工科為主型大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

胡 冰,鄧加軍,王文杰,李社強(qiáng),陳 雷

(華北電力大學(xué),北京 102206)

工科為主型大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

胡 冰,鄧加軍,王文杰,李社強(qiáng),陳 雷

(華北電力大學(xué),北京 102206)

物理實(shí)驗(yàn)作為物理教學(xué)的重要內(nèi)容,對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)具有非常重要的作用。針對(duì)華北電力大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體情況,提出了以下改革措施。開(kāi)創(chuàng)了分層次教學(xué)的“四階段”教學(xué)模式,相應(yīng)地開(kāi)設(shè)四門(mén)課程;完善物理演示實(shí)驗(yàn)室和開(kāi)設(shè)物理演示實(shí)驗(yàn)課。

物理實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革;研究性實(shí)驗(yàn);演示實(shí)驗(yàn)

1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性

所有工科專(zhuān)業(yè)為主的大學(xué)都會(huì)開(kāi)設(shè)“物理實(shí)驗(yàn)”這門(mén)必修公共基礎(chǔ)課程,但是很多學(xué)校和學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課程并不是非常重視。這和我們國(guó)家許多年來(lái)從小學(xué)到大學(xué)的教育都注重對(duì)學(xué)生的理論教學(xué)而忽視實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力的培養(yǎng)有很大的關(guān)系。學(xué)生的動(dòng)手能力一直是我國(guó)教育中的短板,中國(guó)學(xué)生的“高分低能”現(xiàn)象也不是現(xiàn)在才出現(xiàn)的。

物理學(xué)是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)[1],理論和實(shí)驗(yàn)都是研究物理的手段,終極目標(biāo)是找到物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的規(guī)律。中國(guó)物理教育的奠基人葉企孫先生指出:“本系自最淺至最深之課程,均為注重于解決問(wèn)題及實(shí)驗(yàn)工作,力戒現(xiàn)實(shí)高調(diào)及虛空之弊”“科目之分配,理論與實(shí)驗(yàn)并重,重質(zhì)而不重量”。周光召先生在1999年10月說(shuō):“為什么本世紀(jì)最重要的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)又恰恰在德國(guó)的土地上發(fā)生?”他歸納為三點(diǎn),而第一個(gè)特點(diǎn)就是德國(guó)人非常重視實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析?？v觀歷年來(lái)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),大部分都屬于物理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)類(lèi)。這些都說(shuō)明了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)中是非常重要的,是與理論教學(xué)并重的。物理實(shí)驗(yàn)課作為面向全體理工科大學(xué)生的第一門(mén)系統(tǒng)的、完整的實(shí)驗(yàn)課,肩負(fù)著讓學(xué)生受到嚴(yán)格的、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練,掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、方法的重任,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、科研創(chuàng)新能力是必不可少的[2]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的建設(shè)、特色創(chuàng)新

目前我校的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和一些名牌大學(xué)相比還是比較落后的,所以我校提出必須進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,在“211工程”、校教務(wù)處和北京市教改項(xiàng)目的大力支持下建立物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心正在積極建設(shè)中,教學(xué)改革也如火如荼地進(jìn)行著。為了更好的進(jìn)行改革,我們對(duì)幾所高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心進(jìn)行了調(diào)研,比如南京大學(xué)和東南大學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心[3,4]、中國(guó)石油大學(xué)(北京)北京市實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心[5]等。針對(duì)我校的具體情況,借鑒以上教學(xué)示范中心的經(jīng)驗(yàn),提出了以下物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革舉措。

2.1 分層次教學(xué)模式

20世紀(jì)80年代初,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室在全國(guó)高校中率先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程體系和教學(xué)方法的改革,改變了物理實(shí)驗(yàn)作為理論課程延伸的做法,提出了物理實(shí)驗(yàn)是一門(mén)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的獨(dú)立課程,開(kāi)創(chuàng)了按學(xué)生能力培養(yǎng)的分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。我校開(kāi)創(chuàng)了“實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ念A(yù)備訓(xùn)練-實(shí)驗(yàn)基本能力的培養(yǎng)-綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠?xùn)練-科學(xué)研究能力的培養(yǎng)”四階段的教學(xué)模式。在這個(gè)教學(xué)模式的指導(dǎo)下相應(yīng)的開(kāi)設(shè)四門(mén)物理實(shí)驗(yàn)課程,分別是預(yù)備物理實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(1)-基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(2)-綜合性實(shí)驗(yàn)、研究性物理實(shí)驗(yàn)。分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)便于各個(gè)不同的院系進(jìn)行選擇組合,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的普適性使得效率得到極大提高。下面簡(jiǎn)單介紹一下這四門(mén)課程的具體授課方式和授課對(duì)象等。

(1)預(yù)備物理實(shí)驗(yàn)。這門(mén)課程是為大學(xué)一年級(jí)的理工科新生開(kāi)設(shè)的選修課。由于我國(guó)各地教育資源不均衡,有些地方高中的實(shí)驗(yàn)條件有限,導(dǎo)致有些大一新生物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)薄弱,甚至沒(méi)有受到過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。為此,開(kāi)設(shè)了這門(mén)集補(bǔ)課、體驗(yàn)、自主、開(kāi)放為一體的選修課,為這部分大一新生提供補(bǔ)課機(jī)會(huì),為以后物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。預(yù)備物理實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,學(xué)生自由選做4個(gè)實(shí)驗(yàn),比如,用天平測(cè)物體密度、電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中的常用基本儀器、薄透鏡成像及其焦距的測(cè)定、液體比熱容的測(cè)定等。這些實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物理知識(shí)主要是學(xué)生中學(xué)時(shí)學(xué)過(guò)的。學(xué)生自由選做實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,自由選擇上課時(shí)間,上課前在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)中進(jìn)行電子教案預(yù)習(xí),網(wǎng)上完成預(yù)習(xí)報(bào)告。為了避免過(guò)去學(xué)生寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告一味抄書(shū)的現(xiàn)象,網(wǎng)上預(yù)習(xí)報(bào)告采取教師預(yù)設(shè)好幾個(gè)問(wèn)題、學(xué)生回答的方式。能夠回答出這幾個(gè)問(wèn)題,學(xué)生對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理等也就基本掌握了。上課時(shí)采取教師講解、教學(xué)視頻錄像輔助、研究生輔導(dǎo)的方式。學(xué)生課后網(wǎng)上遞交報(bào)告,教師網(wǎng)上打分,期末成績(jī)系統(tǒng)自動(dòng)生成。

(2)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(1)-基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。這門(mén)課程是為全校理工科學(xué)生開(kāi)設(shè)的必修課,主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(1)開(kāi)設(shè)3學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)緒論課和8個(gè)固定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,比如靜態(tài)法測(cè)量金屬絲的楊氏彈性模量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定、示波器的使用、液體粘滯系數(shù)的測(cè)定等。學(xué)生自由選擇上課時(shí)間,課前網(wǎng)上遞交預(yù)習(xí)報(bào)告,上課采取教師講解和輔導(dǎo)、教學(xué)視頻錄像輔助的方式?？己朔绞绞蔷w論課筆試占10%,預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)過(guò)程考察、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果討論占80%,期末抽測(cè)一個(gè)實(shí)驗(yàn)占10%(期末抽測(cè)的目的是為了讓學(xué)生期末時(shí)對(duì)這學(xué)期所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)習(xí)回顧)。

(3)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(2)-綜合性實(shí)驗(yàn)。這門(mén)課程是為大部分理工科學(xué)生開(kāi)設(shè)的必修課,主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的綜合物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新研究意識(shí)。在這門(mén)課上,學(xué)生完成8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其中4個(gè)是教師限定的必做項(xiàng)目,4個(gè)是學(xué)生自由選做項(xiàng)目。學(xué)生從12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)相關(guān)性和興趣選擇4個(gè)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括利用霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)、分光計(jì)的調(diào)整及三棱鏡折射率的測(cè)定、密立根油滴法測(cè)定電子電荷、邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)等。授課方式與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(1)基本相同,不同的是學(xué)生在完成了8個(gè)實(shí)驗(yàn)中教師規(guī)定的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后,可以在8個(gè)實(shí)驗(yàn)中選1-2個(gè)感興趣的做拓展實(shí)驗(yàn)。拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容教師不作規(guī)定,學(xué)生自己思考。比如惠斯通電橋測(cè)電阻這個(gè)實(shí)驗(yàn),利用線式和箱式惠斯通電橋測(cè)電阻是基本內(nèi)容,學(xué)生拓展實(shí)驗(yàn)可以考慮用惠斯通電橋測(cè)溫度、利用惠斯通電橋做報(bào)警器等。學(xué)生可以在任何實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放的時(shí)間段來(lái)做拓展實(shí)驗(yàn),也可以和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)教師進(jìn)行討論。拓展實(shí)驗(yàn)做的好的學(xué)生會(huì)在期末成績(jī)中得到加分,沒(méi)做拓展實(shí)驗(yàn)的學(xué)生期末成績(jī)不能得優(yōu)。拓展實(shí)驗(yàn)的施行突破了老師規(guī)定什么學(xué)生做什么的陳舊模式,鼓勵(lì)學(xué)生自己獨(dú)立思考,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新研究意識(shí)。

(4)研究性物理實(shí)驗(yàn)。這門(mén)課程在下面專(zhuān)門(mén)介紹。

2.2 學(xué)生主導(dǎo)型研究性物理實(shí)驗(yàn)

研究性物理實(shí)驗(yàn)課程是在我系原有的創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)課的基礎(chǔ)上改進(jìn)的一門(mén)選修課。課程主要面向具有一定實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)的創(chuàng)新班、實(shí)踐班和一些有深造愿望、成績(jī)優(yōu)秀的高年級(jí)本科生。該課程通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究的有機(jī)結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力,使學(xué)生初步了解科學(xué)研究思維方式和方法,提高學(xué)生的就業(yè)適應(yīng)面和競(jìng)爭(zhēng)力[6-7]。

基于課題型的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式可以縮短實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練和科學(xué)研究之間的距離,在設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上注意具有一定的物理前沿性,和本系學(xué)科方向相結(jié)合,充分利用系里已有的科研設(shè)備設(shè)置相關(guān)的實(shí)驗(yàn)選題。在儀器購(gòu)置時(shí)盡量避免購(gòu)置純教學(xué)的儀器,購(gòu)置一些可以開(kāi)展一定科研工作的儀器裝置,這將是一個(gè)教學(xué)和科研相互促進(jìn)的良性循環(huán)。比如,利用我們已有的高真空的材料制備系統(tǒng),設(shè)計(jì)出制備薄膜和納米材料的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,例如氧化鋅納米材料的制備等;利用可達(dá)到4K的閉循環(huán)低溫制冷系統(tǒng)、SR830鎖相放大器、電磁鐵(磁場(chǎng)小于2T)等,設(shè)計(jì)出一系列測(cè)量新材料(比如半導(dǎo)體材料)電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,例如反?；魻栃?yīng)的研究、巨磁阻效應(yīng)的研究等。學(xué)生的創(chuàng)新能力和研究能力必須在實(shí)踐中摸索體會(huì),為了激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)探索的積極性,研究性物理實(shí)驗(yàn)課程首先提出確立學(xué)生實(shí)驗(yàn)主導(dǎo)地位,使得學(xué)生通過(guò)本課程學(xué)習(xí)獲得一整套科學(xué)研究方法的訓(xùn)練,包括查閱文獻(xiàn)、資料,提出實(shí)驗(yàn)課題,準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,完成實(shí)驗(yàn),寫(xiě)作研究論文,進(jìn)行答辯。這種教學(xué)模式使教學(xué)活動(dòng)始終以學(xué)生為主體,使學(xué)生從知識(shí)的被灌輸者成為知識(shí)的主體構(gòu)建者。

2-3個(gè)學(xué)生組成一組從實(shí)驗(yàn)室提供的若干個(gè)開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)課題中選擇一個(gè),參考老師列出的相關(guān)文獻(xiàn),學(xué)生自己找出些研究性的課題進(jìn)行研究,學(xué)生可以跟老師討論其可行性,并進(jìn)行開(kāi)題報(bào)告。課程時(shí)間雖每周1次,但實(shí)驗(yàn)室全天向?qū)W生開(kāi)放。課題小組可以利用實(shí)驗(yàn)室通用、開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺(tái)自行搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在教師的指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)。評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)則采用論文答辯形式,根據(jù)課題新穎性、內(nèi)容的豐富度、對(duì)課題原理理解的深度以及表達(dá)能力進(jìn)行綜合評(píng)分。通過(guò)課題實(shí)驗(yàn)提供的科學(xué)研究訓(xùn)練,很多同學(xué)都認(rèn)為大有收獲:提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性,增強(qiáng)了實(shí)際動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,啟發(fā)了科學(xué)研究意識(shí)與思維,培養(yǎng)了基本的科研實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

對(duì)于做出優(yōu)秀成果的學(xué)生,鼓勵(lì)他們?cè)趯W(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文,參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽等。近三年來(lái),我校學(xué)生利用從物理實(shí)驗(yàn)課中提煉出來(lái)的成果參加北京市大學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽,獲得二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)達(dá)到十多項(xiàng)。

2.3 物理演示實(shí)驗(yàn)

從歷史上講,物理演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是隨堂的,教師講什么緊接著演示什么。但是由于大學(xué)招生規(guī)模擴(kuò)大、課堂容量增大、上課教室多且分散、演示儀器少等諸多原因,隨堂演示實(shí)驗(yàn)越來(lái)越少,甚至完全消失。為了能夠更好的為學(xué)生演示有趣的物理現(xiàn)象,近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)高校都非常重視對(duì)物理演示實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。我校的演示實(shí)驗(yàn)室自2005年建設(shè)以來(lái)已經(jīng)具有力、熱、光、電、近代物理五個(gè)系列的幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,但是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還不夠豐富,正在繼續(xù)增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和開(kāi)設(shè)物理演示實(shí)驗(yàn)課程。

物理演示實(shí)驗(yàn)課程是面向全校理工科和文科學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)選修課。該課程以對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、思考、定性或半定量分析為主,不深究嚴(yán)格的物理理論,不要求對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出準(zhǔn)確的定量分析,以便充分展示演示實(shí)驗(yàn)的趣味性和在描述物理概念上的直觀性、易接受性,使理工科的學(xué)生能夠加深和鞏固對(duì)已學(xué)物理概念的理解,對(duì)尚未學(xué)到的物理知識(shí)能建立一個(gè)直觀的、定性的物理概念,以激發(fā)學(xué)生求知探索的欲望,提高實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和科技創(chuàng)新能力。文科的學(xué)生通過(guò)觀察神奇的物理演示現(xiàn)象,聆聽(tīng)老師對(duì)相應(yīng)物理知識(shí)的介紹,能夠更容易地理解物理、了解自然科學(xué),了解科技進(jìn)步對(duì)人類(lèi)文明的貢獻(xiàn)。該課程有利于文科生增加科技背景,全面提高綜合素質(zhì)。

物理演示實(shí)驗(yàn)課程授課方式是在演示實(shí)驗(yàn)室上課,教師先演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,再講解產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的物理原理,最后組織學(xué)生討論。授課過(guò)程中配以視頻和實(shí)物投影,方便學(xué)生更清楚的觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?？己朔绞绞情]卷筆試加小制作或小論文。小制作小論文以設(shè)計(jì)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)為主,旨在開(kāi)拓學(xué)生的知識(shí)面,鍛煉他們的動(dòng)手、動(dòng)腦能力,在實(shí)驗(yàn)綜合思考能力上有個(gè)飛躍,從而調(diào)動(dòng)他們的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造力。

3 結(jié) 論

針對(duì)我校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體情況,為了更好地建設(shè)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,提出了以下教學(xué)改革措施。一方面,施行分層次教學(xué),開(kāi)創(chuàng)“實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ念A(yù)備訓(xùn)練-實(shí)驗(yàn)基本能力的培養(yǎng)-綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠?xùn)練-科學(xué)研究能力的培養(yǎng)”四階段的教學(xué)模式。在這個(gè)教學(xué)模式的指導(dǎo)下開(kāi)設(shè)四門(mén)物理實(shí)驗(yàn)課程,分別是預(yù)備物理實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(1)-基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(2)-綜合性實(shí)驗(yàn)、研究性物理實(shí)驗(yàn)。教學(xué)方式從傳統(tǒng)的力、熱、電、光分塊教學(xué)轉(zhuǎn)化為分層次、分階段的新的教學(xué)體系。另一方面,完善物理演示實(shí)驗(yàn)室和開(kāi)設(shè)物理演示實(shí)驗(yàn)課程,使理科生加深物理概念的理解,文科生提高科學(xué)素養(yǎng)。

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[4] 東南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心,http://phylab.seu.edu.cn/,2015-02-02.

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Teaching Reform Exploration of Physics Experiment Course of Technological University

HU Bing,DENG Jia-jun,WANGWen-jie,LIShe-qiang,CHEN Lei
(North China Electric Power University,Beijing 102206)

As a part of physics teaching,physics experiment has an important effect on improving and developing the ability of students.The innovativemethods are proposed according to the situation of physics experiment teaching at North China Electric Power University.On the one hand,four courses are set up based on the teaching pattern ofmultiple layers.On the other hand,the physics demonstration laboratory is established and the course of physics demonstration experiment is set up.

physics experiment;teaching reform;research-based experiment;demonstration experiment

G 642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.035

1007-2934(2015)06-0117-04

2015-07-24

2014年北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革項(xiàng)目(2014-ms114);華北電力大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(JB2014106)