胡 冰,鄧加軍,王文杰,李社強,陳 雷

(華北電力大學,北京 102206)

工科為主型大學物理實驗教學改革探索

胡 冰,鄧加軍,王文杰,李社強,陳 雷

(華北電力大學,北京 102206)

物理實驗作為物理教學的重要內容,對學生能力的培養(yǎng)具有非常重要的作用。針對華北電力大學物理實驗教學的具體情況,提出了以下改革措施。開創(chuàng)了分層次教學的“四階段”教學模式,相應地開設四門課程;完善物理演示實驗室和開設物理演示實驗課。

物理實驗;教學改革;研究性實驗;演示實驗

1 物理實驗教學的重要性

所有工科專業(yè)為主的大學都會開設“物理實驗”這門必修公共基礎課程,但是很多學校和學生對物理實驗這門課程并不是非常重視。這和我們國家許多年來從小學到大學的教育都注重對學生的理論教學而忽視實驗動手能力的培養(yǎng)有很大的關系。學生的動手能力一直是我國教育中的短板,中國學生的“高分低能”現(xiàn)象也不是現(xiàn)在才出現(xiàn)的。

物理學是一門實驗科學[1],理論和實驗都是研究物理的手段,終極目標是找到物質運動和變化的規(guī)律。中國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,均為注重于解決問題及實驗工作,力戒現(xiàn)實高調及虛空之弊”“科目之分配,理論與實驗并重,重質而不重量”。周光召先生在1999年10月說:“為什么本世紀最重要的物理學發(fā)現(xiàn)又恰恰在德國的土地上發(fā)生?”他歸納為三點,而第一個特點就是德國人非常重視實驗和實驗數(shù)據(jù)的分析?？v觀歷年來的諾貝爾物理學獎,大部分都屬于物理實驗發(fā)現(xiàn)類。這些都說明了物理實驗教學在大學物理教學中是非常重要的,是與理論教學并重的。物理實驗課作為面向全體理工科大學生的第一門系統(tǒng)的、完整的實驗課,肩負著讓學生受到嚴格的、系統(tǒng)的實驗技能訓練,掌握科學實驗的基本知識、方法的重任,對培養(yǎng)學生的動手能力、科研創(chuàng)新能力是必不可少的[2]。

2 實驗教學的建設、特色創(chuàng)新

目前我校的物理實驗教學和一些名牌大學相比還是比較落后的,所以我校提出必須進行物理實驗教學改革,在“211工程”、校教務處和北京市教改項目的大力支持下建立物理實驗教學中心。目前實驗教學中心正在積極建設中,教學改革也如火如荼地進行著。為了更好的進行改革,我們對幾所高校的實驗教學示范中心進行了調研,比如南京大學和東南大學國家級實驗教學示范中心[3,4]、中國石油大學(北京)北京市實驗教學示范中心[5]等。針對我校的具體情況,借鑒以上教學示范中心的經(jīng)驗,提出了以下物理實驗教學改革舉措。

2.1 分層次教學模式

20世紀80年代初,大學物理實驗室在全國高校中率先進行實驗課程體系和教學方法的改革,改變了物理實驗作為理論課程延伸的做法,提出了物理實驗是一門培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的獨立課程,開創(chuàng)了按學生能力培養(yǎng)的分層次實驗教學模式。我校開創(chuàng)了“實驗能力的預備訓練-實驗基本能力的培養(yǎng)-綜合實驗能力的訓練-科學研究能力的培養(yǎng)”四階段的教學模式。在這個教學模式的指導下相應的開設四門物理實驗課程,分別是預備物理實驗、大學物理實驗(1)-基礎性實驗、大學物理實驗(2)-綜合性實驗、研究性物理實驗。分層次的實驗教學便于各個不同的院系進行選擇組合,實驗內容的普適性使得效率得到極大提高。下面簡單介紹一下這四門課程的具體授課方式和授課對象等。

(1)預備物理實驗。這門課程是為大學一年級的理工科新生開設的選修課。由于我國各地教育資源不均衡,有些地方高中的實驗條件有限,導致有些大一新生物理實驗基礎薄弱,甚至沒有受到過系統(tǒng)的實驗訓練。為此,開設了這門集補課、體驗、自主、開放為一體的選修課,為這部分大一新生提供補課機會,為以后物理實驗課程的學習打下堅實的基礎。預備物理實驗課開設8個實驗項目,學生自由選做4個實驗,比如,用天平測物體密度、電磁學實驗中的常用基本儀器、薄透鏡成像及其焦距的測定、液體比熱容的測定等。這些實驗相關的物理知識主要是學生中學時學過的。學生自由選做實驗項目,自由選擇上課時間,上課前在大學物理實驗教學管理系統(tǒng)中進行電子教案預習,網(wǎng)上完成預習報告。為了避免過去學生寫預習報告一味抄書的現(xiàn)象,網(wǎng)上預習報告采取教師預設好幾個問題、學生回答的方式。能夠回答出這幾個問題,學生對這個實驗的原理等也就基本掌握了。上課時采取教師講解、教學視頻錄像輔助、研究生輔導的方式。學生課后網(wǎng)上遞交報告,教師網(wǎng)上打分,期末成績系統(tǒng)自動生成。

(2)大學物理實驗(1)-基礎性實驗。這門課程是為全校理工科學生開設的必修課,主要目的是培養(yǎng)學生的基本物理實驗能力。大學物理實驗(1)開設3學時的實驗緒論課和8個固定實驗項目,比如靜態(tài)法測量金屬絲的楊氏彈性模量、轉動慣量的測定、示波器的使用、液體粘滯系數(shù)的測定等。學生自由選擇上課時間,課前網(wǎng)上遞交預習報告,上課采取教師講解和輔導、教學視頻錄像輔助的方式?？己朔绞绞蔷w論課筆試占10%,預習報告、實驗過程考察、數(shù)據(jù)處理及結果討論占80%,期末抽測一個實驗占10%(期末抽測的目的是為了讓學生期末時對這學期所做的實驗進行復習回顧)。

(3)大學物理實驗(2)-綜合性實驗。這門課程是為大部分理工科學生開設的必修課,主要目的是培養(yǎng)學生的綜合物理實驗能力和創(chuàng)新研究意識。在這門課上,學生完成8個實驗項目,其中4個是教師限定的必做項目,4個是學生自由選做項目。學生從12個實驗項目中根據(jù)自己的專業(yè)相關性和興趣選擇4個。實驗項目包括利用霍爾效應測磁場、分光計的調整及三棱鏡折射率的測定、密立根油滴法測定電子電荷、邁克爾遜干涉實驗等。授課方式與大學物理實驗(1)基本相同,不同的是學生在完成了8個實驗中教師規(guī)定的基本實驗內容后,可以在8個實驗中選1-2個感興趣的做拓展實驗。拓展實驗內容教師不作規(guī)定,學生自己思考。比如惠斯通電橋測電阻這個實驗,利用線式和箱式惠斯通電橋測電阻是基本內容,學生拓展實驗可以考慮用惠斯通電橋測溫度、利用惠斯通電橋做報警器等。學生可以在任何實驗室開放的時間段來做拓展實驗,也可以和相應實驗的指導教師進行討論。拓展實驗做的好的學生會在期末成績中得到加分,沒做拓展實驗的學生期末成績不能得優(yōu)。拓展實驗的施行突破了老師規(guī)定什么學生做什么的陳舊模式,鼓勵學生自己獨立思考,培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新研究意識。

(4)研究性物理實驗。這門課程在下面專門介紹。

2.2 學生主導型研究性物理實驗

研究性物理實驗課程是在我系原有的創(chuàng)新物理實驗課的基礎上改進的一門選修課。課程主要面向具有一定實驗訓練基礎的創(chuàng)新班、實踐班和一些有深造愿望、成績優(yōu)秀的高年級本科生。該課程通過實驗教學與科學研究的有機結合,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和科研能力,使學生初步了解科學研究思維方式和方法,提高學生的就業(yè)適應面和競爭力[6-7]。

基于課題型的研究性實驗教學新模式可以縮短實驗課程訓練和科學研究之間的距離,在設置實驗內容上注意具有一定的物理前沿性,和本系學科方向相結合,充分利用系里已有的科研設備設置相關的實驗選題。在儀器購置時盡量避免購置純教學的儀器,購置一些可以開展一定科研工作的儀器裝置,這將是一個教學和科研相互促進的良性循環(huán)。比如,利用我們已有的高真空的材料制備系統(tǒng),設計出制備薄膜和納米材料的實驗項目,例如氧化鋅納米材料的制備等;利用可達到4K的閉循環(huán)低溫制冷系統(tǒng)、SR830鎖相放大器、電磁鐵(磁場小于2T)等,設計出一系列測量新材料(比如半導體材料)電學和光學性質的實驗項目,例如反常霍爾效應的研究、巨磁阻效應的研究等。學生的創(chuàng)新能力和研究能力必須在實踐中摸索體會,為了激發(fā)學生主動學習、主動探索的積極性,研究性物理實驗課程首先提出確立學生實驗主導地位,使得學生通過本課程學習獲得一整套科學研究方法的訓練,包括查閱文獻、資料,提出實驗課題,準備實驗設備,設計實驗方案,完成實驗,寫作研究論文,進行答辯。這種教學模式使教學活動始終以學生為主體,使學生從知識的被灌輸者成為知識的主體構建者。

2-3個學生組成一組從實驗室提供的若干個開放性的實驗課題中選擇一個,參考老師列出的相關文獻,學生自己找出些研究性的課題進行研究,學生可以跟老師討論其可行性,并進行開題報告。課程時間雖每周1次,但實驗室全天向學生開放。課題小組可以利用實驗室通用、開放的實驗設備平臺自行搭建實驗系統(tǒng),在教師的指導下完成實驗。評價環(huán)節(jié)則采用論文答辯形式,根據(jù)課題新穎性、內容的豐富度、對課題原理理解的深度以及表達能力進行綜合評分。通過課題實驗提供的科學研究訓練,很多同學都認為大有收獲:提高了學習的主動性和積極性,增強了實際動手能力和團隊協(xié)作能力,啟發(fā)了科學研究意識與思維,培養(yǎng)了基本的科研實驗能力。

對于做出優(yōu)秀成果的學生,鼓勵他們在學術期刊發(fā)表論文,參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、實驗競賽等。近三年來,我校學生利用從物理實驗課中提煉出來的成果參加北京市大學生物理實驗競賽,獲得二等獎和三等獎達到十多項。

2.3 物理演示實驗

從歷史上講,物理演示實驗應該是隨堂的,教師講什么緊接著演示什么。但是由于大學招生規(guī)模擴大、課堂容量增大、上課教室多且分散、演示儀器少等諸多原因,隨堂演示實驗越來越少,甚至完全消失。為了能夠更好的為學生演示有趣的物理現(xiàn)象,近幾年來,國內高校都非常重視對物理演示實驗室的建設。我校的演示實驗室自2005年建設以來已經(jīng)具有力、熱、光、電、近代物理五個系列的幾十個實驗項目,但是實驗項目還不夠豐富,正在繼續(xù)增加實驗項目和開設物理演示實驗課程。

物理演示實驗課程是面向全校理工科和文科學生開設的一門選修課。該課程以對實驗現(xiàn)象的觀察、思考、定性或半定量分析為主,不深究嚴格的物理理論,不要求對實驗結果做出準確的定量分析,以便充分展示演示實驗的趣味性和在描述物理概念上的直觀性、易接受性,使理工科的學生能夠加深和鞏固對已學物理概念的理解,對尚未學到的物理知識能建立一個直觀的、定性的物理概念,以激發(fā)學生求知探索的欲望,提高實驗動手能力和科技創(chuàng)新能力。文科的學生通過觀察神奇的物理演示現(xiàn)象,聆聽老師對相應物理知識的介紹,能夠更容易地理解物理、了解自然科學,了解科技進步對人類文明的貢獻。該課程有利于文科生增加科技背景,全面提高綜合素質。

物理演示實驗課程授課方式是在演示實驗室上課,教師先演示實驗現(xiàn)象,再講解產(chǎn)生這個現(xiàn)象的物理原理,最后組織學生討論。授課過程中配以視頻和實物投影,方便學生更清楚的觀察實驗現(xiàn)象?？己朔绞绞情]卷筆試加小制作或小論文。小制作小論文以設計、改進實驗為主,旨在開拓學生的知識面,鍛煉他們的動手、動腦能力,在實驗綜合思考能力上有個飛躍,從而調動他們的學習積極性和創(chuàng)造力。

3 結 論

針對我校物理實驗教學的具體情況,為了更好地建設物理實驗教學中心,提出了以下教學改革措施。一方面,施行分層次教學,開創(chuàng)“實驗能力的預備訓練-實驗基本能力的培養(yǎng)-綜合實驗能力的訓練-科學研究能力的培養(yǎng)”四階段的教學模式。在這個教學模式的指導下開設四門物理實驗課程,分別是預備物理實驗、大學物理實驗(1)-基礎性實驗、大學物理實驗(2)-綜合性實驗、研究性物理實驗。教學方式從傳統(tǒng)的力、熱、電、光分塊教學轉化為分層次、分階段的新的教學體系。另一方面,完善物理演示實驗室和開設物理演示實驗課程,使理科生加深物理概念的理解,文科生提高科學素養(yǎng)。

[1] 葛惟昆.教學的平臺探索的基地求知的樂園 [J].物理與工程,2014,24(3):3-8.

[2] 蘇芳珍,楊能勛,朱小敏.大學物理實驗精品課程建設與實踐[J].實驗室研究與探索,2009,28(3): 91-93.

[3] 南京大學物理實驗教學中心http://jfx.nju.edu. cn/syzx/phylab/,2015-02-02.

[4] 東南大學物理實驗中心,http://phylab.seu.edu.cn/,2015-02-02.

[5] 吳平,陳森,張師平.“現(xiàn)代物理實驗”課程研究型教學探索與實踐 [J].物理與工程,2014,24(3): 14-17.

[6] 徐晶,王國余.大學物理實驗分層次教學與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].大學物理實驗,2013,26(2):94-96.

[7] 朱湘萍,熊文元.用科研項目推進大學物理實驗教學改革的研究與探索[J].大學物理實驗,2011,24 (3):110-112.

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年北京高等學校教育教學改革項目(2014-ms114);華北電力大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費(JB2014106)