趙麗華 王悅悅 戴朝卿

(浙江農(nóng)林大學(xué)理學(xué)院,浙江臨安 311300)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是提高大學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的重要課程[1]。為了有效地培養(yǎng)大學(xué)生的綜合能力,使學(xué)生能將科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法運(yùn)用到將來的科研和其他創(chuàng)造活動(dòng)中,各高校著手進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系的改革[2-3]。從最初結(jié)構(gòu)單一的“力、熱、電、光”實(shí)驗(yàn)課程體系發(fā)展到層次化漸進(jìn)式的“基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)—綜合性實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)課程體系,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系越來越符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。但隨著這種分層次課程體系的實(shí)施,一些具體問題也逐漸顯露出來。我們通過校內(nèi)外的調(diào)研,并結(jié)合農(nóng)林院校非物理專業(yè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn),對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程體系進(jìn)行改革,建立了“平臺(tái)+模塊”的物理實(shí)驗(yàn)課程新體系。實(shí)踐證明,該課程體系能夠有效地提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和綜合素質(zhì),達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合思維能力和創(chuàng)造能力的目的。

一、分層次課程體系面臨的新問題

目前大部分院校采用了“基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)—綜合性實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)”分層次實(shí)驗(yàn)課程體系,其中大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都具有獨(dú)立的知識(shí)點(diǎn)要求,并且部分院校采用了開放選課的教學(xué)模式。經(jīng)過長期的教學(xué)實(shí)踐,一些問題逐漸顯現(xiàn)。

(一)實(shí)驗(yàn)之間缺乏聯(lián)系,不利于提高學(xué)生的綜合能力

由于學(xué)生自由選擇的時(shí)間不夠充裕,實(shí)驗(yàn)室的資源有限,以及學(xué)生在選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)存在的盲目性,導(dǎo)致學(xué)生沒有選擇或無法選擇到自己感興趣以及前后有聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(二)課程體系系統(tǒng)性不夠,不利于學(xué)生掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法

大一新生已習(xí)慣于系統(tǒng)性較強(qiáng)的高中物理課程體系,而分層次課程體系沒有考慮到各實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的前后聯(lián)系,學(xué)生會(huì)誤以為實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)機(jī)械地重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟的過程,感受不到實(shí)驗(yàn)的樂趣,意識(shí)不到物理實(shí)驗(yàn)的精髓方法在今后學(xué)習(xí)中所發(fā)揮的作用。尤其是在農(nóng)林院校學(xué)時(shí)數(shù)相對(duì)較少的情況下,學(xué)生沒有足夠的時(shí)間去掌握力、熱、光、電的所有實(shí)驗(yàn),一旦學(xué)生在開放選課時(shí)只選擇了獨(dú)立散亂、不成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,就無法系統(tǒng)地掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法,造成學(xué)生所學(xué)的知識(shí)不能很好地融會(huì)貫通,從而無法靈活應(yīng)用知識(shí)、突破創(chuàng)新。

(三)與后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)脫節(jié),不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

目前很多高校的專業(yè)已采用大類招生,專業(yè)特色越來越明顯,但分層次實(shí)驗(yàn)課程體系并未考慮與專業(yè)緊密結(jié)合,與后續(xù)專業(yè)課銜接不合理,致使學(xué)生誤解物理實(shí)驗(yàn)與所學(xué)專業(yè)無關(guān),導(dǎo)致學(xué)習(xí)積極性下降。

此外,由于物理實(shí)驗(yàn)課程與專業(yè)的內(nèi)在聯(lián)系并非顯而易見,貌似無關(guān),學(xué)生誤認(rèn)為學(xué)而無用,學(xué)習(xí)熱情不高。

二、“平臺(tái)+模塊”實(shí)驗(yàn)課程新體系

針對(duì)現(xiàn)有課程體系存在的問題,我們對(duì)其進(jìn)行了改革,提出了“平臺(tái)+模塊”的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程新體系。把所有的物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新分析和分類,將原來獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)有機(jī)聯(lián)系起來,構(gòu)建了統(tǒng)一的公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并按專業(yè)分模塊教學(xué),使實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為螺旋式上升發(fā)展的認(rèn)識(shí)和實(shí)踐過程。具體框架見圖1。

(一)公共實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該平臺(tái)涵蓋了力、熱、電、光各方面的知識(shí)內(nèi)容,包含了涉及基本儀器操作的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和在物理學(xué)發(fā)展史上曾起過重要作用的、物理思想好、設(shè)計(jì)方法妙的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),如密立根油滴實(shí)驗(yàn)、夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)等。這樣,不僅使學(xué)生掌握了基本操作技能,激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣,而且經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的物理思想拓寬了學(xué)生的科學(xué)視野,為學(xué)生進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 “平臺(tái)+模塊”實(shí)驗(yàn)課程新體系

(二)開放式選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K

開放式選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K采用網(wǎng)上選課,開設(shè)多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K小循環(huán)供學(xué)生選擇。學(xué)生可以選擇自己感興趣、且與自己專業(yè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K,為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)?zāi)K化小循環(huán)主要經(jīng)歷4個(gè)階段,如圖2(a)所示,現(xiàn)以其中一個(gè)光學(xué)模塊[見圖2(b)]和電學(xué)模塊[見圖2(c)]為例進(jìn)行說明:

圖2 開放式選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K舉例

如圖2(b)所示,第一階段通過“薄透鏡焦距的測定”實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生運(yùn)用高中所學(xué)的透鏡成像原理,學(xué)會(huì)光學(xué)儀器共軸調(diào)節(jié),掌握光學(xué)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范操作,并且熟悉光學(xué)平臺(tái)上各儀器的功能。此外,實(shí)驗(yàn)中直接測量焦距的自準(zhǔn)法和間接測量焦距的共軛法也能很好地訓(xùn)練學(xué)生對(duì)合成不確定度、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)、有效數(shù)取舍等大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法。第二階段通過“全息照相”實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生綜合運(yùn)用光學(xué)的干涉和衍射原理完成光路擺放,并使其了解現(xiàn)代科技的成果,培養(yǎng)綜合運(yùn)用知識(shí)的能力,為他們的后續(xù)科研工作奠定基礎(chǔ)。第三階段先運(yùn)用偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),讓學(xué)生掌握偏振光的起偏和檢偏方法,理解偏振光的成像原理。接著要求學(xué)生運(yùn)用已有實(shí)驗(yàn)儀器在光學(xué)平臺(tái)上搭建偏振光光路,使其了解偏振光實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而多途徑地掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法,為學(xué)生將來學(xué)會(huì)組裝、改裝儀器奠定基礎(chǔ)。第四階段是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),主要運(yùn)用前面3個(gè)階段學(xué)到的實(shí)驗(yàn)技能和方法設(shè)計(jì)完成望遠(yuǎn)鏡和投影儀的組裝,讓學(xué)生能夠運(yùn)用多種方法和手段實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。這一設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的題材來源于現(xiàn)實(shí)生活,創(chuàng)造了一種促使學(xué)生生動(dòng)活潑地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的環(huán)境,從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。通過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)小循環(huán),學(xué)生不僅掌握了光學(xué)中幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)(干涉、衍射、偏振)的知識(shí)內(nèi)容,而且掌握了光學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和光路圖的設(shè)計(jì),達(dá)到了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。

如圖2(c)所示,我們希望通過第一階段讓學(xué)生掌握電學(xué)基本儀器相關(guān)參數(shù)的選擇方法,學(xué)會(huì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法和規(guī)范操作,并且熟練進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差計(jì)算、分析。第二階段通過改裝和校準(zhǔn)各種電表,了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理以及擴(kuò)大量程的方法,培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。第三階段讓學(xué)生運(yùn)用已掌握的電學(xué)方法和知識(shí)進(jìn)行與現(xiàn)代科技緊密聯(lián)系的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生接觸科學(xué)前沿的內(nèi)容,從而意識(shí)到學(xué)有所用。第四階段采用現(xiàn)實(shí)生活中的溫度計(jì)題材,讓學(xué)生靈活運(yùn)用電學(xué)知識(shí)和方法進(jìn)行設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力,使他們將理論運(yùn)用于實(shí)際,達(dá)到電學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的。

我們開設(shè)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K小循環(huán),不同于以往簡單地將所有實(shí)驗(yàn)按知識(shí)點(diǎn)分塊羅列,而是按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)在聯(lián)系編排實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅具有內(nèi)在聯(lián)系,而且注重實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研、工程以及社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐密切聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)與前沿、經(jīng)典與現(xiàn)代的有機(jī)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從簡到難分層次上升,不僅保留了傳統(tǒng)的分層次實(shí)驗(yàn)課程體系的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也改正了分層次課程體系系統(tǒng)性不足、知識(shí)點(diǎn)之間相互脫離等缺點(diǎn),而且還考慮了專業(yè)特點(diǎn)。通過學(xué)習(xí)任何一個(gè)模塊小循環(huán),學(xué)生能系統(tǒng)地掌握物理實(shí)驗(yàn)的方法,在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生做到學(xué)以致用、舉一反三,培養(yǎng)綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力,全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

(三)近代選做實(shí)驗(yàn)?zāi)K

該實(shí)驗(yàn)?zāi)K中,我們?cè)O(shè)置了具有代表性的物理實(shí)驗(yàn),或者具有新技術(shù)、新方法、新領(lǐng)域特征的近代物理實(shí)驗(yàn)。例如,利用光電效應(yīng)測定普朗克常數(shù)、微波基本系統(tǒng)的了解和使用、高溫超導(dǎo)材料特性測試、用單光子計(jì)數(shù)器測微弱光的光子數(shù)等實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)不僅可以引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注和跟蹤現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的前沿,還有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三、課程新體系的實(shí)施及其效果

我們?cè)?007、2008級(jí)學(xué)生中實(shí)施了“平臺(tái)+模塊”課程體系,編寫了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教材和講義,并結(jié)合各專業(yè)人才培養(yǎng)的要求制訂了各實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求、目的以及教學(xué)效果考核和評(píng)定細(xì)則。

我們對(duì)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)、機(jī)械與材料、環(huán)境與科技、電子信息、統(tǒng)計(jì)與信息等5大類專業(yè)的2007、2008級(jí)共計(jì)1956名學(xué)生進(jìn)行了網(wǎng)上問卷調(diào)查,課程體系改革前后的幾個(gè)代表性問題的調(diào)查結(jié)果見表1:

表1 課程體系改革的效果評(píng)價(jià)

從問卷調(diào)查中我們可以看出,雖然以前的分層次實(shí)驗(yàn)課程體系也得到了大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可,但相比較而言,學(xué)生更樂于接受改革后的實(shí)驗(yàn)課程體系。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng),由“要我做實(shí)驗(yàn)”變?yōu)椤拔乙鰧?shí)驗(yàn)”,大大提高了學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣。實(shí)驗(yàn)課程新體系既能滿足學(xué)生的求知欲望,又能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)。此外,實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提高了教學(xué)效率,使教學(xué)內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣,形成了一個(gè)完整的、統(tǒng)一的有機(jī)體。通過實(shí)驗(yàn)課程新體系的實(shí)施,學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)興趣增加了,學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合能力和創(chuàng)新能力得到了提高,收到了良好的效果。

“平臺(tái)+模塊”的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程新體系解決了分層次課程體系存在的一些問題,加強(qiáng)了各實(shí)驗(yàn)之間的相互融合,強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)培養(yǎng)的作用與效果,使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)真正地學(xué)到了物理實(shí)驗(yàn)方法和知識(shí)技能。實(shí)踐證明,“平臺(tái)+模塊”課程新體系得到了廣大教師與學(xué)生的一致認(rèn)可,全方位地提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力,適應(yīng)了新世紀(jì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求。

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