物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐透析

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以培養(yǎng)綜合型、有素質(zhì)、有創(chuàng)新意識(shí)人才為目標(biāo)的高等教育改革一直都在深入進(jìn)行著，其中一個(gè)重要趨勢(shì)就是盡可能消除文理科的隔閡，在教學(xué)中體現(xiàn)技術(shù)、科學(xué)和人文社科類(lèi)學(xué)科的融合，培養(yǎng)文理兼通的人才［1］。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、方法和技術(shù)的入門(mén)基礎(chǔ)課程，是大學(xué)生受到系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端，是素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)，有利于人文教育與科學(xué)教育的融合以及復(fù)合型人才的培養(yǎng)，也有利于學(xué)科的綜合發(fā)展及形成交叉學(xué)科［2－5］。東南大學(xué)很早就開(kāi)始了這方面的建設(shè)和改革，1994年為文科學(xué)生開(kāi)設(shè)了文科大學(xué)物理課程，隨后開(kāi)設(shè)了文科物理實(shí)驗(yàn)課程。這些課程很受文科學(xué)生的歡迎。通過(guò)這些課程的學(xué)習(xí)，文科學(xué)生擴(kuò)大了知識(shí)面，提高了思維能力。

1多樣化、分層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系

我校是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)設(shè)文科物理實(shí)驗(yàn)課程的高校之一，所以可借鑒的經(jīng)驗(yàn)很少。考慮到文科學(xué)生特點(diǎn)：物理理論知識(shí)相對(duì)薄弱，思維方式是靠直覺(jué)、靈感、頓悟，而物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)最基本的方法是有“物”才有“理”，幾乎所有的物理結(jié)論都是通過(guò)對(duì)“物”的思考和分析獲得的［6－7］，因此最初我們開(kāi)設(shè)的是實(shí)驗(yàn)原理相對(duì)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)方法比較直觀、生活中會(huì)應(yīng)用到又能體現(xiàn)物理思想和規(guī)律的典型實(shí)驗(yàn)，例如“長(zhǎng)度測(cè)量基本儀器的使用”等。經(jīng)過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)不少文科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生是文理生兼有，這就導(dǎo)致文科學(xué)生的物理基礎(chǔ)知識(shí)參差不齊，且不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)程度的需要也不一致，因此要求物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容能夠滿足不同層次、不同能力學(xué)生的需求。在這個(gè)指導(dǎo)思想上，我們逐步為文科學(xué)生增開(kāi)了一些具有一定設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、提高性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的項(xiàng)目，學(xué)生可根據(jù)自身的能力和興趣選做。經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，豐富多樣化、分層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系已形成。

1．1開(kāi)設(shè)定性、半定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生興趣為了提高文科學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，本著實(shí)驗(yàn)原理易懂、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象有趣、結(jié)果直觀且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)后覺(jué)得有所收獲的原則，開(kāi)設(shè)了一些定性、半定量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。例如：“硬幣起飛實(shí)驗(yàn)”———用硬幣起飛來(lái)模擬飛機(jī)起飛的過(guò)程，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，加深對(duì)流體力學(xué)的認(rèn)識(shí)；“駐波與克拉尼圖形實(shí)驗(yàn)”———通過(guò)振動(dòng)頻率的改變，觀察不同頻率下的一維和二維駐波圖形，深入直觀地理解駐波產(chǎn)生的原理；還有“利用鋼尺測(cè)定激光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)”等。這些實(shí)驗(yàn)具有新奇性，直觀、有趣，得到了廣大文科學(xué)生的喜歡，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，極大地增加了學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣。

1．2開(kāi)設(shè)內(nèi)容遞進(jìn)、要求提高的系列實(shí)驗(yàn)，因材施教為了更好地滿足不同層次文科學(xué)生的需求，我們將一些面向理工科學(xué)生開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單、物理概念清晰且內(nèi)容逐步提高，操作具有一定難度的系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也同時(shí)向文科學(xué)生開(kāi)放。這些系列實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)部分，大部分文科學(xué)生都能獨(dú)立完成，而那些物理基礎(chǔ)較好、動(dòng)手能力較強(qiáng)的文科學(xué)生則能完成提高性內(nèi)容部分。這樣遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)取得了良好的效果，做到了因材施教。此外，文科學(xué)生選做理工科類(lèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也符合我校“低選高”的選課政策。例如“利用氣墊導(dǎo)軌研究物體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”同時(shí)為我校文理科的學(xué)生開(kāi)放選做。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)性內(nèi)容為研究速度和加速度，驗(yàn)證牛頓第二定律，大部分學(xué)生都能獨(dú)立完成，以及提高性內(nèi)容的小課題———物體的碰撞等，也有許多學(xué)生選做。小課題要求學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)生根據(jù)自身能力大小選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)此類(lèi)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，大大提高了文科學(xué)生的觀察力和科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ⒊浞譂M足了不同能力文科學(xué)生的需求，也能夠?qū)W(xué)生的能力進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)和考核。隨著學(xué)生整體素質(zhì)的提高，提高性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目的比例逐年提高，2011年我系面向文科學(xué)生開(kāi)設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，提高性內(nèi)容已達(dá)到60％。

1．3引入近現(xiàn)代經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為了進(jìn)一步提高文科學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)他們的物理精神和科學(xué)思想，我們引入了一些近現(xiàn)代物理史上有影響和意義的經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)。例如“密立根油滴實(shí)驗(yàn)”，雖然該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的是電荷的不連續(xù)性，涉及到了量子物理理論的范疇，但是該實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單易懂、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想巧妙。通過(guò)對(duì)物理學(xué)史、物理學(xué)方法論的滲透介紹，對(duì)文科學(xué)生進(jìn)行實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度和熱愛(ài)科學(xué)、尊重科學(xué)的科學(xué)精神的教育。此外，該實(shí)驗(yàn)操作步驟不繁雜，文科學(xué)生完全能獨(dú)立完成并得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。密立根油滴實(shí)驗(yàn)自開(kāi)設(shè)以來(lái)得到了文科學(xué)生的普遍喜愛(ài)，在學(xué)生課程論文中，他們都認(rèn)為通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，充分體會(huì)到物理實(shí)驗(yàn)科學(xué)家的鉆研精神以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的思想之美，充分認(rèn)識(shí)到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度以及科學(xué)思維的重要性。

1．4引入演示物理實(shí)驗(yàn)，拓展學(xué)生視野我系在開(kāi)設(shè)文科物理實(shí)驗(yàn)早期就嘗試引入物理演示實(shí)驗(yàn)，并很快受到廣大文科學(xué)生的歡迎和青睞。物理演示實(shí)驗(yàn)主要由教師操作，通過(guò)教師的啟發(fā)指導(dǎo)，幫助學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察、思考，使學(xué)生認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律，達(dá)到“事半功倍”的教學(xué)效果。學(xué)生從魔術(shù)般的物理演示實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)物理各主要領(lǐng)域的概念、定理和思想，認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是自然科學(xué)發(fā)展的先導(dǎo)。學(xué)習(xí)物理學(xué)是提高文科學(xué)生基本科學(xué)素質(zhì)的重要途徑［8－9］。2006年?yáng)|南大學(xué)搬遷新校區(qū)建設(shè)新物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)樓時(shí)，我系建設(shè)了中等規(guī)模的物理演示實(shí)驗(yàn)室。演示實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容涉及到力、熱、電、光等各個(gè)方面，從體現(xiàn)高新技術(shù)的創(chuàng)新中揭示物理學(xué)的規(guī)律，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是如何改變世界的。比如電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)，由于演示發(fā)電，整個(gè)電機(jī)可以當(dāng)場(chǎng)拆卸、組裝、運(yùn)轉(zhuǎn)。這些實(shí)驗(yàn)容易激發(fā)學(xué)生的興奮點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生的興趣。同樣，海市蜃樓實(shí)驗(yàn)、槍打猴子實(shí)驗(yàn)、模擬麥克斯韋速率分布演示板等實(shí)驗(yàn)，也很好地激發(fā)了學(xué)生的求知欲［10］。演示實(shí)驗(yàn)室向我校全體學(xué)生開(kāi)放，但專(zhuān)門(mén)為文科學(xué)生安排了開(kāi)放時(shí)間，演示實(shí)驗(yàn)課也是文科學(xué)生必選的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2開(kāi)放的、“多重交互”的教學(xué)模式

東南大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心在創(chuàng)建“國(guó)家實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心物理實(shí)驗(yàn)中心”的歷程中，創(chuàng)建了突出學(xué)生主體地位的物理實(shí)驗(yàn)課程“多重交互”教學(xué)新模式［11］，并成功應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。依托中心成熟的實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，文科物理實(shí)驗(yàn)也由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提升到了一個(gè)嶄新的多方位開(kāi)放、交互的新模式。

2．1計(jì)算機(jī)TA助學(xué)與教師指導(dǎo)的有機(jī)結(jié)合文科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入了計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，即計(jì)算機(jī)TA。課前學(xué)生可以通過(guò)教學(xué)課件的圖片、動(dòng)畫(huà)、視屏等形式，直觀地了解實(shí)驗(yàn)原理和現(xiàn)象，進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)習(xí)，課堂上可通過(guò)課件解決實(shí)驗(yàn)中一些常識(shí)性的問(wèn)題，而教師只要針對(duì)性地對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化、深層次的指導(dǎo)。這種教學(xué)方式大大提高了教學(xué)效率，促進(jìn)了信息技術(shù)與學(xué)科課程的整合。圖1是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與引入計(jì)算機(jī)TA助學(xué)教學(xué)新模式的對(duì)比。

2．2開(kāi)放的教學(xué)形式，網(wǎng)絡(luò)化的教學(xué)管理現(xiàn)在的教育改革是要求給學(xué)生提供更開(kāi)放的項(xiàng)目和空間，最大限度地提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。2007年，文科物理實(shí)驗(yàn)改變了傳統(tǒng)的由教師設(shè)置固定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、學(xué)生按部就班地完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為必做實(shí)驗(yàn)和選做實(shí)驗(yàn)2個(gè)部分。每個(gè)學(xué)生完成教學(xué)要求的3個(gè)必做和4個(gè)選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。開(kāi)放的10多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中既有基礎(chǔ)性內(nèi)容，如電磁學(xué)基本儀器的使用等，也有提高性的內(nèi)容，如光電池特性的研究等，學(xué)生根據(jù)自身的理論基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)需要，有針對(duì)地選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。這種開(kāi)放的教學(xué)形式極大地體現(xiàn)了學(xué)生的自主性，強(qiáng)化了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位。圖1傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與引入計(jì)算機(jī)TA助學(xué)教學(xué)新模式對(duì)比示意圖文科物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理全部依托實(shí)驗(yàn)中心的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)。如圖2所示，學(xué)期初，根據(jù)全校文科學(xué)生總實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目人時(shí)數(shù)，實(shí)驗(yàn)中心設(shè)置好實(shí)驗(yàn)開(kāi)放項(xiàng)目和時(shí)間，學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)約。學(xué)生在預(yù)約時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，刷校園卡獲知實(shí)驗(yàn)桌號(hào)，同時(shí)開(kāi)啟對(duì)應(yīng)桌號(hào)實(shí)驗(yàn)儀器電源，實(shí)驗(yàn)完成后再次刷卡關(guān)閉儀器電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)束3周后，教師將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)登錄到網(wǎng)上，學(xué)生可自行查看。這種全程開(kāi)放的教學(xué)管理模式實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化管理，提高了教學(xué)效率，充分利用了教學(xué)資源并提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

3適應(yīng)文科學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)考核方式

作為一門(mén)擁有獨(dú)立學(xué)分的必修課程，必須通過(guò)一定的考核手段才能較為客觀地評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ欠襁_(dá)到教學(xué)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)課程考核目的就在于能夠正確反映學(xué)生掌握知識(shí)的實(shí)際水平、實(shí)際能力的狀況［12］。文科物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)更重要的是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，提高學(xué)生整體科學(xué)素養(yǎng)，而傳統(tǒng)的“筆試＋平時(shí)表現(xiàn)”的實(shí)驗(yàn)考核方法不能體現(xiàn)該教學(xué)目的。在新形勢(shì)下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來(lái)越受到重視，實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核的改革也成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一［13］。經(jīng)過(guò)多年的文科實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，我系已初步形成了適合文科學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)考核制度。

3．1多元化的實(shí)驗(yàn)考核借鑒理工科物理實(shí)驗(yàn)的考核經(jīng)驗(yàn)，我們將文科物理實(shí)驗(yàn)的考核模式多元化、考核內(nèi)容多樣化，形成多元化的考核模式。

（1）增加實(shí)驗(yàn)課堂考核。比如光學(xué)組合實(shí)驗(yàn)中透鏡的同軸等高的調(diào)節(jié)、如何判斷“假象”、透鏡焦距測(cè)定幾種實(shí)驗(yàn)方法的比較等，使實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中都有探究活動(dòng)參與，用發(fā)散思維多角度、多方向思考，在探究問(wèn)題答案時(shí)，激發(fā)學(xué)生的抽象思維和邏輯思維能力。

（2）與理論課考核相結(jié)合。在理論考試中出若干實(shí)驗(yàn)題，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象設(shè)計(jì)題目、解答，并進(jìn)行討論，從中看出學(xué)生的水平和對(duì)問(wèn)題的處理方法。

（3）對(duì)于一些演示物理實(shí)驗(yàn)及定性觀察、半定量測(cè)量的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，課堂上在教師指導(dǎo)下討論分析，課后由學(xué)生選擇最感興趣的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容寫(xiě)一篇以敘述和設(shè)想為主的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3．2引入課程小論文

隨著學(xué)生整體素質(zhì)的提高，同時(shí)也為了更充分地體現(xiàn)文科學(xué)生的特點(diǎn)，2005年我們引入了實(shí)驗(yàn)課程小論文。文科學(xué)生在完成一學(xué)期的物理實(shí)驗(yàn)課程后，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況及有興趣的方向，獨(dú)立撰寫(xiě)一篇課程小論文。論文的內(nèi)容可以是本學(xué)期實(shí)驗(yàn)總結(jié)性報(bào)告，也可以是就某實(shí)驗(yàn)的深入思考、鉆研報(bào)告等。在寫(xiě)作過(guò)程中，學(xué)生一方面深入鉆研實(shí)驗(yàn)教材，并到圖書(shū)館查找相關(guān)文獻(xiàn)；另一方面相互討論，請(qǐng)教教師，并將相關(guān)的實(shí)驗(yàn)綜合考慮。經(jīng)過(guò)這幾年的實(shí)踐證明，文科物理實(shí)驗(yàn)課程小論文使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)思考進(jìn)入了更深的階段，切實(shí)提高了學(xué)生從事科學(xué)研究所必需的總結(jié)、歸納及撰寫(xiě)論文的能力［14］。

4結(jié)束語(yǔ)

文科物理實(shí)驗(yàn)教育在當(dāng)前受到的廣泛重視及應(yīng)用，說(shuō)明它是一個(gè)富有生命力的課程。文科大學(xué)生涉及人數(shù)眾多，在今后的教學(xué)實(shí)踐中，我們要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)文科物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐摸索，把實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)展得更加合理、更具規(guī)范性，使實(shí)驗(yàn)更具有自主性和探索性，進(jìn)而培養(yǎng)文科學(xué)生的理性思維和實(shí)踐能力，促進(jìn)文科學(xué)生全面發(fā)展、和諧發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展。開(kāi)展文科物理實(shí)驗(yàn)對(duì)大學(xué)素質(zhì)教育有積極深遠(yuǎn)的影響。