錢 霞 楊效華

（聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 聊城 252059）

美國馬里蘭大學(xué)教授劉全生提到過，中國大學(xué)最需要“三創(chuàng)”，即創(chuàng)意、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè).在我國傳統(tǒng)教育下，學(xué)生缺少一種銳意求索的探索精神，從小到大被灌輸各種書本理論知識(shí)，最缺少的就是實(shí)踐知識(shí)，更談不上創(chuàng)新.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)重要實(shí)踐手段，對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力有重要的意義.

1 問題解決的過程是知識(shí)和能力獲得的過程

能力是知識(shí)、技能進(jìn)一步概括化和系統(tǒng)化而形成的高度整合性的心理結(jié)構(gòu)，是個(gè)體通過對(duì)知識(shí)、技能的廣泛遷移應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)的.實(shí)踐能力就是個(gè)體解決實(shí)際問題的能力，是個(gè)體完成特定實(shí)踐活動(dòng)的水平和可能性，即保證個(gè)體順利運(yùn)用已有知識(shí)、技能去解決實(shí)際問題所必須具備那些生理和心理特征.創(chuàng)新即不受現(xiàn)成的常規(guī)的思路的約束，尋求對(duì)問題的全新的獨(dú)特性的解答和方法.大多數(shù)心理學(xué)家一致認(rèn)為，有效的問題解決是以豐富的某一問題領(lǐng)域的知識(shí)存儲(chǔ)為基礎(chǔ)的，不但要具有豐富的陳述性知識(shí)，而且要以自己的方式存儲(chǔ)大量的程序性知識(shí)——知道如何去做的策略知識(shí)[1].

對(duì)于知識(shí)和能力的獲得，杜威特別強(qiáng)調(diào)實(shí)踐的作用.他強(qiáng)調(diào)在經(jīng)驗(yàn)中學(xué)，“從做事里面求學(xué)問”，在做的過程中發(fā)現(xiàn)和發(fā)展自己.杜威倡導(dǎo)問題解決教學(xué)模式，認(rèn)為大量的實(shí)踐和發(fā)現(xiàn)活動(dòng)都與學(xué)生問題解決有關(guān)，他認(rèn)為：一個(gè)人必須有他自己的目的和問題，并能自行思考，在教育中，要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用智慧去探究或探索以解決問題，在解決問題的過程中獲得真知[2].問題解決是知識(shí)轉(zhuǎn)化的有效途徑，問題解決檢驗(yàn)個(gè)體能力的高低[3].

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是知識(shí)和能力遷移的過程，是解決問題的過程

物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用，描述自然界物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，抽象性、高度模型化、高度理論性是它的顯著特點(diǎn)，它又是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，有著重大的實(shí)踐性與應(yīng)用性，是需要?jiǎng)?chuàng)造性思維、批判性精神以及高度專業(yè)知識(shí)的研究領(lǐng)域.當(dāng)前物理研究具有兩重性：一是在理論層面對(duì)于物理學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建與完善，包括理論推演、計(jì)算模擬、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等；二是在技術(shù)層面對(duì)于已掌握的物理規(guī)律的挖掘與應(yīng)用，包括與物理有關(guān)的專利設(shè)計(jì)、儀器制造、工業(yè)生產(chǎn)等，涉及航空、航天、醫(yī)學(xué)、電氣、工程、計(jì)算機(jī)等社會(huì)領(lǐng)域[4].

物理實(shí)驗(yàn)是物理研究的重要手段，其廣義的含義包括了探索未知世界的科研性實(shí)驗(yàn)和培養(yǎng)學(xué)生的教學(xué)性實(shí)驗(yàn)，兩者有著千絲萬縷的關(guān)系.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生物理科研素養(yǎng)、認(rèn)知物理世界的重要手段，從某種程度上也可以說是科研性實(shí)驗(yàn)的前期過程.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生來講是一個(gè)知識(shí)和技能學(xué)習(xí)、遷移、轉(zhuǎn)化的過程.學(xué)生在課堂上、書本上學(xué)到的是間接知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)中，通過儀器的操作、數(shù)據(jù)的記錄、分析和處理，學(xué)到了直接知識(shí)；書本上學(xué)到的陳述性知識(shí)——實(shí)驗(yàn)原理、儀器原理、運(yùn)算規(guī)則通過實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí)——儀器的操作、數(shù)據(jù)的運(yùn)算及分析以及完成實(shí)驗(yàn)的方法和途徑；通過完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)技能和技巧的擁有；重要的是，在實(shí)驗(yàn)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)、體驗(yàn)、感悟轉(zhuǎn)化成不能言傳的、不能系統(tǒng)表述的，只能意會(huì)的知識(shí)——緘默知識(shí).而對(duì)實(shí)踐能力形成極為重要的緘默知識(shí)根本無法在書本中找到，只能靠個(gè)體在實(shí)踐中摸索、頓悟以及同行之間在工作過程中隨機(jī)的交流和切磋來獲得[5].

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)同時(shí)也可以理解為一個(gè)做并解決問題的過程.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)可以是驗(yàn)證已有的某個(gè)原理的過程或是給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)并完成實(shí)際實(shí)驗(yàn)方案的過程.雖然大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)有不同的內(nèi)容、不同的形式，但過程都是：為了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)生帶著問題，根據(jù)某一物理原理或規(guī)則，按照一定的實(shí)驗(yàn)步驟，親自操作實(shí)驗(yàn)儀器，完成某一物理過程，記錄原始數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，最終解決問題.

3 以解決問題為目標(biāo)，對(duì)我國大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的幾點(diǎn)思考

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是被普遍接受的觀點(diǎn)，但是不得不承認(rèn)，目前能夠達(dá)到的效果卻遠(yuǎn)不如意.學(xué)校教育往往以客觀主義的知識(shí)觀為主要導(dǎo)向，主要任務(wù)就是讓學(xué)習(xí)者“獲得”知識(shí)，因此，知識(shí)就變得像物品或食物，教育者變成了傳遞者.在這樣的知識(shí)傳輸?shù)倪^程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為因此也被極度地簡化，而學(xué)生在“獲得”固定的知識(shí)體系之后，等待他們的卻是瞬息萬變的信息世界和各種在學(xué)校教育情景中沒有被涉及的新事物和新問題.面對(duì)問題，學(xué)生瞬間感到學(xué)校所學(xué)的嚴(yán)重不足，學(xué)習(xí)者獲得的大量知識(shí)實(shí)際上變成了無法在現(xiàn)實(shí)生活中被隨時(shí)方便地使用的“惰性知識(shí)”[6].因此，我們必須對(duì)此要進(jìn)行思考.物理實(shí)驗(yàn)的目的不只是教學(xué)生使用各種儀器設(shè)備，也不僅是讓學(xué)生學(xué)會(huì)一些實(shí)驗(yàn)的方法與手段，而是讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中既動(dòng)手又動(dòng)腦，通過實(shí)踐真正掌握物理規(guī)律的真諦，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)方法去檢驗(yàn)理論，去解決問題.當(dāng)前很多實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的先進(jìn)性，復(fù)雜性，但是有些國外的實(shí)驗(yàn)室并沒有那么多價(jià)格高昂的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，卻帶給學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的熱愛和研究激情.因此，我們需要轉(zhuǎn)換思維方式，不完全在于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的先進(jìn)與否，而在于教育理念的問題.

3.1 增強(qiáng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)解決問題的特性

“教育課程的重要的最終目標(biāo)就是教學(xué)生解決問題”[7]，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)要強(qiáng)調(diào)解決問題的特性，突出大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理規(guī)律的驗(yàn)證和物理在實(shí)踐中的應(yīng)用.目前很多學(xué)校強(qiáng)調(diào)分層次的、開放式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，設(shè)置驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探索性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)形式.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)很容易被理解為以解決問題為目的的實(shí)驗(yàn)，但是基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的解決問題的特點(diǎn)通常不很清晰，但是換種思路深入挖掘后仍可以得到不同的結(jié)果.伏安法測電阻和二極管的伏安特性測量通常是電學(xué)的入門基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很容易驗(yàn)證出金屬材料電阻的線性特點(diǎn)和二極管伏安特性的非線性特點(diǎn).如果僅僅到這一步，實(shí)驗(yàn)就結(jié)束，學(xué)生也就僅僅掌握了實(shí)驗(yàn)的方法，會(huì)連接比較復(fù)雜的電路，然后驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)了實(shí)驗(yàn)結(jié)論.但是如果讓學(xué)生進(jìn)一步思考實(shí)驗(yàn)背后的物理理論，即為什么金屬材料與半導(dǎo)體材料在導(dǎo)電特性上具有不同的特點(diǎn)？學(xué)生要回答這個(gè)問題，必然要從導(dǎo)體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中尋求答案，結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以寫成是小型的科研論文的形式，這也恰好是數(shù)十年前物理學(xué)家們從事的科研性工作.反過來，要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以科研的方式，研究金屬材料和半導(dǎo)體材料在導(dǎo)電性能上的不同，這時(shí)學(xué)生就必須要逆向思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟，搭電路，測量，讀數(shù)，分析數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論.在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生要考慮各種途徑，找到自己認(rèn)為最好的方式.比如，測量金屬材料的電阻有多種實(shí)驗(yàn)方法，萬用表測電阻、伏安法測電阻、單臂電橋測電阻、雙臂電橋測電阻、非平衡電橋測電阻等等若干方法，但是它們所測電阻具有不同的適用范圍和誤差精確度，在實(shí)踐中具有不同的應(yīng)用特點(diǎn)，給學(xué)生一系列不同特性的電阻，學(xué)生就要采用不同的方法進(jìn)行測量.按照這樣的思路走下去，簡單的實(shí)驗(yàn)，或者說每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都能帶給學(xué)生無窮思考的魅力，從簡單的實(shí)驗(yàn)中獲得物理規(guī)律的真諦.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理論聯(lián)系實(shí)際，能夠解決具體問題的實(shí)驗(yàn)，比如，光敏電阻、光敏二極管是常見的光電轉(zhuǎn)換器件，作為光電傳感器件在實(shí)際生活中有很廣闊的應(yīng)用范圍，學(xué)生在做完研究它們特性的實(shí)驗(yàn)、總結(jié)它們的物理特性后，可以繼續(xù)讓學(xué)生接觸光纖技術(shù)和傳感器技術(shù)，用這些器件做成實(shí)際的光電器件，進(jìn)行應(yīng)用.學(xué)生完成一些物理與其他專業(yè)相結(jié)合的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)，會(huì)讓設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)帶給學(xué)生更多思考、解決問題的機(jī)會(huì).對(duì)于藥學(xué)院的學(xué)生，完全可以接觸類似核磁共振在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用等的實(shí)驗(yàn).對(duì)于搞材料研究的人來講，研究某材料性能的好壞或某些特征是必須要涉及的問題，這要用到很多物理的方法，比如可以用X射線研究材料的晶體結(jié)構(gòu)，或用物理方法研究材料的導(dǎo)電特性等，而讓材料學(xué)院的學(xué)生接觸到這樣的物理應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)無疑是有巨大意義的，既增加了興趣，又對(duì)物理技術(shù)與方法有了深刻的了解，這也恰好可以看成是科研的前期訓(xùn)練.

3.2 將計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中

在當(dāng)前的科研性實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)技術(shù)在采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等方面廣泛應(yīng)用，而這些技術(shù)同樣可以應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中.由計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)更加精確，而學(xué)生利用基本的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，比如用origin處理數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)給出數(shù)據(jù)圖線，按照科學(xué)研究分析數(shù)據(jù)的模式分析數(shù)據(jù)圖線，可以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)論.通過這種模式，既讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用計(jì)算機(jī)軟件處理數(shù)據(jù)的基本技能，又讓學(xué)生可以更加深刻地認(rèn)識(shí)物理現(xiàn)象和物理規(guī)律.考慮到實(shí)驗(yàn)空間和時(shí)間的限制，可以利用計(jì)算機(jī)軟件，讓學(xué)生從電腦上完成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和模擬操作來完成實(shí)驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，相信能夠極大地推進(jìn)學(xué)生對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)的興趣和認(rèn)知.比如在光學(xué)實(shí)驗(yàn)“用牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑”中，已知D2k＝ （4Rλ）k（其中Dk為第k級(jí)干涉暗環(huán)的直徑，R為曲率半徑），在改變透鏡的半徑和采用不同波長的光照射情況下，讓學(xué)生利用origin軟件作出D2k-k關(guān)系曲線，探討各種情況下曲線的不同特性，并從中進(jìn)行對(duì)比分析；而對(duì)于對(duì)實(shí)驗(yàn)極有興趣的學(xué)生，還可以讓他們應(yīng)用flash等軟件在電腦上完成對(duì)該實(shí)驗(yàn)的模擬與分析，這樣牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析會(huì)更加透徹.

3.3 學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室的維修與改造

很多實(shí)驗(yàn)室有很多舊的就要被報(bào)廢的儀器設(shè)備，這些儀器往往被淘汰，被當(dāng)成廢品賣掉或做其他用途.但是，這些廢舊儀器的維修、改造等是學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐操作的極好的機(jī)會(huì)，雖然這些儀器的設(shè)計(jì)已經(jīng)落后，但是還是包含了物理或其他學(xué)科規(guī)律的應(yīng)用，現(xiàn)在很多高級(jí)的實(shí)驗(yàn)儀器采用了黑匣子設(shè)計(jì)，學(xué)生看不到內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，而通過對(duì)這些舊的儀器設(shè)備的觀測，通過拆卸、維修或改造可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)這些儀器的構(gòu)造原理及運(yùn)行機(jī)理，并可以提出改進(jìn)的想法，同時(shí)在這一過程中還可以鍛煉學(xué)生基本的諸如焊接等的基礎(chǔ)技能.

3.4 轉(zhuǎn)變教育理念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生“做中學(xué)”，做思并考

這應(yīng)該是老生常談的問題，但是真正的在課堂上實(shí)踐還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn).歐美等國家的教育讓學(xué)生從小就獨(dú)立做一些事情，包括查資料、做制作、寫小論文等，對(duì)于大學(xué)生，更是要求具有很強(qiáng)的獨(dú)立學(xué)習(xí)能力.在美國斯坦福大學(xué)，大學(xué)為學(xué)生開設(shè)實(shí)驗(yàn)課的目的十分明確，就是要通過物理實(shí)驗(yàn)使學(xué)生懂得如何去研究物理問題，而不是只局限在知識(shí)的傳授和技能的訓(xùn)練范圍內(nèi)，教師的任務(wù)是引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過具體的物理實(shí)驗(yàn)來學(xué)會(huì)如何剖析實(shí)驗(yàn)問題、如何制定最佳實(shí)驗(yàn)方案，給學(xué)生留下很多啟發(fā)性和能夠開闊視野的思路和問題，在教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的實(shí)驗(yàn)操作步驟被有意識(shí)地粗略化，但是留給學(xué)生許多結(jié)合實(shí)驗(yàn)的思考題，促使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前、實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行思考與創(chuàng)造，實(shí)驗(yàn)過程中有不清楚之處時(shí)，學(xué)生可以隨時(shí)查閱實(shí)驗(yàn)室中儀器資料和實(shí)驗(yàn)設(shè)備說明書等參考文獻(xiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段學(xué)生是主角[8].清華大學(xué)電子工程系在這方面有相似的做法，他們以現(xiàn)代通信系統(tǒng)射頻前端為基點(diǎn)，讓學(xué)生自選題目，合作設(shè)計(jì)、制作系統(tǒng)、方案論證、元器件采購、電路安裝、系統(tǒng)性能調(diào)試，到最后驗(yàn)收成果、寫總結(jié)報(bào)告、交流答辯等，使學(xué)生經(jīng)歷開發(fā)研究項(xiàng)目的全過程，真切地了解和嘗試科學(xué)研究的滋味，結(jié)果是取得非常好的效果，大大培養(yǎng)了學(xué)生的解決實(shí)際問題的能力[9].很多出過國的學(xué)生認(rèn)識(shí)到，國外高校的學(xué)習(xí)強(qiáng)度和知識(shí)量之大是國內(nèi)學(xué)校不可比擬的，但是在我國師資力量達(dá)不到的情況下，培養(yǎng)學(xué)生自己學(xué)習(xí)并做的能力是很重要的.

示波器的使用通常是理工科學(xué)生必做的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，通常要求學(xué)生了解示波器的顯像原理、熟悉示波器的使用方法并測量給定交流信號(hào)源的周期、幅值、相位等參數(shù)并觀察信號(hào)的疊加、李薩如圖形等現(xiàn)象.但進(jìn)一步，可以讓學(xué)生利用電阻、電感、電容、二極管、三極管等器件自建各種不同形式的電學(xué)回路，利用示波器觀察電路的比如諧振特性（比如RLC串聯(lián)電路諧振）、暫態(tài)特性、半波整流波形、全波整流波形等的特性現(xiàn)象；在這基礎(chǔ)上，再了解分析示波器在信號(hào)測量、設(shè)備維修、通信設(shè)備等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用（比如示波器在發(fā)信機(jī)測試中的使用）；所需求的大量的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生可以通過學(xué)校圖書館網(wǎng)查找文獻(xiàn)，最終的實(shí)驗(yàn)完成方式可以是小論文模式或設(shè)計(jì)具體器件模式.

總之，大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)途徑不是唯一的，希望本篇文章能夠?qū)υ诖髮W(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力提供一些思路.

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