聲速測量實(shí)驗(yàn)中思政融入和教學(xué)的改革探討

曹京曉，李秋澤，李新忠，鞏曉陽

（河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院，河南 洛陽 471000）

0 引言

自2016年“十三五”發(fā)展規(guī)劃提出以來，國家各部門編制、印發(fā)一系列科技創(chuàng)新政策文件，向人們發(fā)出“創(chuàng)新支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展”的導(dǎo)向[1-3]，從科技領(lǐng)域到投資領(lǐng)域，從營商領(lǐng)域到加工貿(mào)易領(lǐng)域等。這使得全社會(huì)各行各業(yè)對(duì)創(chuàng)新的渴求越來越迫切。然而創(chuàng)新需要人才的支撐，需要擁有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)理論、具有較強(qiáng)基本能力的各專業(yè)合格的高素質(zhì)工作者。這一發(fā)展導(dǎo)向?qū)θ珖叩冉逃岢隽烁叩钠谕鸵螅苿?dòng)高等教育不斷創(chuàng)新發(fā)展，出現(xiàn)新理念、新方法和新的教學(xué)設(shè)計(jì)。

大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理是高校理工科各專業(yè)的一門能力要求很強(qiáng)的實(shí)踐性基礎(chǔ)課程，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后受到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的重要基礎(chǔ)。通過大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理課程的訓(xùn)練，學(xué)生的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、分析與研究的能力、理論聯(lián)系實(shí)際解決現(xiàn)實(shí)問題的能力及創(chuàng)新能力都會(huì)得到有效的提高。同時(shí)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)也會(huì)得到培養(yǎng)和提高。然而傳統(tǒng)的大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)方式差強(qiáng)人意，簡單描述如下：

（1）上實(shí)驗(yàn)課之前，學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)實(shí)驗(yàn)物理內(nèi)容，書寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告；

（2）上課時(shí)，教師講解實(shí)驗(yàn)物理的相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材及實(shí)驗(yàn)原理，介紹部分實(shí)驗(yàn)儀器的使用方法，說明實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)。學(xué)生根據(jù)自己的預(yù)習(xí)情況和教師的講解及提示，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求完成相關(guān)數(shù)據(jù)測試。

（3）實(shí)驗(yàn)課結(jié)束之后，學(xué)生按課程要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告中數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理部分內(nèi)容，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)，從而完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交報(bào)告給教師批改。

從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式可知，它存在的主要問題分析如下：

（1）由于缺少學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)激情，學(xué)生實(shí)驗(yàn)課前的預(yù)習(xí)效果并不是很好。即使實(shí)驗(yàn)教材上有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)里包含與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的電子課件或講解視頻等學(xué)習(xí)資料，極少有學(xué)生通過掃描實(shí)驗(yàn)教材上的二維碼了解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。大部分學(xué)生還是傾向于傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式。他們僅僅將實(shí)驗(yàn)教材上與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的內(nèi)容，例如實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)原理等抄寫到實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙上來完成實(shí)驗(yàn)課程的預(yù)習(xí)。由于上實(shí)驗(yàn)課之前預(yù)習(xí)缺少分析和思考的過程，學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室上課時(shí)針對(duì)性和目的性不強(qiáng)，常有一知半解的情況。

（2）教師在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過程中，往往流程化地講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)原理，甚至演示實(shí)驗(yàn)過程中的每一步操作，啟發(fā)式的提問和交互式的討論較少，這直接影響了學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課的熱情，阻礙學(xué)生自主解決問題的能力的發(fā)展。有一部分學(xué)生實(shí)驗(yàn)課期間動(dòng)手操作環(huán)節(jié)較少，一發(fā)現(xiàn)問題就向教師詢問。甚至有學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整體把握，每完成一部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容就詢問教師接下來做什么。由此可見，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)很難實(shí)現(xiàn)通過實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練有效提高學(xué)生獨(dú)立思考的能力和解決實(shí)際問題的能力。

（3）盡管課堂上教師要求學(xué)生在課后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，但是學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過程中，重點(diǎn)關(guān)注的是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理部分。至于實(shí)驗(yàn)結(jié)果如何、誤差是否滿足要求，學(xué)生通常很少做出說明，進(jìn)而很少有相應(yīng)的思考和分析。從本質(zhì)上來說，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和自我評(píng)價(jià)、對(duì)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的反思總結(jié)恰恰是實(shí)驗(yàn)課程能力訓(xùn)練的核心部分。

鑒于以上原因，在國家對(duì)創(chuàng)新的迫切要求和期待下，結(jié)合應(yīng)用型本科院校發(fā)展及光電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，兼顧學(xué)生的特點(diǎn)，引入對(duì)分課堂的教學(xué)理念[4]，我們對(duì)聲速的測量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革嘗試，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)育人于實(shí)踐的培養(yǎng)目標(biāo)。本文中，我們從課堂教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及課程思政三個(gè)方面的探索和嘗試進(jìn)行說明：

1 關(guān)于聲波的介紹

作為知識(shí)拓展，要求學(xué)生自行查閱資料了解聲波及其特點(diǎn)。聲波是縱波，分為次聲波、聲波、超聲波。人的耳朵是聽覺器官，即聲音傳感器。一般人能夠聽到振動(dòng)頻率在20Hz-20kHz范圍的聲波。頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波。雖然超聲波無法引起人們的聽覺反應(yīng)，但它具有波長短、易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)。聲速測量實(shí)驗(yàn)中聲波的頻率選在超聲波段（40kHz）。建議學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試之后把信號(hào)的頻率調(diào)至20Hz-20kHz范圍內(nèi)，測試一下自己的耳朵對(duì)聲音高低的感覺靈敏度。這一建議很大程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索熱情，實(shí)驗(yàn)參與的積極性很高，課堂氣氛異常活躍。有學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)束后激動(dòng)地說他能聽到 19kHz的聲波；也有學(xué)生失望地說自己只能聽到15kHz的聲波了，頻率再高就聽不見了，今后要保護(hù)好自己的聽力……我們告知學(xué)生課堂聽力測試結(jié)果粗糙，只是在一定程度上反映了個(gè)人聽力情況，要想知道真實(shí)聽力需到醫(yī)院做聽力檢查。同時(shí)，讓學(xué)生明白：科學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。只是在不同的環(huán)境和不同的情況下，人們對(duì)測量精度的要求不同。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?dǎo)入

關(guān)于聲速測量實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡慕榻B，向?qū)W生強(qiáng)調(diào)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量完成不是最終的目的。最終的目的是通過聲速的測量實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)并熟練使用功率函數(shù)信號(hào)發(fā)生器（1Hz-106Hz）和雙蹤示波器[5]。要想達(dá)到這個(gè)目的，嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的態(tài)度非常重要。課堂采用開放的教學(xué)方式：建議學(xué)生在教師講解的基礎(chǔ)上通過在線查閱資料、分組討論操作實(shí)踐中需要注意的事項(xiàng)。學(xué)生自愿組隊(duì)、查閱資料、積極討論。從不了解儀器原理到熟練掌握操作方法，讓學(xué)生體驗(yàn)到滿滿的成就感。

3 發(fā)射換能器和接收換能器的介紹

發(fā)射換能器和接收換能器是聲速測量實(shí)驗(yàn)中使用的關(guān)鍵儀器。它們工作的基本原理是逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)是某些固體電介質(zhì)由于結(jié)晶點(diǎn)陣的特殊結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的現(xiàn)象。代表性的壓電晶體有（SiO2）石英、電氣石、酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6· 4H2O，又稱為洛瑟爾鹽）、鈦酸鋇（BaTiO3）等[6]。為了使學(xué)生更好地理解壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，同時(shí)作為知識(shí)拓展，向?qū)W生介紹有線電話的工作原理：一端電話機(jī)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（利用晶體的壓電效應(yīng)）；電信號(hào)在電纜中傳輸；另一端電話機(jī)將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)（利用晶體的逆壓電效應(yīng)）。通過知識(shí)拓展的引入，學(xué)生更清晰地理解抽象的物理原理，明白物理原理在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。

在此基礎(chǔ)上，我們向?qū)W生指明：盡管當(dāng)今社會(huì)人們溝通交流不再需要大量有線電話，但是隨著5G技術(shù)的發(fā)展及人工智能產(chǎn)業(yè)興起，壓電材料在智能手機(jī)、VR、AR裝備和傳感器件領(lǐng)域的應(yīng)用也將越發(fā)突出。建議學(xué)生以發(fā)展的眼光充分理解聲速測量實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵儀器，為以后學(xué)習(xí)使用更精密復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)儀器做準(zhǔn)備。

4 課程思政元素的融入

作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的課程思政建設(shè)嘗試，我們從聲信號(hào)的產(chǎn)生切入，向?qū)W生介紹了人類通信的發(fā)展。通信從聲—電—聲的信息傳遞到電的信息傳遞，繼而發(fā)展到光—電—光的信息傳遞，人類的終極目標(biāo)是全光通信。這一終極目標(biāo)基于人類對(duì)通信品質(zhì)的迫切渴求，又以人類強(qiáng)烈的好奇心作為推動(dòng)。

進(jìn)一步引導(dǎo)，我們向?qū)W生介紹美國發(fā)明家和企業(yè)家──“電話之父”亞歷山大·貝爾及美國新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室，使學(xué)生了解發(fā)明家背后的故事和獨(dú)特的人格魅力，領(lǐng)悟探索創(chuàng)新的真諦，激勵(lì)學(xué)生保有好奇心和創(chuàng)新精神以及對(duì)未來的信心，享受物理之美的熏染[7-9]。

5 總結(jié)

鑒于傳統(tǒng)大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理課程教學(xué)中學(xué)生預(yù)習(xí)效果差強(qiáng)人意、學(xué)習(xí)興趣不高、缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考和分析等問題，我們以聲速測量實(shí)驗(yàn)為例，進(jìn)行了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革嘗試，主要方面總結(jié)如下：

（1）從聲波的介紹入手，提醒學(xué)生注意用耳衛(wèi)生，保護(hù)自己的聽力，激發(fā)學(xué)生好奇心和探索欲；

（2）以開放的教學(xué)方式導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，增?qiáng)學(xué)生團(tuán)體協(xié)作的能力和解決實(shí)際問題的能力；

（3）從通信的角度向?qū)W生介紹發(fā)射換能器和接收換能器及其工作原理，使學(xué)生明白技術(shù)的發(fā)展離不開基本理論的支撐，并切實(shí)體會(huì)到專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的重要性。通信的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步離不開眾多科學(xué)家和工程師的努力，他們獨(dú)特的人格魅力和永不止步的創(chuàng)新和探索精神對(duì)學(xué)生更是一次精神的洗禮；

（4）從課堂效果來看，聽力測試的建議很好地激發(fā)了學(xué)生的好奇心和探索欲望，而通信方面的知識(shí)拓展增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力；

（5）“電話之父”和貝爾實(shí)驗(yàn)室的引入使學(xué)生深刻體會(huì)到改革創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展的誘惑與魅力，明確了努力的方向。

尤其需要指出的是，教學(xué)效果得到了提高。學(xué)生對(duì)我們聲速測量實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革嘗試評(píng)價(jià)很高，錄小視頻、拍照發(fā)微信朋友圈談?wù)撋险n體會(huì)。學(xué)生們的積極參與和肯定也激勵(lì)我們進(jìn)一步地嘗試大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程思政融入課堂及教學(xué)改革創(chuàng)新。