白亮

摘要：本文首先比較了國內(nèi)外大學(xué)物理實驗教學(xué)的不同之處，認(rèn)識到我國與國外先進(jìn)教學(xué)理念、教學(xué)方法上存在的差距。然后詳述了上海工程技術(shù)大學(xué)的物理實驗創(chuàng)新方案，最后詳細(xì)介紹了將光譜儀引入創(chuàng)新性設(shè)計實驗的教學(xué)實踐案例。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗；創(chuàng)新性設(shè)計實驗；光譜儀

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）08-0079-03

一、引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及社會的不斷進(jìn)步要求現(xiàn)代教育也必須做出相應(yīng)的改革，以現(xiàn)代教育的理念去指導(dǎo)教學(xué)實踐。教育就是對人的培養(yǎng)，人是教育的第一要素，也是教育的核心所在，因此一切教育活動都應(yīng)該圍繞個人展開[1]。大學(xué)應(yīng)該以學(xué)生為本，為學(xué)生提供良好的環(huán)境，教師不應(yīng)該是知識的灌輸者，而應(yīng)成為服務(wù)者，“授人以漁”，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。而大學(xué)物理實驗與現(xiàn)代教育理念的結(jié)合具有得天獨厚的優(yōu)勢，它最能體現(xiàn)學(xué)生的探究性與創(chuàng)造性。物理實驗的功能，除了測量和驗證，還有更重要的一點就是發(fā)現(xiàn)與探究。因此大學(xué)物理實驗的創(chuàng)新是高等教育發(fā)展的必然要求。

二、國內(nèi)外大學(xué)物理實驗教學(xué)的比較

在國內(nèi)傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)中，實驗課程的開展往往是教師根據(jù)實驗教材在實驗室里詳細(xì)講解實驗原理和實驗步驟，學(xué)生則照搬教師的講解進(jìn)行實驗，很多情況下，學(xué)生做完實驗后對諸如實驗步驟為何這樣確定、實驗方法的依據(jù)何在等問題不甚明了。真正的實驗課程需要學(xué)生主動參與，包括主動尋求實驗原理和方法、設(shè)計實驗步驟、對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與反思，而這方面國內(nèi)大學(xué)物理實驗教學(xué)卻較少要求。在歐美發(fā)達(dá)國家，實驗教學(xué)理論可以認(rèn)為是一種合作學(xué)習(xí)理論，普通物理實驗是一種探究式實驗。大學(xué)物理實驗教學(xué)和大學(xué)物理課堂教學(xué)一般都是整合在大學(xué)物理課程之中的。如在MIT普通物理學(xué)課程中，學(xué)生按照3人一組進(jìn)行分組，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，教師講解理論知識并指導(dǎo)學(xué)生實驗[2]。另外，教學(xué)方法、教學(xué)手段的多樣，例如哈佛大學(xué)的Home lab很有特色。發(fā)給學(xué)生一個實驗箱，里面有各種小工具，作為家庭作業(yè)可以帶回家去完成[3]。美國、德國的大學(xué)還開有許多根據(jù)高新科技設(shè)計的趣味性實驗，以增加學(xué)生的興趣[4，5]。哥倫比亞大學(xué)、麻省理工學(xué)院的“upper Division”實驗課，斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)的“project”實驗課，注重為學(xué)生提供足夠的條件，由學(xué)生選擇實驗題目、擬定實驗方案、配置實驗設(shè)備、測量數(shù)據(jù)、分析結(jié)果、完成報告、對實驗的時間和最終結(jié)果不作硬性規(guī)定，學(xué)生可以根據(jù)自己的時間、能力及興趣來安排[1，6]。這類實驗強調(diào)的是研究、創(chuàng)新、探索未知世界的精神，這是物理實驗的根本任務(wù)和最終價值，也是物理實驗教學(xué)追求的崇高目標(biāo)之一。

三、我校大學(xué)物理實驗的創(chuàng)新

上海工程技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)學(xué)院已經(jīng)開始積極實施物理實驗教學(xué)改革。在實驗課程中，教師簡明扼要地講解實驗要求和實驗器材的使用注意事項，實驗中其他環(huán)節(jié)交由學(xué)生自己處理，而教師從整體上對教學(xué)進(jìn)度進(jìn)行控制。在物理實驗教學(xué)中根據(jù)不同性質(zhì)的實驗合理應(yīng)用啟發(fā)式、討論式、研究式等教學(xué)模式。在教學(xué)目標(biāo)上，通過創(chuàng)新性物理實驗，訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)探究能力以及各種實驗操作技巧，如提出假設(shè)、設(shè)計實驗過程、收集數(shù)據(jù)、作圖、推論以及反思批判思考等能力，拓寬其創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)團(tuán)隊精神。在教學(xué)過程中，教師先詳細(xì)介紹先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用前景，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，再介紹相關(guān)的物理學(xué)原理。教師為學(xué)生提供基本的實驗理論的資料和設(shè)備說明書，并且加以說明和介紹，學(xué)生分組協(xié)作，研究資料和設(shè)備狀況后，先完成一些基本實驗內(nèi)容，而后對實驗提出自己的意見，并與教師協(xié)商決定創(chuàng)新性設(shè)計實驗的具體課題內(nèi)容，提出創(chuàng)新性實驗方案，然后組織實施方案，完成創(chuàng)新性實驗和報告。而教師對學(xué)生的評價主要看學(xué)生在實驗過程中的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新點的實施情況。

四、創(chuàng)新性設(shè)計實驗的教學(xué)實踐

上海工程技術(shù)大學(xué)已經(jīng)開設(shè)五十多種創(chuàng)新性設(shè)計實驗供學(xué)生選擇，在此僅舉一例說明我校創(chuàng)新性設(shè)計實驗的教學(xué)實踐情況。將光譜儀引入創(chuàng)新性設(shè)計實驗教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生了解光譜儀的原理，熟悉其操作，并能熟練使用光譜儀進(jìn)行測試，本實驗由學(xué)生組成2～3人小組，6學(xué)時完成。首先，老師為學(xué)生介紹光譜儀的應(yīng)用范圍。光譜分析在物理學(xué)、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科以及冶金、地質(zhì)、機械、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。光譜儀作為光譜分析中的檢測儀器在實際工業(yè)生產(chǎn)及科研活動中有極其廣泛的應(yīng)用。正因為如此，我們才將光譜儀引入創(chuàng)新性設(shè)計實驗中。采用多媒體教學(xué)，可以利用互聯(lián)網(wǎng)隨時查找相關(guān)資料。第二步，在充分調(diào)動起學(xué)生的積極性后，向?qū)W生介紹光譜儀的構(gòu)造及其物理原理。本實驗室的光譜儀如圖1所示，由激發(fā)光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、樣品檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)組成。光源系統(tǒng)為氙燈光源，光譜范圍200nm～1800nm。作為核心部件的單色儀（分光系統(tǒng)）采用光柵分光，而多光柵塔臺設(shè)計，更好地發(fā)揮了儀器覆蓋UV-VIS-IR全波段光譜范圍的優(yōu)勢，并可根據(jù)需要更加靈活地選擇。檢測系統(tǒng)由單色儀和探測器組成，探測器使用光電倍增管，工作波長185nm～650nm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用單光子計數(shù)器，“單光子計數(shù)技術(shù)”是利用在弱光下光電倍增管輸出信號自然離散化的特點，采用精密的脈沖幅度甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)，把淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。這里，重點講解的是光柵及其分光原理，其余儀器原理由學(xué)生在老師的指導(dǎo)下自己查閱。第三步，老師提供儀器設(shè)備及軟件說明書，實驗小組討論研究儀器的使用，并進(jìn)行簡單實驗，如檢測汞燈的特征光譜。學(xué)生熟悉光譜儀操作后，再與老師討論提出創(chuàng)新性設(shè)計實驗的實驗方案。我們根據(jù)此套光譜儀的特點提出了測量物質(zhì)熒光光譜的實驗方案，最后完成實驗和報告。

本文對比了國內(nèi)外在大學(xué)物理實驗教學(xué)的不同之處，詳細(xì)介紹了國外大學(xué)在教學(xué)理念、教學(xué)方式方法、教學(xué)內(nèi)容等多方面的先進(jìn)經(jīng)驗。提出我們需要逐步改變物理實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，盡快建立更科學(xué)的物理實驗教學(xué)體系。并且詳述了上海工程技術(shù)大學(xué)物理實驗教學(xué)創(chuàng)新改革和教學(xué)實踐的經(jīng)驗。我們在實驗教學(xué)的開放性、如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、如何引導(dǎo)學(xué)生利用先進(jìn)儀器進(jìn)行科研等方面還有待進(jìn)一步提高，物理實驗教學(xué)體系還有待進(jìn)一步完善。

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