì)量。大學物理實驗儀器具有使用率高、儀器數(shù)量大和儀器損壞速度快等特點。自制和改進“實用型”物理實驗儀器是非常必要的，文章闡述了改進“實用型”大學物理實驗儀器的具體方法和步驟，提出“學生參與，教師主導”改進模式，有利于提高實驗儀器利用率和完好率，能夠從本質(zhì)上提高學生實驗水平，提升實驗教師的業(yè)務水平，促進大學物理實驗教學質(zhì)量提高。

關(guān)鍵詞：大學物理實驗;儀器改進;“實用型”;教學質(zhì)量

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）04-0075-03

大學物理實驗是理工科院校的第一門基礎(chǔ)實驗課，是本科生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端，物理實驗的知識、方法和技能是學生進行后續(xù)實踐訓練的基礎(chǔ)[1-2]。經(jīng)過大學物理實驗教學的“洗禮”，能夠使學生受到系統(tǒng)的、嚴格的實驗技能和動手能力訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，更主要的是培養(yǎng)學生的思維能力和創(chuàng)新精神，以及分析和解決實際問題的能力。物理實驗儀器好壞直接影響學生完成物理實驗的效果，更會影響實驗課的教學質(zhì)量[3]。高校經(jīng)過多年的投入，物理實驗室現(xiàn)有儀器設(shè)備和實驗條件已經(jīng)有了較大改善，建立了完善的力、熱、光、電等實驗項目，能夠滿足大學物理實驗基本教學需求。但有些儀器廠家生產(chǎn)的物理儀器設(shè)備，沒有經(jīng)過長期實踐教學檢驗，難免在使用中存在各種缺陷或不足，嚴重影響了實驗效果。另外，大學物理實驗儀器使用率較高、儀器數(shù)量較多、儀器損壞速度較快，還存在部分實驗儀器效率低下，學生無法完成實驗等問題。隨著科技的發(fā)展，部分物理實驗儀器與教學內(nèi)容相對過時，反映新技術(shù)的實驗不能及時得到補充[4]。傳統(tǒng)的物理實驗教學方法較為單一，這些與現(xiàn)代人才培養(yǎng)的要求不相適應，致使物理實驗教學質(zhì)量不能得到明顯提高。要解決現(xiàn)有教學儀器不足和實驗儀器老化，以及部分儀器設(shè)備效率低下，學生無法短時間完成實驗等問題，需要教師自制和改進儀器設(shè)備，補充實驗教學。在教學中注入新的教學理念，通過改進“實用型”大學物理實驗儀器，促進物理實驗教學質(zhì)量提高。

一、改進“實用型”實驗儀器方法步驟

物理實驗技術(shù)改進包括改進現(xiàn)有設(shè)備的使用功能、開發(fā)新的實驗方法和開拓新的實驗項目。改進實驗儀器是在認識該儀器基本理論和原理后，通過操作實驗設(shè)備對儀器的原有設(shè)計和操作進行反思，保持原有實驗設(shè)備設(shè)計方法和設(shè)計思想基礎(chǔ)之上對儀器進行局部改造。首先，對現(xiàn)有實驗儀器進行充分調(diào)研，采取網(wǎng)絡調(diào)查、師生座談、課堂反饋等方式與學生進行溝通，掌握學生對物理實驗教學的意見、態(tài)度，以及要求等情況。了解學生的實驗動手能力與物理知識掌握情況。需要對物理實驗項目發(fā)展進行充分調(diào)研，了解儀器發(fā)展過程，對改進“實用型”大學物理實驗儀器打下前期基礎(chǔ)。其次，研究分析現(xiàn)有儀器，了解現(xiàn)有儀器的優(yōu)缺點，存在嚴重缺陷的進行重點研究，尋找不良儀器的代用品，充分利用現(xiàn)有儀器部件，變廢為寶，改進效率低下的實驗儀器，同時學習該領(lǐng)域先進理論知識，改進實驗教學設(shè)備，增強現(xiàn)有儀器的實用性和穩(wěn)定性。最后，將新改進實驗設(shè)備應用到物理實驗教學中，在實踐教學中發(fā)現(xiàn)新設(shè)備的不足之處，聽取授課教師與學生的反饋意見，進一步改進儀器，完善儀器，最終完成新儀器制造，并進行推廣應用，具體研究方法及技術(shù)路線如圖1所示。

二、改進物理實驗儀器及實驗教學方法的具體實例

（一）“實用型”物理實驗儀器改進實例

液體粘滯系數(shù)測量實驗屬于大學物理實驗中一個基礎(chǔ)實驗。該實驗需要多次從蓖麻油中提起落針，原有儀器取針裝置設(shè)計較為死板，影響實驗操作，當落針在容器底部或距離落針移動線路較遠時，儀器自帶取針裝置很難提起蓖麻油中落針，導致部分學生很難在有限時間內(nèi)完成實驗。原有儀器取針裝置是固定在容器一側(cè)的豎桿上，上下移動從底部提起液體中的落針，當落針在容器底部不處于取針裝置這一側(cè)時，該取針裝置就很難提起落針，并且該取針裝置只能安置一片磁鐵，磁性非常有限。自行設(shè)計的取針裝置如圖2所示，改進之處是：做一個長6cm，寬3cm，厚1.5mm的硬鐵片，中間部位平突起，呈拱形，將2片直徑為2～3cm強磁鐵用強力膠粘貼在一起，并用強力膠將其固定在拱形鐵片的一端，鐵片的另一端（手持部位）稍低、略窄，并打一個小圓孔，用長1m左右的線繩將取針裝置固定在粘度系數(shù)實驗儀上。該新型取針裝置可以從容器底部的任意部位、任意方向?qū)⒁后w中落針提到頂部，從而進行粘度系數(shù)實驗的測量。當取針裝置的磁性不強時，還可以增加磁鐵片的數(shù)量，增強取針裝置的磁性。該裝置設(shè)計簡單，方便操作，能夠縮短提起落針時間，提高學生實驗效率。

（二）實驗教學方法改進實例

全息照相是近代光學實驗中一個非常重要的實驗，其原理是以物理光學為基礎(chǔ)，整個實驗過程是通過干涉記錄，衍射再現(xiàn)來實現(xiàn)的。它需要良好的激光光源（如單橫模He—Ne激光器）、優(yōu)質(zhì)的感光底片（全息干板）和高度穩(wěn)定的實驗裝置。如何利用現(xiàn)有簡單實驗設(shè)備，讓沒有實踐經(jīng)驗的學生，在有限的課堂時間內(nèi)拍攝出高質(zhì)量全息圖是教師一直探索的問題。實驗中，學生調(diào)節(jié)光路時，常常反復調(diào)整、顧此失彼，難以完成實驗任務，也會出現(xiàn)拍攝成功率低，以及全息圖的衍射效率低等問題。在教學實踐中，通常使用米尺測量不同光學元件間的距離，計算物光和參考光光程，再調(diào)整物光和參考光光程，每挪動一個光學元件，都需要重新測量距離，實驗時間都浪費在測量距離這個環(huán)節(jié)上，實驗效率低下，嚴重影響學生學習積極性。改進方法則是采用線繩代替米尺靈活調(diào)整光程，不需要測距離，只需要利用線繩長度以物光為基準，調(diào)整參考光的光程，很快完成此步驟，有事半功倍的效果，具體光路圖設(shè)計如圖3所示，快速調(diào)節(jié)光路的方法為：（1）各元件的光軸與全息臺平行;（2）以物光為基準調(diào)整參考光的光程，使參考光與物光光程相等;（3）物光與參考光夾角在30～60度之間;（4）物光與參考光光強比1∶3～1∶5;（5）物與干板距離大約10cm;（6） 拍攝時關(guān)閉光源，全息干板有藥面一側(cè)迎著入射光;（7）曝光時間15s～1min;（8）沖洗全息干板設(shè)定顯影2～3分鐘，停影20秒，定影5分鐘。學生按照上述方法進行實驗，很快就能調(diào)整好光路，提高實驗成功率，學生獲得成就感，增加了學習大學物理實驗的興趣。

三、引導學生積極參與實驗儀器改進

在傳統(tǒng)應試教育背景下，中學物理的教學方法更多的是注重理論學習，不注重物理實驗教學，沒能通過動手實驗激發(fā)起學生的學習興趣，忽視了物理學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，導致進入大學后，學生的動手能力較差，創(chuàng)新能力不足。而改進物理實驗儀器就是側(cè)重培養(yǎng)學生動手能力，鼓勵創(chuàng)新，給學生創(chuàng)造寬松自由的環(huán)境，潛移默化引導學生積極參與實驗創(chuàng)新和實驗探究。學生的創(chuàng)新能力不是與生俱來的，而是在后天的不斷學習和實踐中逐步養(yǎng)成的。在實驗儀器改進過程中，教師要積極引導學生參與，為學生創(chuàng)新活動提供優(yōu)良平臺，也是貫徹落實教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》的精神，滲透實踐育人理念。改進教學儀器，能夠提高原有物理儀器利用率，更好地為物理實驗教學服務。許多物理實驗如高溫超導、粘滯系數(shù)、橢圓偏振光、全息照相等實驗效率低下，需要改進儀器復雜環(huán)節(jié)，改進實驗部件，提高學生實驗效率。以物理系本科專業(yè)學生為主體，充分利用學生創(chuàng)新項目、光電設(shè)計競賽和本科畢業(yè)論文，使學生積極參與 “實用型”大學物理實驗儀器改進，以激發(fā)學生的學習積極性和主動性為目的，提高學生分析問題、解決問題的能力，實現(xiàn)“學生參與、教師主導”的教學模式。改進物理實驗儀器具有較強啟發(fā)性，不但能傳授學生物理知識，還能啟發(fā)學生思維，促進教與學的統(tǒng)一，從而提高大學物理實驗教學質(zhì)量。改進的儀器設(shè)備最終服務于學生，引導學生參與教學儀器的改進，從本質(zhì)上提高學生的動手能力，從根本上提升大學物理實驗水平。

四、建設(shè)新型實驗教師隊伍

大學物理實驗課程是理工科院校進行實踐教學的“第一課”，也是高校對大學生進行素質(zhì)教育非常重要的環(huán)節(jié)，肩負著培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實踐能力的重擔。實驗教師是大學物理實驗教學的主力軍，沖在物理實驗教學的“最前線”。實驗教師本身的素質(zhì)和業(yè)務能力高低也會直接影響實驗教學的質(zhì)量。隨著時代的發(fā)展，對實驗教師業(yè)務能力提出了更高的要求，改進物理實驗儀器已經(jīng)成為現(xiàn)代實驗教師必備的基本能力。如果一名實驗教師不能在教學中改進實驗儀器，就不能通過創(chuàng)造性的思維對學生產(chǎn)生積極影響。實驗教師應當及時更新理論知識，提升實驗業(yè)務水平。在教學過程中，實驗教師發(fā)現(xiàn)實驗設(shè)備存在問題，就應該及時對實驗儀器進行升級改造，以滿足物理實驗教學需求。改進大學物理實驗儀器需要實驗教師進行主導，經(jīng)過“實用型”大學物理實驗儀器改進的歷練，新時代的實驗教師應具備理論與實踐相結(jié)合的能力，具備講課、儀器維修、調(diào)試和計算機軟件的應用等各項能力，并能夠解決實驗教學中儀器損壞等突發(fā)事件的能力。高校“實用型”大學物理實驗儀器改進應形成常態(tài)化，促進實驗教師不斷成長和進步。改進效率低下的實驗儀器是一項具有綜合性質(zhì)的工作，實驗教師只有積極地進行儀器改進，才能滿足大學物理實驗教學需求，取得滿意的實驗教學效果。在開發(fā)和改進儀器過程中，高校應全面提升實驗教師的業(yè)務水平，促進實驗教學質(zhì)量的提高，培養(yǎng)具有儀器設(shè)計能力和維護能力的新型實驗教師隊伍。

五、結(jié)論與展望

隨著科技的進步，電子技術(shù)的發(fā)展越來越快，物理實驗教學儀器也向著集中化、智能化和自動化等方向發(fā)展，很多教學儀器不能完全滿足大學物理實驗教學的目的。改進物理實驗儀器能夠解決現(xiàn)有儀器不足和儀器老化，以及部分實驗儀器效率低下，學生無法完成實驗等問題，有利于提高實驗儀器利用率和完好率，提高學生實驗效率。如果改進實驗儀器后的教學實踐效果良好，還可以在大學物理實驗課程中推廣實施。在儀器開發(fā)改進過程中可以啟發(fā)學生思維，促進學生智能發(fā)展，實現(xiàn)教與學的統(tǒng)一，從本質(zhì)上提高學生實驗水平，提升實驗教師的業(yè)務水平，促進大學物理實驗教學質(zhì)量的提高。改進“實用型”實驗儀器在激發(fā)學生創(chuàng)新意識和提高學生綜合應用能力等方面會發(fā)揮更大作用。儀器改進過程能夠積極引導學生主動學習科學知識，掌握基本技能，提高科學素養(yǎng)，能夠培養(yǎng)學生認真嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，積極主動的探索精神。應該使“實用型”大學物理實驗儀器改進形成常態(tài)化，促進實驗教師不斷成長和進步，提高大學物理實驗的教學質(zhì)量，使物理實驗教學從單一型向多元化發(fā)展。

參考文獻：

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■ 編輯∕丁俊玲