杜秋姣 程永進 苗秀花 王希成

中國地質(zhì)大學數(shù)學與物理學院 湖北武漢 430074

大學物理實驗分級教學研究

杜秋姣 程永進 苗秀花 王希成

中國地質(zhì)大學數(shù)學與物理學院 湖北武漢 430074

根據(jù)大學物理實驗教學現(xiàn)狀，對分級實驗教學模式提出改進措施。實踐表明，改革有效提升了物理實驗教學的質(zhì)量，是對分級實驗教學模式的進一步探索。

大學物理實驗；分級教學；改進措施

由于我國的理工科教學長期受到教學條件、環(huán)境和師資水平的限制，大部分學校的分級教學內(nèi)容，只按實驗的難易程度簡單劃分為基本、驗證、綜合以及設(shè)計性幾個層次，實驗內(nèi)容和項目變化不大。通過對比國內(nèi)外物理實驗教學現(xiàn)狀，我國高等學校的實驗物理教育起步較晚，國內(nèi)分級教學還需進一步完善，尤其在綜合實驗和設(shè)計實驗的教學內(nèi)容、教學手段以及考核方法上存在較大差距。隨著時代的發(fā)展，國內(nèi)高校的實驗教學條件和環(huán)境都有很大改善。雖然具備了硬件條件，但是實驗內(nèi)容和項目沒有及時更新，經(jīng)典型的驗證性實驗比較多，真正的設(shè)計性實驗比重很少，而國外的實驗教學大部分是設(shè)計性實驗，且與實踐緊密結(jié)合。針對目前存在的這些問題，我們對物理實驗進行了以下幾個方面的教學改革，形成了預(yù)備實驗、基本實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗的四級教學課程新體系。

1 增加基礎(chǔ)實驗的實驗背景講授

在分級教學過程中，由于受多年傳統(tǒng)教學模式的影響，需要優(yōu)化分級教學內(nèi)容，改革教學方式，進一步細化各級實驗項目和實驗時間安排。低年級學生開設(shè)預(yù)備實驗和基礎(chǔ)實驗，大家普遍認為比較單一，對實驗報告要求也比較簡單，主要是實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果。實際上基礎(chǔ)實驗中有的實驗對物理概念的深化、發(fā)現(xiàn)、總結(jié)規(guī)律和對規(guī)律本質(zhì)的解釋做出了歷史性貢獻，但在教學中沒有過多講解。學生認識不到當時為什么要設(shè)計這樣一個實驗，科學家是如何思考的，科學的概念和規(guī)律是怎么產(chǎn)生的；有一些實驗成果為后來的科技發(fā)展開辟了新的研究范圍，派生出很多研究方向，教學中也沒有通過這些實例介紹學科的相關(guān)性；有的實驗成果則產(chǎn)生了一個新的科學領(lǐng)域或者一個新的產(chǎn)業(yè)，但在我們教學中沒有介紹當時的科學技術(shù)背景和經(jīng)濟背景，學生不了解當時的科學家和工程師是怎樣聯(lián)想到它的應(yīng)用方向。只有將這一系列的問題搞清楚，才能真正掌握這些科學知識的精髓，進而展寬學生的思路，啟發(fā)學生提出新問題，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維，因此教學中要加強這方面的講授和引導(dǎo)?？梢岳梅抡孳浖奶摂M實驗環(huán)境于教學中，通過實驗的方法引入新的概念和規(guī)律，把理論教學與實驗教學有機融為一體，按照科學探索和研究的過程進行教學。

2 加強綜合實驗的啟發(fā)和討論環(huán)節(jié)

針對高年級學生開設(shè)綜合實驗和設(shè)計實驗，一般比較復(fù)雜，帶有研究性質(zhì)，完成這些實驗必須經(jīng)過討論，完成實驗所需的時間也很長。一般一項實驗課時僅4學時，在很短的時間內(nèi)要學生了解實驗原理、儀器原理、熟悉儀器的操作使用并完成實驗是不太可能的。因此指導(dǎo)教師只好在實驗教學過程中對實驗原理、實驗步驟、儀器操作方法等盡量交代清楚，結(jié)果導(dǎo)致學生自己思考得太少。很多學生是盲目操作走過場，這種教學實際上是一種填鴨式模仿型教學，達不到培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力，提高綜合素質(zhì)的教學目的。解決的辦法是增加課堂授課，要求教師在課堂講授時注重引導(dǎo)，鼓勵學生獨立設(shè)計實驗方案或步驟，實現(xiàn)教學中師生互動，啟發(fā)學生在實驗中尋找科學問題并領(lǐng)悟關(guān)鍵內(nèi)容與尋找答案的方法。采用課堂授課、實驗和討論相結(jié)合的方式，具體為采用1學時課堂教學、4學時綜合實驗以及1學時口頭報告及討論的方式。其中課堂教學的內(nèi)容和形式以及相關(guān)教學課件的編寫，綜合實驗項目設(shè)計，研究性實驗系統(tǒng)自主開發(fā)，都是研究的重要內(nèi)容。

教師需要積極備課，采用啟發(fā)式、互動式教學，引導(dǎo)學生對實驗的興趣。聯(lián)系實際最能激發(fā)學生的興趣。在楊氏模量的測定實驗中，不僅講清楚實驗原理，而且要告訴學生應(yīng)變應(yīng)用。美國的阿波羅登月飛船就曾貼有許多的應(yīng)變片用以實現(xiàn)多種性能的測試。在材料科學領(lǐng)域一種先進的智能材料很大一部分是通過應(yīng)變片實現(xiàn)。工程上應(yīng)用的電子拉伸、壓縮傳感器、扭矩傳感器等，都是借助應(yīng)變片的工作原理制作的。通過這些例子，使學生對應(yīng)變片產(chǎn)生濃厚的興趣，從而調(diào)動學生的積極性。在討論課中引導(dǎo)學生不在“觀察-測量-整理數(shù)據(jù)”中徘徊，而是把實驗的重點放在“總結(jié)規(guī)律-突出新問題-設(shè)計新實驗”。除了楊氏模量的測定實驗中微小形變量測量方法，引導(dǎo)學生設(shè)計其他的測量微小形變量的方法，例如結(jié)合邁克爾遜干涉儀測波長實驗，運用干涉的方法測微小形變量，并且對比各種測量方法的精度。進一步還可以讓學生加入單片機控制部分實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)采集。通過一系列問題設(shè)計，在學生逐步解決問題的過程中調(diào)動了學生的學習熱情和想象力。

3 引入前沿科學 增大高級實驗的學生受益面

分級教學中的基礎(chǔ)實驗、綜合實驗?zāi)茏寣W生受到系統(tǒng)的實驗技能訓(xùn)練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，而設(shè)計實驗是要培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、分析和解決實際問題的能力，特別是與科學技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，因而實驗教學應(yīng)該面對時代的發(fā)展，科技進步的新趨勢、新挑戰(zhàn)，不斷創(chuàng)新。只有這樣，才能適應(yīng)社會對人才知識和科學素質(zhì)越來越高的要求。在做好綜合實驗的基礎(chǔ)上，開設(shè)8學時創(chuàng)新設(shè)計實驗，引入一些參與過的科研和橫向課題項目，啟發(fā)學生進行選題和實驗設(shè)計，給學生提供獨立思考和解決實際問題的機會，同時也是綜合運用基礎(chǔ)測試技能的鍛煉機會。例如，將超聲、傳感、激光、CCD、計算機數(shù)據(jù)采集等高新技術(shù)引入實驗內(nèi)容中，反映現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展。這樣可以全面考察和提升學生綜合運用能力，包括多學科的知識學習和應(yīng)用，培養(yǎng)了學生的科學思維方式和創(chuàng)新精神。

目前預(yù)備實驗和基礎(chǔ)實驗面向全校理工科學生，而綜合實驗主要對部分專業(yè)學生，例如物理專業(yè)、地質(zhì)基地班、資源勘探工程基地班、地質(zhì)工程實驗班等，每年約300人。設(shè)計實驗面向?qū)ξ锢砀信d趣，實踐能力強的學生，每年約100人。我們把一些簡單、重復(fù)的基礎(chǔ)實驗進行整合，豐富綜合實驗項目，增加近代物理實驗室，逐漸擴大高級實驗的受益面。

充分利用有限資源，加強課前預(yù)習。由于人力財力不足，目前只有基礎(chǔ)實驗對全校理工科學生開課，綜合實驗和設(shè)計實驗只能對部分學生開課，為了充分利用有限資源，增大高級實驗的學生受益面，我們可以通過加強課前預(yù)習的方法解決。低年級學生實驗課使用自編的實驗講義，有比較詳細的實驗儀器及計算機軟件使用說明；對于高年級學生的實驗課，實驗室中備有齊全的參考文獻和資料，學生做實驗時可以隨時查找自己需要的資料，并且所有學生都可以很方便地在實驗室網(wǎng)頁上查到自己所需的實驗指導(dǎo)材料。但是根據(jù)筆者帶綜合實驗的經(jīng)驗觀察，很多學生來到實驗室都未做理論上的準備，并未做實驗方案，導(dǎo)致教師和學生之間的互動與啟發(fā)效果較差，在有限的時間內(nèi)學生的創(chuàng)新思維和自主能動性無從發(fā)揮。所以我們要加強預(yù)習環(huán)節(jié)，課前指導(dǎo)教師對學生進行口頭測試，如果發(fā)現(xiàn)學生預(yù)習不夠充分，可要求學生重新進行預(yù)習，另約時間做實驗。如果出現(xiàn)2次預(yù)習不認真，就取消該項實驗的成績。在口試時，可以和學生一起對實驗中出現(xiàn)的問題進行深入討論，也可以檢查學生對實驗原理和實驗背景的掌握情況。

4 編寫實驗教材和多媒體講義

增加綜合實驗和研究實驗項目，并且編寫新增實驗項目教材。綜合實驗和設(shè)計實驗取材于科研和實際應(yīng)用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、動手能力和探索精神。基于此，我們需要把實驗原理講清楚，實驗儀器介紹詳細，而每項實驗的實驗步驟都不需要明確列出，由學生自己考慮安排，實驗內(nèi)容可以由學生自己擴展，每個實驗基本上由學生自主完成。學生以2～3人一組，可以選擇不同的設(shè)備進行理論分析、探討、擬定實驗方案進行實驗，通過查閱資料，數(shù)據(jù)分析與處理，要求以小論文形式完成綜合實驗。

在啟發(fā)式教學過程中，注意使用多媒體教學手段加強授課效果。編寫的實驗教學課件要生動具體，重點聯(lián)系實際，引導(dǎo)學生提出問題，提升學生的學習興趣。利用多媒體教學和網(wǎng)絡(luò)資源，能有效解決實驗演示時人多擁擠，大部分學生看不到教師講解與示范的問題。

5 改革實驗課成績評定方式

實驗成績是對學生整個實驗環(huán)節(jié)的綜合評價，包括學生實驗前預(yù)習、實驗過程中操作技能、實驗完成后數(shù)據(jù)處理。目前對學生實驗成績的評定，大多以實驗報告的成績?yōu)橐罁?jù)，忽視了實驗前預(yù)習和實驗過程中的表現(xiàn)，無法全面真實地反映學生的實驗水平。因此應(yīng)實行“實驗預(yù)習+實驗操作+實驗報告”的考核模式，既體現(xiàn)公平，又著眼能力培養(yǎng)。

課前通過口頭測驗監(jiān)督學生做好預(yù)習，課堂通過設(shè)置各種問題，引導(dǎo)學生積極思考，拓寬學生思路，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神，給學生提供解決實際問題的機會。實驗操作反映學生現(xiàn)場動手和操作能力，能否對實驗中出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象作正確判斷和分析，是實驗成績評定的重要組成部分。實驗報告是指對實驗數(shù)據(jù)分析和處理情況。對于高年級的設(shè)計實驗需要查閱較多的參考材料，要求獨立完成，并且按照學術(shù)論文的形式寫實驗報告。訓(xùn)練學生通過網(wǎng)絡(luò)資源查找論文和參考書，拓寬視野，從中提煉科學問題，提出解決問題的方法，最終達到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

每項實驗的成績包括實驗預(yù)習、實驗操作以及實驗報告三部分，嚴格把關(guān)每一個環(huán)節(jié)，促進實驗教學。通過實驗預(yù)習、實驗操作以及實驗報告三方面內(nèi)容客觀評價學生，實現(xiàn)實驗培養(yǎng)目標。對設(shè)計性實驗，不僅要有書面報告，還要在實驗動手前做口頭報告，及時發(fā)現(xiàn)問題，保證教學質(zhì)量。

教學改革對教師也提出了很高的要求，教師只有傾注更大的精力才能提升實驗教學水平。改革充分調(diào)動了學生的主動性和積極性，增強師生的互動性，提高了教學效率，提升了實驗課效果。

6 結(jié)束語

通過教學內(nèi)容和教學方法的研究，利用課堂授課和實驗教學相結(jié)合的方式，積極展開啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學，充分調(diào)動了學生的積極性、主動性和創(chuàng)造性，有利于提高學生分析問題和解決問題的能力。充分考慮教學內(nèi)容和現(xiàn)代科技的關(guān)系，引入科學前沿，提高學生的學習興趣。增加綜合實驗和設(shè)計實驗項目，引導(dǎo)學生把實驗的重點放在“總結(jié)規(guī)律-突出新問題-設(shè)計新實驗”，激發(fā)學生學習的積極性和創(chuàng)造性。同時引入多媒體教學手段，有效提高教學質(zhì)量和學習效率。該方案較好地優(yōu)化了物理實驗分級教學，能最大限度提高教師和學生的積極性，充分利用現(xiàn)有的教學資源，提高教學質(zhì)量。方案可以推廣到各大工科院校物理實驗教學中，對其他學科實驗教學也可起到示范、借鑒作用。

[1] 呂恒林,王永良,鄭麗.大學物理實驗分層教學的研究與探索[J].實驗室科學,2012,15(6):173-175.

[2] 鄒文強,羅飛,黃瑞強.大學物理實驗中分類教學的探索與研究[J].大學物理實驗,2006,19(3):95-97.

[3] 曹輝耕.大學物理實驗教學改革的探索[J].中國電力教育,2006(S2):359-360.

[4] 周宙安,張麗娟,李春樹.基礎(chǔ)物理實驗課程體系的改革與實踐[J].湖南科技學院學報,2006(11):168-171.

Research of Hierarchical Teaching on College Physics Experiment

Du Qiujiao, Cheng Yongjin, Miao Xiuhua, Wang Xicheng
China University of Geosciences, Wuhan, 430074, China

According to the situation of university physics experiment teaching, improvement measures are put forward on the hierarchical experimental teaching mode. Practice shows that reform effectively improves the quality of physics experiment teaching and is the hierarchical experimental teaching mode for further exploration.

college physics experiment; hierarchical teaching method; improvement measures

2014-10-29

杜秋姣，博士，副教授。

中國地質(zhì)大學教學研究項目“理工科物理實驗分級教學的優(yōu)化與實踐”；實驗技術(shù)研究項目“高精度楊氏模量高精度自動測量儀器的研制”。