高校物理實驗教改透析

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物理學(xué)是一門建立在實驗基礎(chǔ)上的學(xué)科。幾乎所有物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立都要以嚴(yán)格的實驗為基礎(chǔ)，并受到實驗的檢驗。據(jù)統(tǒng)計，諾貝爾物理學(xué)獎從1901年第一次授獎至今已110年的歷史，有190多名獲獎?wù)撸渲幸?a href="http://www.ushengzhilian.com/lunwen/wulilunwen/wlshylw/201205/525366.html" target="_blank">物理實驗方面的偉大發(fā)現(xiàn)或發(fā)明而獲獎的占三分之二以上。可見物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的重要地位。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)已經(jīng)得到了高度的發(fā)展。物理實驗的構(gòu)思、方法和技術(shù)極廣泛地滲透到自然科學(xué)學(xué)科、工程技術(shù)領(lǐng)域以及人文學(xué)科等。它們與非物理學(xué)科自身的實驗技術(shù)互相結(jié)合、互相推動，促進(jìn)了各學(xué)科的完善與進(jìn)步。物理學(xué)在人的科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中具有重要的地位，而物理實驗為物理學(xué)的基礎(chǔ)，它反映了理工科實驗的共性和普遍性問題，在本科生科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中起著不可替代的重要作用。大學(xué)物理實驗是大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第一門科學(xué)實驗課程，其目的是對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的實驗方法和實驗技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神，為其進(jìn)行科學(xué)實驗奠定良好的基礎(chǔ)。為了培養(yǎng)以實踐動手能力為核心的石油類應(yīng)用型人才，應(yīng)對新形勢的國際能源挑戰(zhàn)。中國石油大學(xué)（北京）從2007年開始每年都創(chuàng)辦一個創(chuàng)新實驗班〔1〕，約80人。學(xué)校設(shè)立專項經(jīng)費通過每學(xué)期單獨進(jìn)行教改立項的方式，組織教師在創(chuàng)新班課程中改革教學(xué)內(nèi)容。大學(xué)物理實驗教改也在創(chuàng)新班得以實施。目前多數(shù)工科院校的大學(xué)物理實驗教學(xué)方式大致都是：課前讓學(xué)生寫預(yù)習(xí)報告；上課時，任課教師講授實驗原理、注意事項等內(nèi)容，將實驗演示給學(xué)生，然后學(xué)生操作；課后讓學(xué)生寫實驗報告。這種方式留給學(xué)生思考分析的機(jī)會不多，學(xué)生處于被動接收的地位。學(xué)生潛在的創(chuàng)新意識并沒有得到真正的發(fā)揮。往往出現(xiàn)應(yīng)付實驗的情況。針對傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的弊端，我們課題組在創(chuàng)新班大學(xué)物理實驗的教學(xué)中做了如下嘗試。

1重視學(xué)生在教學(xué)中的地位，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性

1.1每學(xué)期末要求學(xué)生提交實驗總結(jié)報告在大學(xué)物理實驗緒論課上，我們要求學(xué)生在學(xué)期末對本學(xué)期自己所做的實驗進(jìn)行總結(jié)，寫出總結(jié)報告。報告內(nèi)容包括自己做實驗的感受，對實驗課的建議，可否對實驗方法和實驗儀器進(jìn)行改進(jìn)等。促進(jìn)學(xué)生對實驗進(jìn)行思考，這種方式取得了一定的效果。例如，學(xué)生各自在做自組惠斯登電橋測電阻實驗時，發(fā)現(xiàn)檢流計靈敏度產(chǎn)生的誤差遠(yuǎn)大于精密電阻箱的誤差，因此改善檢流計靈敏度可以大大提高實驗的測量精度。通過大量調(diào)研，他提出了兩種方式改善測量精度，一是改善檢流計靈敏度，二是完善測量方法。最后利用完善測量方法，達(dá)到了改善自組惠斯登電橋測量精度已在《大學(xué)物理實驗》上發(fā)表〔2〕。又例如，在做剛體轉(zhuǎn)動慣量測量實驗時，由于該實驗內(nèi)容較多，在3個課時內(nèi)很少有學(xué)生能完成實驗。學(xué)生在期末總結(jié)報告中提出，獨立設(shè)計接口，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動慣量儀與計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞，然后編制程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理，大大節(jié)省了實驗時間。可以看出，期末總結(jié)報告方法不僅極大調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主導(dǎo)地位，而且為培養(yǎng)學(xué)生以后進(jìn)行科學(xué)實驗奠定良好的基礎(chǔ)。

1.2采用互動授課方式在課堂上，我們改變老師授課為主的方式，采用互動授課方式。實驗原理和注意事項由學(xué)生講述，其他同學(xué)補(bǔ)充，最后老師總結(jié)，老師不進(jìn)行實驗演示。我們將實驗中難懂和難理解的部分做成PPT，要求學(xué)生課前自學(xué)PPT。例如示波器實驗，學(xué)生普遍反映，看完書后對自己做實驗也沒有什么幫助。這個問題在于學(xué)生對示波器的面板功能鍵不熟悉上。為此，我們編寫了一張PPT，把示波器功能鍵做較詳細(xì)說明（見圖1）。學(xué)生很快就能理解并能獨立完成實驗。類似的其它實驗還有很多，比如分光計實驗等。

2注重學(xué)生的創(chuàng)新意識的培養(yǎng)

2.1激發(fā)學(xué)生對物理實驗的興趣每學(xué)期組織學(xué)生參觀高能物理研究所、科技館等。另外我校是北京市科普基地，有諸多演示實驗。學(xué)生也可以利用科普基地平臺設(shè)計實驗儀器和裝置進(jìn)行實驗，如學(xué)生研究制作的“電動激光李薩如圖形演示儀和伯努利綜合演示儀”等。極大激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新欲望。

2.2增加選作實驗，擴(kuò)展實驗內(nèi)容針對動手能力強(qiáng)的學(xué)生，緊扣實驗內(nèi)容，相應(yīng)增加選做實驗。例如在示波器選做實驗中，我們增加了關(guān)于“拍”的選做實驗，讓學(xué)生自己利用示波器產(chǎn)生拍信號，并研究拍信號的特征。增加學(xué)生對“拍”的理解。又例如，剛體轉(zhuǎn)動慣量實驗，我們增加了選做實驗內(nèi)容，讓同學(xué)自己研究轉(zhuǎn)動慣量儀的誤差來源，并對誤差進(jìn)行定性分析。還例如，自組惠斯登電橋測電阻實驗，讓學(xué)生分析電橋比例臂偏離1：1對實驗結(jié)果的影響等等。盡管有些選做實驗課堂完成不了，但很多學(xué)生對這些選做實驗的積極性很高，主動要求課余時間進(jìn)實驗室繼續(xù)研究。

3物理實驗與專業(yè)相結(jié)合

我校是石油特色鮮明的工科綜合性大學(xué)。學(xué)校的地質(zhì)工程、石油工程等在全國屬于前列，而創(chuàng)新班的學(xué)生也主要來自這些專業(yè)。物理實驗與專業(yè)結(jié)合也會提高學(xué)生對物理實驗的興趣。為此，我們建立了創(chuàng)新實驗室，現(xiàn)在創(chuàng)新實驗室主要有光學(xué)儀器和超聲儀器等。創(chuàng)新實驗室主要為創(chuàng)新班學(xué)生提供研究性實驗。學(xué)生3人一組，根據(jù)實驗儀器及自己所學(xué)專業(yè)經(jīng)過調(diào)研，提交研究性實驗報告，教師審核后，學(xué)生獨立完成實驗。目前學(xué)生完成的研究性實驗有：超聲油管探傷，超聲測液面高度，超聲測量油水飽和度，全息光彈觀測透明材料的應(yīng)力分布，偏振光觀察礦石等。通過實驗使學(xué)生了解到物理實驗對專業(yè)的作用。

4改革考核方式

物理實驗成績的考核是物理實驗教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，考核的目的在于全面考核與評定學(xué)生的綜合實驗?zāi)芰Α?chuàng)新班的大學(xué)物理實驗的考核主要包括以下幾個方面：

4.1實驗操作包括實驗操作熟練度、解決問題能力和數(shù)據(jù)記錄規(guī)范性。占期末總成績20%；

4.2預(yù)習(xí)報告和實驗報告成績預(yù)習(xí)報告主要是學(xué)生對預(yù)習(xí)問題的回答好壞。實驗報告主要包括實驗原理的概述、實驗數(shù)據(jù)的處理、分析（包括誤差）、實驗結(jié)果的討論以及課后習(xí)題。該項占期末總成績20%；

4.3期末閉卷筆試主要考學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的分析，包括數(shù)據(jù)處理方法、誤差分析、作圖等。該項占期末總成績25%；

4.4期末操作考試選擇與學(xué)期的實驗內(nèi)容相關(guān)的內(nèi)容讓學(xué)生操作，教師根據(jù)學(xué)生的實驗操作、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)分析情況打分。該項占期末總成績25%；

4.5期末總結(jié)報告報告內(nèi)容包括自己做實驗的感受，對實驗課的建議，可否對實驗方法和實驗儀器進(jìn)行改進(jìn)等。該項占期末總成績10%。

5討論

以上介紹了我們在中國石油大學(xué)（北京）創(chuàng)新班物理實驗教學(xué)中進(jìn)行教學(xué)改革的一些做法，雖然在教學(xué)實踐中取得了一些成績，如指導(dǎo)學(xué)生發(fā)表了若干論文。但仍存在一些問題，如與石油、地質(zhì)特色專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用性物理實驗較少，學(xué)時不夠，經(jīng)費不足等，如何充分發(fā)揮大學(xué)物理實驗在培養(yǎng)石油石化人才的地位和作用，需要我們物理教師在教學(xué)中不斷的探索和思考。