大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中物理規(guī)律的探索

王廣川 謝國(guó)亞

【摘 要】 實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中具有奠基性的地位，物理規(guī)律是由實(shí)驗(yàn)探索而來(lái)的，現(xiàn)代物理學(xué)體系也是從伽利略開(kāi)創(chuàng)實(shí)驗(yàn)體系開(kāi)始的。文章以電磁理論為例，介紹了在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索電磁理論的本質(zhì)和規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀地感受到電磁場(chǎng)的基本性質(zhì)，深入理解電磁場(chǎng)的概念，養(yǎng)成自主探索物理規(guī)律的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣。

【關(guān)鍵詞】 大學(xué)；物理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)；物理規(guī)律；電磁理論

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵因素

（一）物理實(shí)驗(yàn)室

先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室能夠保證學(xué)生充分地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而加深對(duì)物理知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)。較大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備數(shù)量選擇還可以避免實(shí)驗(yàn)時(shí)學(xué)生過(guò)于擁擠或過(guò)于稀疏的不利情況，更好地保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和學(xué)生的安全。發(fā)達(dá)國(guó)家物理教學(xué)已經(jīng)從書(shū)本知識(shí)教學(xué)轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室規(guī)律探索上，即使在教室中也大量配備了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，喬布斯在大學(xué)期間就花很多時(shí)間在教室擺弄各種電子設(shè)備，這為后來(lái)蘋(píng)果的研發(fā)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。發(fā)達(dá)國(guó)家大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室一般都是開(kāi)放性的，這給學(xué)生提供了充分的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，讓學(xué)生能夠在課后自覺(jué)、主動(dòng)地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，研究他們喜歡的項(xiàng)目，自主探索物理規(guī)律。高校教師也可以利用物理實(shí)驗(yàn)室取得重大的研究突破，比如麻省理工學(xué)院的MIT團(tuán)隊(duì)就充分利用本校的實(shí)驗(yàn)室，將麥克斯韋的電磁方程發(fā)展到納米級(jí)別。

（二）以學(xué)生為主體

物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新理論的發(fā)明都是在主動(dòng)探索中進(jìn)行的，我國(guó)高校物理學(xué)基礎(chǔ)理論和高端科技創(chuàng)新之所以落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，就是因?yàn)楦咝Ｎ锢斫逃恢毖赜脗鹘y(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式，教師是教學(xué)的主體，學(xué)生被動(dòng)接受，主動(dòng)思考和探索較少。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要具備較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)和自主探究的能力。當(dāng)受到問(wèn)題困擾時(shí)，學(xué)生需要發(fā)掘自己解決問(wèn)題的能力，通過(guò)自己的思考、實(shí)驗(yàn)和總結(jié)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的答案。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生自主思考、獨(dú)立探究，提高大學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)踐能力，讓學(xué)生主動(dòng)去動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、探索實(shí)驗(yàn)、總結(jié)實(shí)驗(yàn)。大學(xué)物理和基礎(chǔ)教育物理相比，其理論性更強(qiáng)，更需要學(xué)生自主探索物理規(guī)律，通過(guò)與他人的互動(dòng)和合作發(fā)掘更廣闊的實(shí)驗(yàn)空間，注重合作和創(chuàng)新的能力培養(yǎng)。比如關(guān)于電磁理論的理解，如果所有人都局限在機(jī)械能和電能的轉(zhuǎn)化上，就不可能有麥克斯方程突破，光、電、磁力也就不可能統(tǒng)一。

（三）以教師為引導(dǎo)

現(xiàn)代物理教學(xué)要實(shí)現(xiàn)從理論教學(xué)到實(shí)踐教學(xué)的過(guò)渡，就必須轉(zhuǎn)變教師的角色，讓出他們實(shí)驗(yàn)教學(xué)引導(dǎo)者和組織者的身份，“變講師為導(dǎo)師”。在教學(xué)過(guò)程中，立足于扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)和教育教學(xué)的理論知識(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，開(kāi)展變革性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。合理運(yùn)用不同的教學(xué)方法和方式，注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的互動(dòng)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和問(wèn)題的能力。對(duì)于物理專業(yè)和非物理專業(yè)的學(xué)生要采用不同的教學(xué)方法，物理專業(yè)的學(xué)生要重視其基礎(chǔ)理論等方面的研究，非物理專業(yè)的學(xué)生要注意激發(fā)他們的興趣。為了進(jìn)一步探索物理規(guī)律，教師需要幫助學(xué)生設(shè)計(jì)研究性的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生專業(yè)不同設(shè)計(jì)不同的研究類型。教師可以帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行一些研究性的實(shí)驗(yàn)，共同進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，在實(shí)際項(xiàng)目中更有利于分析物理規(guī)律。

二、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)查

（一）問(wèn)卷調(diào)查情況

通過(guò)自編《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)與物理規(guī)律認(rèn)識(shí)現(xiàn)狀調(diào)查》問(wèn)卷，了解目前在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)物理規(guī)律的關(guān)注程度，并分析其原因，以便提出針對(duì)物理規(guī)律探索的教學(xué)方法。希望通過(guò)這樣的調(diào)查，可以解決現(xiàn)行教學(xué)中存在的一些問(wèn)題。

研究對(duì)象為本地大學(xué)生，隨機(jī)發(fā)放了300份問(wèn)卷。

（二）問(wèn)卷調(diào)查分析

調(diào)查表主要由17個(gè)客觀題和2個(gè)主觀題組成，客觀題的選項(xiàng)有2個(gè)的、有3個(gè)的，也有4個(gè)選項(xiàng)的，內(nèi)容主要涉及學(xué)生實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中、實(shí)驗(yàn)后對(duì)實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的認(rèn)識(shí)和重視程度，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的上課方式，學(xué)生對(duì)現(xiàn)有教學(xué)方式的喜愛(ài)程度，學(xué)生對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的理解，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的反思等。主觀題是學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的建議等。

共發(fā)放300份問(wèn)卷，回收280份，回收率為93.33%，本次調(diào)查是有效的、真實(shí)的。

（三）調(diào)查結(jié)果分析

分析得出，75%的學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)和物理規(guī)律的密切關(guān)系，認(rèn)識(shí)到物理學(xué)實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)教學(xué)中非常重要的一環(huán)。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)親自操作實(shí)驗(yàn)裝置、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、收集數(shù)據(jù)等，理解實(shí)驗(yàn)對(duì)物理規(guī)律驗(yàn)證的重要作用。因此，大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)和規(guī)律是密切相關(guān)的。10%的學(xué)生僅關(guān)注實(shí)驗(yàn)本身，對(duì)規(guī)律認(rèn)識(shí)較為薄弱。盡管大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)了解到實(shí)驗(yàn)和物理規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系，但仍有一小部分學(xué)生僅僅將注意力集中于實(shí)驗(yàn)本身，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)論的推導(dǎo)不深入，對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)相對(duì)來(lái)說(shuō)較薄弱。15%的學(xué)生能夠深入理解實(shí)驗(yàn)與規(guī)律之間的關(guān)系，可以說(shuō)，實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證物理規(guī)律的有效手段，然而并不是所有學(xué)生都能夠深刻理解這一點(diǎn)。有些學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，能夠推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的物理規(guī)律，并且能夠在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步理解這些規(guī)律的內(nèi)在本質(zhì)。主觀題方面有學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)設(shè)備不充足，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間還需增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)儀器不夠精細(xì)，實(shí)驗(yàn)趣味性不足，自主探索實(shí)驗(yàn)較少。

（四）存在的主要問(wèn)題

結(jié)合課堂觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的動(dòng)手操作能力較差，由于基礎(chǔ)教育階段實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)較少，一些學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中顯得無(wú)所適從。學(xué)生獲得的實(shí)驗(yàn)收獲較少，對(duì)物理規(guī)律缺乏把握。課程教學(xué)較為死板，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新能力不足，很多課程要求統(tǒng)一化操作，限制了學(xué)生自主思維的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用不夠充分，一般只用于誤差分析。重視現(xiàn)有公式和定理的分析，在物理思想方法上不夠重視。教學(xué)觀念過(guò)于陳舊，還是停留在傳統(tǒng)理論教學(xué)思維上，很多教師還沒(méi)有在教學(xué)革新的高度上認(rèn)識(shí)物理實(shí)驗(yàn)，因此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)并沒(méi)有達(dá)成。

三、基于物理規(guī)律探索的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)策

（一）建立基于物理規(guī)律探索的教學(xué)觀念

要以學(xué)生為主體，以學(xué)生發(fā)展為目的，面向尖端科技，尊重學(xué)生個(gè)體的差異，充分挖掘他們的潛力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和探究，讓學(xué)生親身感受物理規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)，使學(xué)生對(duì)物理規(guī)律有更深入的認(rèn)識(shí)和理解。通過(guò)探究物理規(guī)律的相關(guān)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的本質(zhì)，培養(yǎng)其獨(dú)立思考和創(chuàng)造性思維能力，掌握科學(xué)探究的方法和技巧。要注意建立開(kāi)放、積極、互動(dòng)和合作的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)生能夠自主參與，增強(qiáng)自覺(jué)學(xué)習(xí)的意識(shí)，并通過(guò)與他人的交流，開(kāi)闊視野和提高思維水平。要改變應(yīng)試教育觀念，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生掌握具有實(shí)用性的物理知識(shí)和技能，為學(xué)生日后的科學(xué)探索和實(shí)踐工作奠定基礎(chǔ)。對(duì)于物理專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，更要注重物理規(guī)律的探索，培養(yǎng)他們能夠主動(dòng)發(fā)現(xiàn)和探索自然現(xiàn)象和物理本質(zhì)的能力。要在實(shí)驗(yàn)中大膽假設(shè)，小心求證，像麥克斯韋一樣提出創(chuàng)新的觀點(diǎn)，力爭(zhēng)在物理學(xué)理論研究上有所突破。

（二）革新傳統(tǒng)教學(xué)模式

首先，要以探索物理規(guī)律為核心，傳統(tǒng)物理教學(xué)以數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和物理規(guī)律的驗(yàn)證為目的，很多實(shí)驗(yàn)只是為了讓學(xué)生得到理想中的數(shù)據(jù)。這就導(dǎo)致物理實(shí)驗(yàn)往往是為了貼近數(shù)據(jù)，一些學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的實(shí)驗(yàn)偏離了目標(biāo)數(shù)據(jù)，甚至?xí)?shù)據(jù)造假。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該注重學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律和自主探索物理規(guī)律能力的培養(yǎng)，而非過(guò)多地糾結(jié)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)原理，這樣學(xué)生才能多問(wèn)幾個(gè)為什么，而不是一味相信權(quán)威。

其次，改變實(shí)驗(yàn)課是理論課附屬的思想，轉(zhuǎn)向規(guī)律探索性實(shí)驗(yàn)，力爭(zhēng)在前人研究的基礎(chǔ)上有自己的見(jiàn)解。這就需要教師逐漸滲透物理思想方法，引導(dǎo)學(xué)生從已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，在問(wèn)題分析過(guò)程中總結(jié)出規(guī)律，并用這個(gè)規(guī)律去解決問(wèn)題。

再次，實(shí)驗(yàn)要自主操作，而不是照本宣科，按部就班，改變過(guò)去教師演示學(xué)生模仿的方式。在確保復(fù)雜儀器操作安全的前提下，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，激發(fā)他們的創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)他們的創(chuàng)意，調(diào)動(dòng)積極性，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，找到自己的愛(ài)好，建立學(xué)習(xí)的信心。

最后，要善于利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)物理規(guī)律，進(jìn)而思考怎么利用物理規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題，最終達(dá)成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

（三）基于物理規(guī)律探索的“電磁理論”案例

物理實(shí)驗(yàn)中的“電磁理論”實(shí)驗(yàn)是一個(gè)涉及電磁場(chǎng)理論的實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生了解電磁場(chǎng)的性質(zhì)和基本原理，掌握電磁場(chǎng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法和技巧。

四、結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)物理教育中具有非常重要的作用，它可以幫助學(xué)生更加深入地理解物理規(guī)律和現(xiàn)象。本研究為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一定的參考指導(dǎo)，具有一定的推廣價(jià)值，但是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上還需要進(jìn)一步的研究。

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