大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中操作考核的評(píng)價(jià)方法探討＊

楊太群，朱 純，王繼成，陳國(guó)慶

（江南大學(xué)理學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是全國(guó)高等學(xué)校面向所有理工科學(xué)生開設(shè)的一門必修的公共基礎(chǔ)課程。作為學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接觸的第一門科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，它的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握基本的理論方法、訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為后期科學(xué)研究的開展打下基礎(chǔ)[1-3]。

客觀、全面的課程成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。作為一門考核課程，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的考核內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析處理兩大部分。目前，大部分教師在給學(xué)生算成績(jī)時(shí)基本都采取以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為依據(jù)的評(píng)價(jià)方法[4-5]。這種評(píng)價(jià)方法存在以下問(wèn)題：（1）由于每次的實(shí)驗(yàn)報(bào)告都是課后完成的，學(xué)生在寫報(bào)告時(shí)存在互相借鑒的情況，實(shí)驗(yàn)報(bào)告很難準(zhǔn)確反映學(xué)生的真實(shí)水平；（2）在實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)重點(diǎn)會(huì)偏向數(shù)據(jù)處理。大多數(shù)情況下，好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往容易獲得高分。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定過(guò)程中存在唯測(cè)量數(shù)據(jù)論的情況，不夠客觀、全面。為了解決上述存在的問(wèn)題，許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)教師根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出了很多多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法。如基于過(guò)程考核成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方法[6]、形成性評(píng)價(jià)模式[7-8]、定制式教學(xué)評(píng)價(jià)模式[9]、發(fā)展性評(píng)價(jià)模式等[10]。這些評(píng)價(jià)模式都會(huì)突出實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程性評(píng)價(jià)，從而讓實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定更加客觀和準(zhǔn)確。然而，實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程性評(píng)價(jià)仍然十分麻煩，這主要是因?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)大多是采取班級(jí)授課，上課學(xué)生人數(shù)眾多，一個(gè)老師很難及時(shí)觀察記錄每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作情況，也就沒(méi)法準(zhǔn)確的對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。一般只能根據(jù)學(xué)生采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。數(shù)據(jù)好的一般默認(rèn)其操作沒(méi)有問(wèn)題。這就掉入了唯數(shù)據(jù)論的怪坑。

因此，開發(fā)一種簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)是十分有必要的。本文根據(jù)學(xué)院眾多實(shí)驗(yàn)老師大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)提出基于實(shí)驗(yàn)記錄來(lái)評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的方法。該方法要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)記錄對(duì)其實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法不僅可以客觀、量化的評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，又能夠培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)記錄習(xí)慣，這也是提升學(xué)生科研素養(yǎng)的有效途徑。

1 基于實(shí)驗(yàn)記錄的評(píng)價(jià)操作考核的方法

要求：詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)

注：按照實(shí)驗(yàn)報(bào)告5 分制的原則，操作考核建議占2 分。優(yōu)秀—2 分；良好—1.5 分；中等—1 分。

實(shí)驗(yàn)記錄常見的三種情況及其評(píng)價(jià)方法：

（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論描述相符，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小。評(píng)價(jià)方法：此種情況表明學(xué)生完全按照實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)記錄規(guī)范，操作考核為優(yōu)秀；

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論描述不相符或沒(méi)有實(shí)驗(yàn)記錄，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較?。辉u(píng)價(jià)方法：此種情況表明學(xué)生只是機(jī)械式的按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)觀察，操作考核只能為良好（打破唯數(shù)據(jù)論）。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論描述相符，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大。評(píng)價(jià)方法：此種情況說(shuō)明學(xué)生操作沒(méi)有太大問(wèn)題，其實(shí)驗(yàn)誤差較大可能是由于儀器原因的或者是操作條件受限造成的。如果該生記錄了可能造成實(shí)驗(yàn)誤差偏大的原因并在數(shù)據(jù)處理過(guò)程給出了合理分析，其操作考核仍然為優(yōu)秀；反之，如果沒(méi)有記錄異?？赡茉斐烧`差偏大的現(xiàn)象和給出合理的分析則其操作只能為良好；

（4）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論描述不相符，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大。評(píng)價(jià)方法：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論描述不相符這種情況說(shuō)明學(xué)生操作不當(dāng)，一般情況下學(xué)生都能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并尋求老師幫助解決，不會(huì)出現(xiàn)這種情況。若出現(xiàn)這樣的情況則操作考核為中等或不及格。

2 以邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)與使用為例來(lái)對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明

邁克爾遜干涉儀是一個(gè)及其精密的光學(xué)儀器。利用它我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單色光波長(zhǎng)的精確測(cè)量。其測(cè)量原理如圖1 所示。光源發(fā)出的光經(jīng)分束玻片后分為兩束光，這兩束光經(jīng)M1 和M2 反射后到達(dá)觀察屏處發(fā)生疊加干涉，觀察到等傾干涉圓環(huán)。當(dāng)我們把M1 往上或往下移動(dòng)微小距離時(shí)，由于兩束光光程差（中心處剛好等于2d）有規(guī)律的增加或者減小，我們將會(huì)看到干涉圓環(huán)由內(nèi)而外逐漸冒出或者由外而內(nèi)逐漸收縮。此時(shí)，我們只需測(cè)出M1 移動(dòng)的距離Δd以及干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目Δk就可以算出光的波長(zhǎng)λ，其計(jì)算公式如下：

圖1 邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)原理圖

在實(shí)驗(yàn)中，一般要求學(xué)生Δk取50，Δd通過(guò)動(dòng)鏡M1 的位置坐標(biāo)的變化計(jì)算得到。該實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于：（1）調(diào)節(jié)M2 的角度使得兩束光在觀察屏處疊加干涉；（2）要能精確控制兩束光的光程差并準(zhǔn)確記錄M1 的位置坐標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生常遇到的問(wèn)題有：（1）反射鏡M1 和M2 角度調(diào)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致兩束反射光無(wú)法在觀察屏處空間重疊發(fā)生疊加干涉；（2）M1 和M2 到分束玻片分光處距離超出相干長(zhǎng)度，無(wú)法得到清晰的干涉圖案；（3）動(dòng)鏡M1 螺桿滑絲導(dǎo)致M1 的位置讀數(shù)不準(zhǔn)確；（4）測(cè)量過(guò)程中由于儀器臺(tái)面抖動(dòng)造成干涉條紋移動(dòng)數(shù)目計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確。前面兩條會(huì)直接導(dǎo)致學(xué)生觀察不到干涉圖案，一般在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決。后面兩種情況會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，需要學(xué)生仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)才能將其消除或減小。

本實(shí)驗(yàn)學(xué)生的報(bào)告分為以下三種情況：

（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄準(zhǔn)確，能夠調(diào)出干涉圖案并準(zhǔn)確記錄圖案的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小。此種情況表明學(xué)生掌握了實(shí)驗(yàn)要領(lǐng)且操作規(guī)范，操作成績(jī)?cè)u(píng)定為優(yōu)秀。

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄缺失，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小。此種情況表明學(xué)生雖然測(cè)得了好的數(shù)據(jù)，但沒(méi)有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述說(shuō)明其數(shù)據(jù)的采集只是碰巧用到別人調(diào)好的儀器，其操作成績(jī)只能評(píng)定為良好。

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄準(zhǔn)確，能夠調(diào)出干涉圖案并準(zhǔn)確記錄圖案的變化規(guī)律，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大。此種情況表明學(xué)生操作規(guī)范，但在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中出現(xiàn)異常情況導(dǎo)致誤差較大。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差的主要原因有：（1）在數(shù)干涉圓環(huán)的過(guò)程中桌面振動(dòng)導(dǎo)致多數(shù)或者漏數(shù)；（2）控制M1移動(dòng)的螺桿滑絲導(dǎo)致位置讀數(shù)不準(zhǔn)確。

如果學(xué)生記錄了操作過(guò)程中的相關(guān)現(xiàn)象并在數(shù)據(jù)處理過(guò)程進(jìn)行合理的誤差分析和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議，其操作成績(jī)也應(yīng)評(píng)定為優(yōu)秀。反之，如果沒(méi)有異?，F(xiàn)象記錄和分析，其操作成績(jī)只能評(píng)定為良好。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合長(zhǎng)期的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出基于實(shí)驗(yàn)記錄來(lái)客觀評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的方法。該評(píng)價(jià)方法通過(guò)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)記錄和相關(guān)分析來(lái)評(píng)定其操作成績(jī)，消除了傳統(tǒng)的唯測(cè)量數(shù)據(jù)論成績(jī)的弊端。該方法只需在當(dāng)前評(píng)價(jià)體系下增加實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的記錄和相關(guān)分析，適用性強(qiáng)。實(shí)踐結(jié)果表明，基于實(shí)驗(yàn)記錄的操作考核評(píng)價(jià)方法能夠培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，提高學(xué)生的觀察能力和分析解決問(wèn)題的能力，為學(xué)生后續(xù)科研實(shí)驗(yàn)的開展打下了基礎(chǔ)。