付 喜 鐘 鋒

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

付 喜 鐘 鋒

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是理工科大學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的一門重要課程。當(dāng)前，實(shí)施新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式已成為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐的熱點(diǎn)，本文對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式進(jìn)行研究，重點(diǎn)介紹一種常用的大學(xué)物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；科學(xué)探究；探究性實(shí)驗(yàn)；教學(xué)模式

0 引 言

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》是理工科大學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的一門重要課程。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，學(xué)生可以直接觀察和分析重要的物理現(xiàn)象，學(xué)習(xí)和掌握基本的物理實(shí)驗(yàn)方法，并將物理知識(shí)與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來，從而培養(yǎng)他們觀察事物、分析事物、提出問題、探究問題、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、總結(jié)歸納以及解決實(shí)際問題的能力[1]。

為了搞好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師必須重視和研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)。首先，要進(jìn)行完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，確定明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)；其次，要提供開放的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和及時(shí)的輔導(dǎo)，讓學(xué)生不斷自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索并獲得成就感；再次，要充分利用現(xiàn)代教育媒體和信息技術(shù)手段提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，加強(qiáng)教師與學(xué)生的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的探索興趣和重視[1]。其中，實(shí)施新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式成為當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐的熱點(diǎn)，本文將對(duì)大學(xué)物理探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式進(jìn)行研究和探討。

1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)可行性分析

一般來說，科學(xué)探究包括提出問題、猜想與假設(shè)、制定計(jì)劃與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評(píng)估、合作與交流六個(gè)基本過程[2]，因此探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也主要由這六個(gè)基本過程來確定。目前有關(guān)探究性實(shí)驗(yàn)的理論和實(shí)踐研究集中在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，應(yīng)該說在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開展探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)更是完全可行的。

首先，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上看，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中有許多物理實(shí)驗(yàn)都是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步擴(kuò)展和升華，有的甚至在實(shí)驗(yàn)原理和方法上與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本相似。如基本儀器的使用、單擺、驗(yàn)證牛頓第二定律、驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律、固體比熱容的測(cè)定、伏安法測(cè)電阻、薄透鏡焦距的測(cè)定等。另外，從知識(shí)結(jié)構(gòu)水平來看，相比中學(xué)生而言理工科大學(xué)生的物理知識(shí)結(jié)構(gòu)更合理，相應(yīng)知識(shí)水平整體要高，其基礎(chǔ)知識(shí)更加扎實(shí)和豐富，思維能力以及解決和分析問題能力也更強(qiáng)，因此更適合開展自主學(xué)習(xí)和科學(xué)探究式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2 大學(xué)物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究

現(xiàn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材都將實(shí)驗(yàn)原理、步驟以及現(xiàn)象寫得非常清楚和詳細(xì)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只能被動(dòng)驗(yàn)證和機(jī)械重復(fù)，缺乏一定的主動(dòng)性，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中“照方抓藥”，實(shí)驗(yàn)報(bào)告千篇一律，教學(xué)效果很不理想。要提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，必須充分挖掘教材中物理知識(shí)與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合點(diǎn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的探究性，使理工科大學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中變被動(dòng)為主動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)技能、科學(xué)思想和科學(xué)方法等方面受到全面有效地訓(xùn)練。

探究性物理實(shí)驗(yàn)是指由教師給出實(shí)驗(yàn)課題并提出實(shí)驗(yàn)要求和提供實(shí)驗(yàn)器材，由學(xué)生自己擬定實(shí)驗(yàn)方案和制定實(shí)驗(yàn)步驟，獨(dú)立地通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和分析去探索研究，從而發(fā)現(xiàn)“新”的物理現(xiàn)象，并通過建立物理模型來解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的一種新型實(shí)驗(yàn)類型[3]。探究性物理實(shí)驗(yàn)除了具有“可控性”和“可重復(fù)性”這兩個(gè)最基本特征以外，還具有探索性、自主性、開放性等特征[3]，它在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手操作能力，特別是在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和科學(xué)態(tài)度方面有著很好的作用，是大學(xué)生理解科學(xué)探究的重要途徑。

本文結(jié)合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，介紹一種常用的大學(xué)物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。其具體教學(xué)過程如下：

1.1 明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，做好?shí)驗(yàn)探究前準(zhǔn)備工作

即在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施之前讓學(xué)生了解探究性實(shí)驗(yàn)的基本目的和要求。明確實(shí)驗(yàn)探究的目的可讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中能有的放矢，突出教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)；強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)要求則顯示實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)，促使學(xué)生規(guī)范順利地進(jìn)行操作。要重視讓學(xué)生學(xué)會(huì)向社會(huì)、向生活尋找探究課題，進(jìn)行創(chuàng)意性設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)探究。

為了保證探究性實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌行У剡M(jìn)行，教師事先要準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)儀器并提供較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)參考講義及資料。首先，要保證儀器設(shè)備的完好與精度，準(zhǔn)備好觀察工具、測(cè)量工具和記錄工具等必備之物；其次，要留意一些輔助材料的準(zhǔn)備，如導(dǎo)線、導(dǎo)管、接頭等一定要規(guī)范，否則將影響實(shí)驗(yàn)的精度；再次，教師要在實(shí)驗(yàn)講義及相關(guān)參考資料上下足功夫，實(shí)驗(yàn)講義必須由教師根據(jù)儀器設(shè)備的準(zhǔn)備情況及學(xué)生特點(diǎn)親自設(shè)計(jì)和書寫，其內(nèi)容要充分體現(xiàn)科學(xué)探究的思想，要站在學(xué)生的角度思考和分析問題，切記不要把實(shí)驗(yàn)講義變成以前照本宣科的灌輸式教材。探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段是教師花費(fèi)時(shí)間和精力最多的階段，并不是實(shí)驗(yàn)操作階段。

1.2 自主分析和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案

即學(xué)生以實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)講義為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案的分析和設(shè)計(jì)。教師采取提問和討論的方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行指引，找出各個(gè)控制要素間的關(guān)系和實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，并可對(duì)實(shí)驗(yàn)探究方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或重新設(shè)計(jì)，確保得到一個(gè)最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案。

物理實(shí)驗(yàn)方案是多樣的，物理研究提倡學(xué)習(xí)者從不同的角度觀察、分析和解釋物理現(xiàn)象。教師要鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行深入地分析與思考，發(fā)現(xiàn)并提出問題；然后針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出假設(shè)，鼓勵(lì)并輔導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究方案，到實(shí)驗(yàn)中去檢驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，使學(xué)生逐步走上探究式實(shí)驗(yàn)之路。

1.3 探究實(shí)驗(yàn)操作

探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生是實(shí)驗(yàn)操作的主體。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中具體要達(dá)到以下要求：自行完成實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)；實(shí)驗(yàn)中能夠調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置，掌握實(shí)驗(yàn)裝置的操作技術(shù)；掌握大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中常用的實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量方法，進(jìn)行常用物理量的一般測(cè)量；了解常用儀器的性能，學(xué)會(huì)其使用方法；學(xué)習(xí)對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察和分析，解決實(shí)驗(yàn)中的問題，運(yùn)用理論去指導(dǎo)實(shí)踐；具備測(cè)量誤差的基本知識(shí)和測(cè)量技能，能夠正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。教師在實(shí)驗(yàn)過程中要加強(qiáng)巡回檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)指導(dǎo)、啟發(fā)和幫助學(xué)生解決操作中的問題，糾正實(shí)驗(yàn)上的錯(cuò)誤。

為了培養(yǎng)學(xué)生之間的協(xié)作性，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)也可以采取兩人或多人一組的方式。兩人以上一組進(jìn)行操作時(shí)要進(jìn)行適當(dāng)分工。如在設(shè)備安裝時(shí)，一人負(fù)責(zé)接線安裝，另一人檢查核對(duì)是否正確，到另一階段則互換角色。這樣既可使每個(gè)學(xué)生有同樣的操作機(jī)會(huì)，能夠經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)的所有步驟，又避免了因分工不明造成的學(xué)生思維間斷和操作錯(cuò)誤。

1.4 探究實(shí)驗(yàn)總結(jié)和交流

在進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)總結(jié)和交流之前，先要對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的分析和處理，從而能及時(shí)校正實(shí)驗(yàn)以保證歸納出合理的規(guī)律。然后，對(duì)照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)是否驗(yàn)證了物理概念與規(guī)律，是否發(fā)現(xiàn)奇異點(diǎn)，是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。最后，總結(jié)和檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論驗(yàn)證的可信度，分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)最后師生之間要相互展開提問、討論和交流。為什么要這樣做？為什么不能那樣做？有沒有更好的方法？有沒有其它方案？為什么實(shí)驗(yàn)時(shí)有許多要求與約束不能忽

視？通過討論，學(xué)生可以區(qū)分細(xì)微的差別，認(rèn)清實(shí)驗(yàn)方法與理論方法的異同，也有助于實(shí)驗(yàn)者提出有別于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的新實(shí)驗(yàn)方案。教師在討論和交流中要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方向的指導(dǎo)，善于發(fā)現(xiàn)和培植學(xué)生的創(chuàng)新點(diǎn)，形成新思路、新方案、新成果，培養(yǎng)學(xué)生成才。

3 大學(xué)物理探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式運(yùn)用舉例

《單擺測(cè)量重力加速度》是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個(gè)較簡單的實(shí)驗(yàn)，并且其基本內(nèi)容在中學(xué)物理中已學(xué)習(xí)過，因此它的教學(xué)更適合采用探究性實(shí)驗(yàn)的方式來進(jìn)行。

研究目的與思路：本實(shí)驗(yàn)基本原理明確，實(shí)驗(yàn)操作簡單，因此重點(diǎn)應(yīng)該放在數(shù)據(jù)誤差處理上，如計(jì)算重力加速度的不確定度、隨即誤差和系統(tǒng)誤差的分析等，讓學(xué)生接受實(shí)驗(yàn)誤差處理方面的訓(xùn)練。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

教師收集有關(guān)測(cè)量重力加速度及誤差處理方面的參考資料，同時(shí)根據(jù)資料編寫一份參考實(shí)驗(yàn)講義。準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)儀器：單擺、米尺、游標(biāo)卡尺（50分度）、電子停表等。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

讓學(xué)生自學(xué)有關(guān)測(cè)量重力加速度的講義及其他資料，初步設(shè)計(jì)利用單擺測(cè)量重力加速度的方案。然后，教師和同學(xué)們共同進(jìn)行分析和討論，預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中的誤差來源，對(duì)數(shù)據(jù)誤差處理方案進(jìn)行討論，并對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行修正，得出最佳方案。

3.3 實(shí)驗(yàn)操作及結(jié)論

由于實(shí)驗(yàn)操作比較簡單，因此教師可以完全讓學(xué)生自己去操作實(shí)驗(yàn)。同時(shí)為了實(shí)驗(yàn)?zāi)塬@得好的測(cè)量效果，建議采用兩人一組的方式操作，即一人用停表計(jì)算時(shí)間，另一人觀察并記錄擺動(dòng)周期，完成一次測(cè)量后再交換重新測(cè)量。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

教師與學(xué)生就實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析和討論，對(duì)數(shù)據(jù)誤差處理進(jìn)行重點(diǎn)提問：為什么測(cè)量結(jié)果會(huì)偏離真值？怎樣保證測(cè)量的精度？如何計(jì)算測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差？實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程中具體還存在著哪些系統(tǒng)誤差？為了消除這些系統(tǒng)誤差，實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)該怎樣進(jìn)行改進(jìn)？等。通過對(duì)這些問題的思考和解決，讓學(xué)生熟悉不確定度、平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、誤差傳遞等誤差處理方法，對(duì)空氣浮力、空氣阻力、懸線質(zhì)量、擺球的質(zhì)量分布、擺角、秒表和米尺等系統(tǒng)誤差對(duì)重力加速度的影響進(jìn)行熟悉和了解[4]。

4 結(jié) 語

探究性實(shí)驗(yàn)的開設(shè)可以提高理工科學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣，使教學(xué)過程變成學(xué)生發(fā)現(xiàn)信息、捕捉信息、加工信息、研究問題、增長知識(shí)的過程，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力的有效途徑。依據(jù)探究式教學(xué)特征指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改革傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，加大設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)比重，是提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果及效率的有效手段。

[1]鄧于，劉宏.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].渝西學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，4(4)：74-76.

[2]李尚仁主編.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)教師讀本[M].武漢:華中師范大學(xué)出版社,2003. 113-116.

[3]張敏.探索性物理實(shí)驗(yàn)的雙重教育功能[J].物理實(shí)驗(yàn)，2004，24(10)：24-27.

[4]孫衛(wèi)真.單擺法測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn)誤差分析[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，20(3)：331-334.

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湖南科技學(xué)院2009年校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（湘科院教字2009[35]號(hào)）

付喜（1980－），男，湖南省岳陽縣人，講師，博士，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體低維介觀系統(tǒng)的輸運(yùn)、大學(xué)物理教學(xué)改革研究等。

（責(zé)任編校：何俊華）