丁 東 莊云飛 何英秋 李海軍 張曉春

(華北科技學(xué)院理學(xué)院 河北 廊坊 065201)

1 引言

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是面向高校理工科學(xué)生開設(shè)的一門通識(shí)性基礎(chǔ)課程.該課程覆蓋面廣，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本技能訓(xùn)練的開端，在培養(yǎng)學(xué)生初步掌握實(shí)驗(yàn)科學(xué)的思想，掌握實(shí)驗(yàn)研究的基本方法，提高學(xué)生分析、解決問題能力和創(chuàng)新能力等方面具有其他課程不可替代的地位和作用[1～3].

當(dāng)前，在一般普通本科院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的開設(shè)和教學(xué)環(huán)節(jié)中還或多或少存在一些不足.在課程的設(shè)置上，有的院校一直沿用傳統(tǒng)上的按力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理學(xué)等順序排課，還有由于教學(xué)資源的匱乏導(dǎo)致被動(dòng)的隨機(jī)排課等.自高考制度改革以來，很多省高考大綱和考試內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)都不一樣，這就導(dǎo)致同一專業(yè)、同一班級(jí)來自不同省份的學(xué)生物理基礎(chǔ)不盡相同，也使得傳統(tǒng)排課方式或者隨機(jī)排課方式不能照顧到所有的學(xué)生.在教學(xué)方法上，通常教師采用一貫的“注入式”教學(xué)方法，即教師依次講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，然后學(xué)生按部就班地重復(fù)實(shí)驗(yàn)流程、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差分析.這種教學(xué)模式雖然可以使學(xué)生很快掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、采集到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但同時(shí)也可能導(dǎo)致學(xué)生誤認(rèn)為實(shí)驗(yàn)就是重復(fù)書上的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，從而導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)課程漸漸失去學(xué)習(xí)興趣，甚至?xí)霈F(xiàn)不認(rèn)真聽課、偽造實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果等被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài).

如何在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，是當(dāng)前高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容[4～6].本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的課程設(shè)置和教學(xué)方式進(jìn)行研究和總結(jié)，探討模塊化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式與策略.

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化課程設(shè)計(jì)

為了解決學(xué)生實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的差異性問題和提高教學(xué)資源的合理優(yōu)化，建議大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施模塊化教學(xué).我們這里考慮設(shè)置3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K、綜合提高性實(shí)驗(yàn)?zāi)K和設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)K.

2.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K目的是使學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)中基本的實(shí)驗(yàn)方法和正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步能力.掌握常用物理量的一般測(cè)量方法，比如長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量、加速度、力、角度、熱量、溫度、電阻、電流強(qiáng)度、電壓、電動(dòng)勢(shì)、頻率或周期等物理量的測(cè)量.了解常用儀器的性能，并掌握使用方法，比如游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微計(jì)、天平、秒表、溫度計(jì)、直流電表、檢流計(jì)、電位差計(jì)、數(shù)字萬用表、信號(hào)發(fā)生器、通用示波器、讀數(shù)顯微鏡、直流穩(wěn)壓電源等.能夠利用測(cè)量?jī)x器對(duì)基本物理量進(jìn)行測(cè)量和結(jié)果表示，包括直接與間接測(cè)量結(jié)果的表示、測(cè)量誤差的估計(jì)(平均絕對(duì)誤差、儀器誤差、標(biāo)準(zhǔn)偏差等).可參考的具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如基本測(cè)量、示波器的使用、牛頓環(huán)測(cè)透鏡曲率半徑、電表改裝與校準(zhǔn)、光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)等.

2.2 綜合提高性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

綜合提高性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生初步掌握了基本物理實(shí)驗(yàn)方法的前提下，綜合考慮多領(lǐng)域知識(shí)點(diǎn)的交叉融合，尤其是應(yīng)用兩種以上實(shí)驗(yàn)方法或技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.包括扭擺法測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、液體粘滯系數(shù)的測(cè)定、氣體比熱容比的測(cè)定、密立根油滴法測(cè)定電子電荷、邁克爾孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用、聲速的測(cè)量等.例如，在聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)換法、共振干涉法和相位比較法等測(cè)量方法；在密立根油滴法測(cè)定電子電荷實(shí)驗(yàn)中，需要綜合應(yīng)用力學(xué)平衡法控制油滴、圖像法或最小二乘法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).綜合提高性實(shí)驗(yàn)?zāi)K旨在啟發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用物理實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)而提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

2.3 設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)K

設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)K是由教師提出實(shí)驗(yàn)方向和實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件構(gòu)思實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，在教師的指導(dǎo)下通過獨(dú)立操作最終完成具體的實(shí)驗(yàn)過程.要求學(xué)生掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能并能夠綜合運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)方法完成一定量的綜合提高性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這是對(duì)學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)、自主創(chuàng)新意識(shí)、分析問題和解決問題能力的進(jìn)一步鍛煉和提高.比如，動(dòng)力學(xué)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、多普勒效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)、自組微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)等.

3 教學(xué)方式與策略

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)過程中，結(jié)合模塊化課程設(shè)計(jì)，我們提出階段性啟發(fā)式教學(xué)方法.啟發(fā)式教學(xué)在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面是一種有效的教學(xué)方法.早在我國(guó)古代，思想家、教育家孔子就十分重視啟發(fā)式教學(xué)，提出了“不憤不啟，不悱不發(fā)”的教學(xué)思想，意思就是說：“不到他努力想弄明白而得不到的程度不要去開導(dǎo)他，不到他心里明白卻不能完善表達(dá)出來的程度不要去啟發(fā)他.”對(duì)教師來講，在把已有知識(shí)傳授給學(xué)生并且鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問題時(shí)，首要任務(wù)就是調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，通過積極引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生求知欲(或?qū)W習(xí)需求)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中意識(shí)到對(duì)某方面知識(shí)的欠缺，達(dá)到力求獲得提高的一種心理狀態(tài).

針對(duì)不同的模塊化課程以及學(xué)生在不同模塊化教學(xué)過程中的知識(shí)儲(chǔ)備，采用由淺入深的方式不斷啟發(fā)學(xué)生思考，使學(xué)生既能體會(huì)到通過自身努力學(xué)會(huì)了一些物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)和方法的成就感，又有對(duì)更為復(fù)雜問題求解的困惑，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)時(shí)刻保持“饑渴”狀態(tài).啟發(fā)式教學(xué)需要教師了解學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)過程中要恰當(dāng)?shù)卦O(shè)問、積極地引導(dǎo)并掌控好課程的進(jìn)度.這就要求教師不斷學(xué)習(xí)，只有具備了深厚的理論知識(shí)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能更好地組織課堂發(fā)揮啟發(fā)式教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì).

3.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的啟發(fā)策略

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的教學(xué)注重學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，包括學(xué)生觀察能力和動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)基本的實(shí)驗(yàn)方法和技能等.因此，該階段啟發(fā)式教學(xué)應(yīng)簡(jiǎn)單明了，可采用實(shí)物演示法和直接提問法.例如，在基本測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，首先讓學(xué)生觀察米尺、千分尺和游標(biāo)卡尺等長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器的基本結(jié)構(gòu)和最小分度值，討論和學(xué)習(xí)直接測(cè)量結(jié)果的誤差和測(cè)量結(jié)果的表示方法.在學(xué)生掌握了直接測(cè)量結(jié)果的表示后，啟發(fā)學(xué)生如何測(cè)量間接測(cè)量量，比如形狀規(guī)則物體的體積.以測(cè)量圓柱體體積為例，要求學(xué)生用千分尺測(cè)量圓柱體的直徑、用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱體的高，在學(xué)生寫出體積公式后，啟發(fā)學(xué)生思考以下問題：

(1)為什么需要多次測(cè)量圓柱體的直徑和高；(2)間接測(cè)量結(jié)果應(yīng)該如何表示；(3)測(cè)量結(jié)果平均值的有效數(shù)字該如何取舍；(4)測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差該如何計(jì)算.

通過啟發(fā)式教學(xué)指導(dǎo)學(xué)生類比前面已經(jīng)學(xué)過的直接測(cè)量量的測(cè)量方法、誤差分析和結(jié)果表示，學(xué)會(huì)間接測(cè)量量的實(shí)驗(yàn)處理方法.

3.2 綜合提高性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的啟發(fā)策略

綜合提高性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的教學(xué)重點(diǎn)是對(duì)學(xué)生分析問題和解決問題能力的培養(yǎng).該階段采用問題教學(xué)方式啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，在學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地探索實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題并進(jìn)一步給出具體解決思路，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果.

例如，在扭擺法測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)中，通過學(xué)習(xí)塑料圓柱體和金屬圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量，啟發(fā)學(xué)生思考如何測(cè)量金屬細(xì)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.有的學(xué)生可能會(huì)用夾具固定好金屬細(xì)桿，并思考如何調(diào)整光電傳感器和金屬細(xì)桿的位置進(jìn)而重組實(shí)驗(yàn)裝置.甚至可能會(huì)有學(xué)生直接把金屬細(xì)桿放到載物圓盤上，在發(fā)現(xiàn)金屬細(xì)桿無法固定時(shí)自然就會(huì)修正錯(cuò)誤并尋找正確的實(shí)驗(yàn)方法.學(xué)生通過自己動(dòng)手安裝好金屬細(xì)桿后，實(shí)驗(yàn)裝置可能會(huì)存在一些問題，比如光電傳感器高度不合適、夾具未夾在金屬細(xì)桿中心等，出現(xiàn)這些問題都很正常，這個(gè)時(shí)候，教師不要急著給學(xué)生糾正錯(cuò)誤，可以采用問題教學(xué)啟發(fā)學(xué)生思考：

(1)當(dāng)擺動(dòng)金屬細(xì)桿開始測(cè)量時(shí)，如果計(jì)時(shí)燈一直不亮，問題可能出現(xiàn)在哪里并且該如何解決；

(2)如果實(shí)驗(yàn)值和理論值存在較大偏差，可能的原因是什么？

這樣，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，遇到類似的問題就會(huì)主動(dòng)地尋找問題的原因，通過進(jìn)一步調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置或糾正操作上的錯(cuò)誤而解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種具體問題.最后，教師總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生可能遇到的各種問題及問題的解決方法.這樣，既培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決問題的能力,又鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力.

3.3 設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的啟發(fā)策略

設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)?zāi)K的教學(xué)注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).鼓勵(lì)學(xué)生通過主動(dòng)思考善于發(fā)現(xiàn)問題，設(shè)計(jì)并提出合理可行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方案.例如，在微波光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以嘗試僅通過介紹實(shí)驗(yàn)裝置，結(jié)合學(xué)生對(duì)光學(xué)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和基本實(shí)驗(yàn)技能的掌握，啟發(fā)學(xué)生通過主動(dòng)思考組裝儀器，設(shè)計(jì)可行的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：如反射實(shí)驗(yàn)、棱鏡折射實(shí)驗(yàn)、駐波法測(cè)量波長(zhǎng)、單縫衍射、雙縫干涉、偏振實(shí)驗(yàn)、勞埃德鏡及觀察布儒斯特角等.再比如，在分光計(jì)測(cè)光柵常數(shù)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)學(xué)生提出望遠(yuǎn)鏡中二級(jí)光譜線亮度太低而無法讀取數(shù)據(jù)時(shí)，教師可以通過對(duì)分光計(jì)儀器構(gòu)造的講解和光路的分析，啟發(fā)學(xué)生分別在光源、光路和望遠(yuǎn)鏡這3部分尋找可能的原因.要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主觀能動(dòng)性，使學(xué)生積極主動(dòng)地探索問題的解決途徑，提出合理可行的解決方案.為了獲得足夠清晰的光譜線，學(xué)生通過對(duì)儀器反復(fù)調(diào)解和實(shí)踐可能找到以下原因及相應(yīng)的解決辦法：

(1)平行光管狹縫太窄導(dǎo)致光強(qiáng)太弱，解決辦法是適當(dāng)調(diào)節(jié)狹縫寬度以增加入射光強(qiáng)度；

(2)光譜線或分劃板模糊不清，解決辦法是調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡鏡筒位置和目鏡焦距；

(3)背景光太強(qiáng)，通過實(shí)踐學(xué)生發(fā)現(xiàn)用書或幾張紙遮擋住外部光線，用手指適當(dāng)遮住一小部分望遠(yuǎn)鏡鏡筒可以有效減小背景光的影響進(jìn)而提高光譜線的清晰度.

問題是思維的起點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)問題是創(chuàng)新的前提.在課堂教學(xué)中，要通過啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)提出問題，讓學(xué)生成為課堂教學(xué)的積極參與者，這樣不僅能使學(xué)生的創(chuàng)新思維得到發(fā)展，而且還能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?zāi)K化課程設(shè)計(jì)與階段性啟發(fā)式教學(xué)不僅有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和創(chuàng)新能力的培養(yǎng).將啟發(fā)式教學(xué)靈活應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂，只要師生共同努力，相信一定可以培養(yǎng)出具有良好科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才.