同一設(shè)計性實驗兩種教學(xué)模式的探索與實踐
——“望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的設(shè)計與組裝”實驗的兩種教學(xué)模式比較

李 田 汪 濤 葉大梧 陶純匡

(重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044)

同一設(shè)計性實驗兩種教學(xué)模式的探索與實踐
——“望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的設(shè)計與組裝”實驗的兩種教學(xué)模式比較

李 田 汪 濤 葉大梧 陶純匡

(重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044)

本文討論比較了“望遠(yuǎn)鏡,顯微鏡的設(shè)計與組裝”實驗的兩種教學(xué)模式.指出,設(shè)計性實驗應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生的積極性,使他們在實驗原理,實驗內(nèi)容,實驗方法等方面充分發(fā)揮主觀能動作用.經(jīng)過設(shè)計性實驗的訓(xùn)練,他們的實驗?zāi)芰头治鰡栴}的能力得到更大的提高.

設(shè)計性實驗;望遠(yuǎn)鏡;顯微鏡

1 前言

自上個世紀(jì)幾十年以來,大學(xué)物理實驗加快了改革的步伐,在國內(nèi)高校大學(xué)物理實驗中涌現(xiàn)了一批設(shè)計性實驗,這應(yīng)該說是一大進(jìn)步.但是由于當(dāng)時并沒有一個指導(dǎo)性的文件闡明基礎(chǔ)課大學(xué)物理實驗的設(shè)計性實驗怎么定位,各校同仁的理解各不相同,因此設(shè)計性實驗項目及其內(nèi)容五花八門.

一部分高校將原來的透鏡成像實驗提升為望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的設(shè)計與組裝.由于“望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的設(shè)計與組裝”實驗(以下簡稱“二鏡”實驗)具備較強的知識性、科學(xué)性、趣味性和實用性,教學(xué)內(nèi)容有選擇性、多樣性和效果的可比性,因此對“二鏡”實驗至少在實驗前學(xué)生的熱情是高漲的,對該實驗具有一定期待.但由于大家對該實驗項目的認(rèn)識不足,理解不深刻,準(zhǔn)備也不充分,結(jié)果實驗后學(xué)生們很失落.學(xué)生普遍反映實驗中元件太少,根本沒有選擇的自由度,談不上設(shè)計(筆者及同事走訪了部分院校.發(fā)現(xiàn)該實驗組裝“二鏡”的元件太少,大部分高校都僅有3個凸透鏡.我們的情況稍好一點,也只有4個透鏡:3個凸透鏡,1個凹透鏡),課后仍然是完成實驗報告而非論文.于是,這個設(shè)計性實驗僅僅是名義上的設(shè)計性實驗,而實際上仍然是一個驗證性的基礎(chǔ)實驗.

這個被拔高的驗證性基礎(chǔ)實驗至少暴露了如下問題:

實驗設(shè)計者缺乏對設(shè)計性實驗中“設(shè)計性”一詞的深入理解,沒有解決設(shè)計性實驗與普通基礎(chǔ)實驗的真正區(qū)別是什么,在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)有哪些與“設(shè)計性”有關(guān)的教學(xué)內(nèi)涵與方法等.

由于上述原因?qū)е聦嶒炂鞑臏?zhǔn)備不充分(3個凸透鏡,一個作目鏡,一個作望遠(yuǎn)物鏡,最后一個作顯微物鏡).學(xué)生完全沒有選擇元件參數(shù)的自由度,當(dāng)然談不上設(shè)計,所謂“設(shè)計”僅體現(xiàn)在實驗項目名稱上而已.

另外,由于元件少,組裝出來的“二鏡”未考慮人眼的構(gòu)造,人的個體差異和缺乏個性,必然實用性差,觀察起來極為不方便,無形中還助長了學(xué)生對科學(xué)問題馬馬虎虎、隨隨便便的態(tài)度與作風(fēng).實驗中缺乏了設(shè)計,論文寫什么?因此只有以普通實驗報告收場.

隨著教學(xué)改革的不斷深入,特別是《理工科非物理類專業(yè)大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求》頒布實施以來,大家對設(shè)計性實驗有了深入而全面的認(rèn)識.我們也反省了自己的教學(xué)大綱和實驗項目,決定全面改造“二鏡”實驗,使之從文字意義的設(shè)計性實驗成為真正的設(shè)計性實驗并成為教師能施展因材施教教學(xué)方法的實驗項目;一個深受學(xué)生歡迎的設(shè)計性實驗.

2 真正意義下的設(shè)計性實驗的探索

1)實驗設(shè)計思路與目標(biāo):“二鏡”設(shè)計性實驗應(yīng)以信息量相對較大、綜合性較強的設(shè)計性實驗內(nèi)容和以啟發(fā)式的教學(xué)方法取代傳統(tǒng)的驗證性實驗.學(xué)生通過“二鏡”設(shè)計性實驗環(huán)節(jié)的鍛練,既可以學(xué)習(xí)到較為深入的光學(xué)知識,又可以發(fā)揮自己在實踐中的主動性,培養(yǎng)和提高自己的創(chuàng)新能力.另外,通過本實驗環(huán)節(jié)的鍛練和培養(yǎng),學(xué)生還可學(xué)習(xí)對科學(xué)問題一絲不茍、精益求精的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和作風(fēng).

2)適當(dāng)增加知識點:“二鏡”設(shè)計性課程的改革提高了“二鏡”實驗的實用性,這不可避免地增加了許多知識點,有些是教材沒有涉及到的.例如“瞳的概念”、“出瞳直徑”、“出瞳距離”、“視窗”、“人眼結(jié)構(gòu)與目視效果”、“分辨率”等.其中以“出瞳距離”較為重要,學(xué)生在設(shè)計具有實用價值的“二鏡”實驗過程中必須掌握.舉例說明:

以下是三組物、目鏡配合,按公式 M=fo/fe都可以實現(xiàn)組裝放大率為20倍的望遠(yuǎn)鏡:

但事實是:望遠(yuǎn)鏡是目視光學(xué)儀器,最終要用人眼觀察,考慮到人眼的結(jié)構(gòu),人眼眼瞳到角膜頂點約4mm,目視光學(xué)儀器的瞳孔距一定要大于此值;再加上眼瞳到睫毛距約8mm,因此目鏡焦距應(yīng)不小于10mm.同時,還要考慮學(xué)生有正常眼和近視眼以及觀察習(xí)慣,出瞳距離應(yīng)該在12～30mm之間較好.因此按此要求,第一組物、目鏡數(shù)據(jù)配合中出瞳距小于12mm,組裝的望遠(yuǎn)鏡顯然不能用于觀察,數(shù)據(jù)完全不能用;第三組數(shù)據(jù)出瞳距大于30mm,組裝的望遠(yuǎn)鏡可以觀察但不方便(要找出瞳像才能獲得較大視場);而第二組數(shù)據(jù)出瞳距在12～30mm范圍內(nèi),符合人眼的結(jié)構(gòu)要求,組裝的望遠(yuǎn)鏡觀察起來方便,是我們可以選用的參數(shù).由此我們看到,為了提高“二鏡”實驗實用性,必須拓展設(shè)計性實驗的知識點.

另外,實驗中我們提供了不同孔徑及焦距的透鏡有10個以上,學(xué)生在預(yù)習(xí)課程的時候會有相同放大率的幾組選擇,在實驗課設(shè)計中還會出現(xiàn)出瞳距的效果好壞及優(yōu)化問題.

3)課程教學(xué)時間安排及要求

該實驗的學(xué)時數(shù)由原來的3學(xué)時改為6學(xué)時,即課前3學(xué)時(學(xué)生自查資料),課內(nèi)3學(xué)時.實驗共分3階段進(jìn)行:第1階段,教師提前告訴學(xué)生“二鏡課”實驗的教學(xué)內(nèi)容安排與要求以及注意事項.課前學(xué)生自查資料,自學(xué)新知識,根據(jù)實驗室能提供的透鏡參數(shù)(事先提供透鏡參數(shù))初步擬定設(shè)計方案;第2階段,課內(nèi)學(xué)生提交設(shè)計方案,獲教師認(rèn)可通過后學(xué)生就可領(lǐng)取透鏡進(jìn)行“二鏡”設(shè)計與組裝的實施及實驗.有問題即時和教師討論解決.組裝的二鏡可在小范圍內(nèi)進(jìn)行效果好壞比較,體現(xiàn)效果的可比性,致使該實驗成為真正意義下的研究設(shè)計性實驗;第3階段,課后撰寫小論文(格式事前提供),字?jǐn)?shù)在2500左右.

4)實驗儀器設(shè)備及器材的完善

為使實驗成為真正義意下的設(shè)計性實驗并具有好的實驗效果,我們還進(jìn)行了如下實驗儀器設(shè)備及器材的改造和完善:

(1)每個實驗組(2人)配備孔徑、焦距 f各不相同的透鏡10個以上,供學(xué)生按設(shè)計方案選擇使用.增加透鏡的品種和數(shù)量,使學(xué)生能根據(jù)自己的理解、觀察習(xí)慣(如戴眼鏡觀察)和個性要求設(shè)計不同配組方案,在組裝時有較大的選擇自由度并實現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)化.

(2)與原實驗相比較,每個實驗組還增設(shè)了兩套實驗室自制的全反射鏡輔助光路.一套是在組裝望遠(yuǎn)鏡時,將物像做二次反射;另一套是在組裝顯微鏡時,將標(biāo)準(zhǔn)尺度做二次反射,提供學(xué)生直觀快捷地對放大或顯微的像與原像或標(biāo)準(zhǔn)作比較.

(3)選配多種輸入物(縮微圖片或標(biāo)本)和標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡(簡易型,主要用于與學(xué)生的實驗結(jié)果進(jìn)行比較.

(4)為了使實驗器材與設(shè)計性實驗相適應(yīng),我們改進(jìn)了原實驗所使用的照明系統(tǒng),提供實驗室自制的LED照明系統(tǒng)從而改善以往該實驗中輸入物亮度不足、學(xué)生視覺易疲勞、讀數(shù)不準(zhǔn)確等弊病,藉以提高學(xué)生的實驗效果與學(xué)習(xí)興趣.

5)加強教師自身建設(shè)及實驗教學(xué)方法的研究

教師的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)方法是設(shè)計性實驗成敗的關(guān)鍵,為此我們進(jìn)行了如下工作:

(1)加強教師的自身建設(shè),增加知識儲備.

(2)加強實驗教學(xué)方法的研究,領(lǐng)悟因材施教的真蒂.教學(xué)指導(dǎo)中忌限制學(xué)生的思維,學(xué)生組裝的二鏡其效果學(xué)生在實驗結(jié)果的相互比較中自有定論.

(3)搞好各種教學(xué)觀摩課,教師間相互學(xué)習(xí)、切磋,共同提高.

3 嚴(yán)格意義的設(shè)計性實驗教學(xué)效果體驗

學(xué)生在該實驗中,面對啟發(fā)式的教學(xué)指導(dǎo),面對眾多的光學(xué)透鏡和多種組合,按照自己的理解和構(gòu)思設(shè)計并組裝4～10倍放大倍數(shù)的望遠(yuǎn)鏡和30～100倍顯微鏡.學(xué)生完成該實驗后,普遍反映實驗內(nèi)容豐富,完成實驗項目有一定的難度,具有挑戰(zhàn)性和吸引力.一句話,改進(jìn)后的實驗真正具有研究與設(shè)計的意義,學(xué)生通過實驗可以鍛煉和培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力.

教師認(rèn)為新的教學(xué)模式對教師是一個挑戰(zhàn),也是教學(xué)活動的一個突破.原來面對眾多學(xué)生以同一種模式和方法照本宣科地授課,對學(xué)生成績的度量是實驗報告.現(xiàn)在改變了,教師必須加強自身建設(shè),增加知識儲備,調(diào)動自己的知識把握能力,運用啟發(fā)式和因材施教的教學(xué)方法指導(dǎo)學(xué)生完成實驗,而對學(xué)生的評價則是通過全過程的表現(xiàn)、實驗結(jié)果以及論文綜合起來評分.

本實驗中教師用啟發(fā)式靈活變化的方法指導(dǎo)學(xué)生,在理論與實踐兩個方面結(jié)合起來綜合考察評價學(xué)生,教學(xué)活動的“教”與“學(xué)”得到有機的最佳統(tǒng)一.

4 為深化教學(xué)改革尋找到了一些可資借鑒的思路和方法

通過“二鏡”課改的實踐,嚴(yán)格意義的設(shè)計性實驗探索取得較好的效果.我們物理實驗中心在課改前期做了大量的準(zhǔn)備工作,進(jìn)行了專門研討,對可能出現(xiàn)的多種因素有一定的預(yù)見,在實際教學(xué)中出現(xiàn)的新情況也得到及時整改和完善.

總結(jié)“二鏡”課改的成功經(jīng)驗,我們還為其他實驗課程的教學(xué)改革創(chuàng)新以及具體實施尋找到了一些可資借鑒的思路和方法.首先是,對實驗課教學(xué)方法深化改革的創(chuàng)新可行性要進(jìn)行充分的研討,全面掌握該實驗項目的特點及課改的可操作性,盡可能預(yù)見到設(shè)計性實驗中會出現(xiàn)的新情況、新問題并設(shè)置應(yīng)對措施;其次是,教學(xué)改革應(yīng)該有學(xué)生參與.教學(xué)是教師和學(xué)生互動的過程,缺一不可.課改可先在小范圍嘗試,及時聽取學(xué)生的意見,不斷進(jìn)行完善,總結(jié)經(jīng)驗后再推廣到涉及面廣的大學(xué)物理實驗中去.

我們希望通過自己的積極努力,使更多的傳統(tǒng)實驗項目與現(xiàn)代教改相銜接,使其技術(shù)含量得到升華,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的教學(xué)實踐中煥發(fā)新的生命.

RESEARCH AND PRACTICE OF TWO DIFFERENT TEACHING MODE OF THE SAME DESIGNING EXPERIMENT

Li Tian Wang Tao Ye Dawu Tao Chunkuang
(College of Physics,Chongqing University,Chongqing 400044)

This paper has discussed and compared the two teaching modes of the design and install of telescope and microscope experiment.It has been pointed out that designing experiments could stimulate the students’motivation and make them fully exert subjective initiative on experiment principle,experiment content and experiment method.After the training of designing experiments,the experiment and analysis ability of the students have been improved greatly.

designing experiment;telescope;microscope

2010-07-15)

李田,女(1958年出生),實驗師,中心副主任,主要從事大學(xué)物理實驗教學(xué)及教學(xué)管理工作.