譚芳　楊強(qiáng)　孫鵬凱

摘 要：物理裝置科技小制作課程是一種創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)形式。該文通過(guò)一個(gè)教學(xué)實(shí)例，說(shuō)明這種物理實(shí)驗(yàn)開放教學(xué)形式具有創(chuàng)新教育功能。主要體現(xiàn)在：增強(qiáng)了大學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中能夠自由發(fā)揮創(chuàng)造性思維，有利于發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教育功能，符合物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育功能的教學(xué)規(guī)律。詮釋了如下關(guān)系：基礎(chǔ)理論是創(chuàng)新能力強(qiáng)有力的保障，創(chuàng)新過(guò)程推動(dòng)了基礎(chǔ)研究，兩者互相支撐互相推動(dòng)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新激勵(lì) 開放實(shí)驗(yàn) 電磁感應(yīng)擺

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）04（c）-0129-02

當(dāng)前，伴隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)的不斷繁榮，層出不窮的科技創(chuàng)新，以強(qiáng)大的動(dòng)力推動(dòng)著社會(huì)前進(jìn)。新科技從根本上改變著勞動(dòng)方式，改變著人們獲取信息的手段，也改變了人們傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)觀念。全世界都重視創(chuàng)新和創(chuàng)新人才的競(jìng)爭(zhēng)。在此情況下，高等教育在培養(yǎng)符合社會(huì)發(fā)展的實(shí)用型人才、創(chuàng)新型人才方面，面臨著新的挑戰(zhàn)?；A(chǔ)教育同樣受到了強(qiáng)烈的沖擊。因此，以推進(jìn)素質(zhì)教育為目標(biāo)，對(duì)基礎(chǔ)教育課程改革已成大勢(shì)所趨，一種普遍的認(rèn)識(shí)是：加強(qiáng)課程內(nèi)容與學(xué)生生活以及現(xiàn)代化社會(huì)科技發(fā)展的聯(lián)系；關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和經(jīng)驗(yàn)；倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、樂(lè)于探究、勤于動(dòng)手；培養(yǎng)學(xué)生搜集和處理信息的能力、獲取新知識(shí)的能力、分析和解決問(wèn)題的能力以及交流合作的能力[1-6]。這恰好符合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方向，因?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，也是眾多科技創(chuàng)新的搖籃。物理實(shí)驗(yàn)每一個(gè)題目的思想方法和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，既體現(xiàn)了傳統(tǒng)科學(xué)深厚的基礎(chǔ)又蘊(yùn)藏著豐富的創(chuàng)新思想，衍生出很多新理論、新技術(shù)[7，8]。該文介紹了一個(gè)“基礎(chǔ)”與“創(chuàng)新”相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新開放活動(dòng)：利用基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為依托開設(shè)物理實(shí)驗(yàn)裝置科技小制作的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。實(shí)踐證明，該課程在激發(fā)和培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力方面，獲得了較好的效果。

1 創(chuàng)新型物理開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

在新型開放物理實(shí)驗(yàn)課活動(dòng)內(nèi)容中，有一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)裝置制作方案：電磁感應(yīng)擺裝置的制作。電磁感應(yīng)擺裝置既可以直觀的演示電磁感應(yīng)現(xiàn)象又可以用于普通物理實(shí)驗(yàn)中，對(duì)磁體的磁感強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量[9]。其核心裝置為雙繞組鐵芯線圈。其中，鐵芯截面形狀決定了電磁感應(yīng)擺的擺動(dòng)幅度和效果。因此，在制作前，指導(dǎo)教師要求學(xué)生在兩種鐵芯形狀（鐵芯截面方形和圓形），要求學(xué)生自行確定鐵芯制作方案。很多同學(xué)在電磁學(xué)理論進(jìn)行了分析基礎(chǔ)上用COMOSL多物理場(chǎng)分析軟件，對(duì)通電線圈的感應(yīng)磁通量做模擬分析。這是一大膽的做法，必須投入大量的業(yè)余時(shí)間。由于積極性很高，提出這個(gè)想法的學(xué)生自愿組成了一個(gè)小組，在教師的幫助下，克服了很多困難，一邊努力學(xué)習(xí)有關(guān)電磁理論和COMOSL軟件，基本上完成了部分模擬實(shí)驗(yàn)工作，為正確選擇鐵芯截面提供了較為科學(xué)的證據(jù)。在此過(guò)程中，師生都獲得了很大的鍛煉，下面是師生共同做的研究和分析過(guò)程。

1.1 圓柱型鐵芯的磁通量模擬

使用CCOMSOL軟件中的3D模式，采用無(wú)限元法分析模擬通電線圈的磁場(chǎng)情況。首先建立磁場(chǎng)載體模型（見(jiàn)圖2），根據(jù)對(duì)稱性，僅計(jì)算分析鐵芯邊緣某一縱向的磁場(chǎng)情況，經(jīng)過(guò)多次物理?xiàng)l件的設(shè)定試驗(yàn)，最后獲得模擬效果圖1。

此次結(jié)果：鐵芯產(chǎn)生的磁通比較集中在邊緣，磁通密度最大值達(dá)到1.267e-4特斯拉，圓柱形鐵芯截面上表面的磁通密度分布不均勻。

1.2 方柱型鐵芯的磁通量模擬

同樣方法，物理?xiàng)l件設(shè)定與圓柱形鐵芯的基本相同，仍然采用無(wú)限元法分析模擬通電線圈的磁場(chǎng)情況，最后獲得模擬效果圖2，

此次結(jié)果：鐵芯產(chǎn)生的磁通比較集中在邊緣，漏磁現(xiàn)象不嚴(yán)重，磁通密度最大值達(dá)到1.381e-4特斯拉，方柱形截面上表面的磁通分布較為均勻。

結(jié)論：根據(jù)圖2與圖1的比較，方形鐵芯磁通密度較大，分布較為均勻，故鐵芯截面應(yīng)為方形截面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該形狀的鐵芯效果良好。

2 幾點(diǎn)體會(huì)

2.1 提高大學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，符合物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育功能的教學(xué)規(guī)律

創(chuàng)造最根本的動(dòng)力就是興趣。該文介紹的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，通過(guò)電磁感應(yīng)擺奇特的擺動(dòng)原理吸引了學(xué)生的興趣，激起學(xué)生們參與制作的極大熱情。在這種情緒的激勵(lì)下，他們不但渴望表現(xiàn)出自己的能力，而且會(huì)主動(dòng)設(shè)想更科學(xué)的制作過(guò)程。這就為后來(lái)的模擬線圈磁場(chǎng)提供了積極地探索動(dòng)機(jī)，于是在指導(dǎo)教師的幫助和鼓勵(lì)下，完成了分析，使得制作過(guò)程完全科學(xué)化，成效顯著。

2.2 開展物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)裝置小制作實(shí)驗(yàn)課，有利于發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教育功能

1993年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，生理醫(yī)學(xué)家理查德·羅伯茨談到創(chuàng)新教育時(shí)說(shuō)：“要對(duì)學(xué)生放手，讓他們做自己感興趣的事”。前面論述中的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)大學(xué)生都有參加實(shí)驗(yàn)裝置制作課程學(xué)習(xí)的熱情。這樣開放性的實(shí)驗(yàn)課，可以讓他們獲得很多自由、獨(dú)立的思考機(jī)會(huì)。他們的創(chuàng)造性思維不再受到束縛。他們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)的工作過(guò)程中，既體會(huì)到探索過(guò)程的艱辛又享受到創(chuàng)作成功后的喜悅，樹立他們克服困難的信心，鍛煉他們動(dòng)手能力的同時(shí)增強(qiáng)了創(chuàng)新意識(shí)。該文介紹的用COMOSL模擬磁場(chǎng)過(guò)程，就是他們經(jīng)歷了很多困難波折，最后獲得了較為成功的一個(gè)具體實(shí)例。

2.3 創(chuàng)新思想離不開基礎(chǔ)理論的支持，兩者互相支撐互相推動(dòng)

基礎(chǔ)教育是指普通文化科學(xué)知識(shí)的教育，是讓學(xué)生掌握各類科學(xué)的基本知識(shí)，使他們具有基本的科學(xué)文化素養(yǎng)和社會(huì)活動(dòng)能力，不但有利于立足于未來(lái)生活，也為創(chuàng)造未來(lái)的生活進(jìn)步提供了必要的條件[10]。因此，基本素質(zhì)良好的學(xué)生，接受新東西更快，創(chuàng)新意識(shí)更科學(xué)，創(chuàng)新能力更強(qiáng)。反過(guò)來(lái)，創(chuàng)新過(guò)程又推動(dòng)了基礎(chǔ)研究。符合學(xué)生學(xué)習(xí)成長(zhǎng)的基本規(guī)律。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的開端課程，可以說(shuō)是創(chuàng)新的啟蒙教育課，該文所介紹的開放實(shí)驗(yàn)課實(shí)例就證明了創(chuàng)新思想離不開基礎(chǔ)理論的支持，兩者互相支撐互相推動(dòng)。

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