付 喜 鐘 鋒

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

大學(xué)物理實驗中探究性實驗教學(xué)模式研究

付 喜 鐘 鋒

(湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

大學(xué)物理實驗課是理工科大學(xué)生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的一門重要課程。當(dāng)前，實施新型實驗教學(xué)方式已成為大學(xué)物理實驗教學(xué)改革和實踐的熱點(diǎn)，本文對大學(xué)物理實驗教學(xué)中探究性實驗的教學(xué)模式進(jìn)行研究，重點(diǎn)介紹一種常用的大學(xué)物理探究性實驗教學(xué)模式，對該實驗教學(xué)模式中的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

大學(xué)物理實驗；科學(xué)探究；探究性實驗；教學(xué)模式

0 引 言

《大學(xué)物理實驗》是理工科大學(xué)生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的一門重要課程。在大學(xué)物理實驗的教學(xué)中，學(xué)生可以直接觀察和分析重要的物理現(xiàn)象，學(xué)習(xí)和掌握基本的物理實驗方法，并將物理知識與實踐有機(jī)結(jié)合起來，從而培養(yǎng)他們觀察事物、分析事物、提出問題、探究問題、進(jìn)行實驗、總結(jié)歸納以及解決實際問題的能力[1]。

為了搞好大學(xué)物理實驗教學(xué)，教師必須重視和研究實驗教學(xué)。首先，要進(jìn)行完善的實驗教學(xué)設(shè)計，確定明確的實驗?zāi)繕?biāo)；其次，要提供開放的實驗環(huán)境和及時的輔導(dǎo)，讓學(xué)生不斷自主地進(jìn)行實驗探索并獲得成就感；再次，要充分利用現(xiàn)代教育媒體和信息技術(shù)手段提高實驗教學(xué)效率，加強(qiáng)教師與學(xué)生的互動，激發(fā)學(xué)生對實驗的探索興趣和重視[1]。其中，實施新型實驗教學(xué)方式成為當(dāng)前大學(xué)物理實驗教學(xué)改革和實踐的熱點(diǎn)，本文將對大學(xué)物理探究性實驗的教學(xué)模式進(jìn)行研究和探討。

1 大學(xué)物理實驗教學(xué)中實施探究性實驗教學(xué)可行性分析

一般來說，科學(xué)探究包括提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗與收集數(shù)據(jù)、分析與論證、評估、合作與交流六個基本過程[2]，因此探究性實驗教學(xué)模式也主要由這六個基本過程來確定。目前有關(guān)探究性實驗的理論和實踐研究集中在中學(xué)物理實驗教學(xué)上，應(yīng)該說在大學(xué)物理實驗中開展探究性實驗教學(xué)更是完全可行的。

首先，從實驗內(nèi)容上看，大學(xué)物理實驗課程中有許多物理實驗都是中學(xué)物理實驗的進(jìn)一步擴(kuò)展和升華，有的甚至在實驗原理和方法上與中學(xué)物理實驗基本相似。如基本儀器的使用、單擺、驗證牛頓第二定律、驗證動量守恒定律、固體比熱容的測定、伏安法測電阻、薄透鏡焦距的測定等。另外，從知識結(jié)構(gòu)水平來看，相比中學(xué)生而言理工科大學(xué)生的物理知識結(jié)構(gòu)更合理，相應(yīng)知識水平整體要高，其基礎(chǔ)知識更加扎實和豐富，思維能力以及解決和分析問題能力也更強(qiáng)，因此更適合開展自主學(xué)習(xí)和科學(xué)探究式的實驗教學(xué)。

2 大學(xué)物理探究性實驗教學(xué)模式研究

現(xiàn)行大學(xué)物理實驗教材都將實驗原理、步驟以及現(xiàn)象寫得非常清楚和詳細(xì)，學(xué)生在實驗過程中只能被動驗證和機(jī)械重復(fù)，缺乏一定的主動性，導(dǎo)致學(xué)生在實驗設(shè)計過程中“照方抓藥”，實驗報告千篇一律，教學(xué)效果很不理想。要提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量，必須充分挖掘教材中物理知識與實驗的結(jié)合點(diǎn)，加強(qiáng)實驗的探究性，使理工科大學(xué)生在實驗過程中變被動為主動，在實驗技能、科學(xué)思想和科學(xué)方法等方面受到全面有效地訓(xùn)練。

探究性物理實驗是指由教師給出實驗課題并提出實驗要求和提供實驗器材，由學(xué)生自己擬定實驗方案和制定實驗步驟，獨(dú)立地通過實驗觀測和分析去探索研究，從而發(fā)現(xiàn)“新”的物理現(xiàn)象，并通過建立物理模型來解釋實驗現(xiàn)象的一種新型實驗類型[3]。探究性物理實驗除了具有“可控性”和“可重復(fù)性”這兩個最基本特征以外，還具有探索性、自主性、開放性等特征[3]，它在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、訓(xùn)練學(xué)生動手操作能力，特別是在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和科學(xué)態(tài)度方面有著很好的作用，是大學(xué)生理解科學(xué)探究的重要途徑。

本文結(jié)合大學(xué)物理實驗教學(xué)實際，介紹一種常用的大學(xué)物理探究性實驗教學(xué)模式。其具體教學(xué)過程如下：

1.1 明確實驗?zāi)康暮鸵螅龊脤嶒炋骄壳皽?zhǔn)備工作

即在實驗教學(xué)實施之前讓學(xué)生了解探究性實驗的基本目的和要求。明確實驗探究的目的可讓學(xué)生在實驗操作過程中能有的放矢，突出教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)；強(qiáng)調(diào)實驗要求則顯示實驗過程中的注意事項，促使學(xué)生規(guī)范順利地進(jìn)行操作。要重視讓學(xué)生學(xué)會向社會、向生活尋找探究課題，進(jìn)行創(chuàng)意性設(shè)計，通過實驗進(jìn)行科學(xué)探究。

為了保證探究性實驗?zāi)茼樌行У剡M(jìn)行，教師事先要準(zhǔn)備好實驗儀器并提供較詳細(xì)的實驗參考講義及資料。首先，要保證儀器設(shè)備的完好與精度，準(zhǔn)備好觀察工具、測量工具和記錄工具等必備之物；其次，要留意一些輔助材料的準(zhǔn)備，如導(dǎo)線、導(dǎo)管、接頭等一定要規(guī)范，否則將影響實驗的精度；再次，教師要在實驗講義及相關(guān)參考資料上下足功夫，實驗講義必須由教師根據(jù)儀器設(shè)備的準(zhǔn)備情況及學(xué)生特點(diǎn)親自設(shè)計和書寫，其內(nèi)容要充分體現(xiàn)科學(xué)探究的思想，要站在學(xué)生的角度思考和分析問題，切記不要把實驗講義變成以前照本宣科的灌輸式教材。探究性實驗教學(xué)中實驗準(zhǔn)備階段是教師花費(fèi)時間和精力最多的階段，并不是實驗操作階段。

1.2 自主分析和設(shè)計實驗探究方案

即學(xué)生以實驗指導(dǎo)講義為基礎(chǔ)進(jìn)行實驗原理和實驗方案的分析和設(shè)計。教師采取提問和討論的方式對學(xué)生進(jìn)行指引，找出各個控制要素間的關(guān)系和實驗難點(diǎn)，并可對實驗探究方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整或重新設(shè)計，確保得到一個最優(yōu)化的實驗方案。

物理實驗方案是多樣的，物理研究提倡學(xué)習(xí)者從不同的角度觀察、分析和解釋物理現(xiàn)象。教師要鼓勵學(xué)生對研究對象進(jìn)行深入地分析與思考，發(fā)現(xiàn)并提出問題；然后針對發(fā)現(xiàn)的問題提出假設(shè)，鼓勵并輔導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗探究方案，到實驗中去檢驗自己設(shè)計的實驗方案，使學(xué)生逐步走上探究式實驗之路。

1.3 探究實驗操作

探究性實驗教學(xué)中學(xué)生是實驗操作的主體。學(xué)生在實驗操作過程中具體要達(dá)到以下要求：自行完成實驗前預(yù)習(xí)；實驗中能夠調(diào)整實驗裝置，掌握實驗裝置的操作技術(shù)；掌握大學(xué)物理實驗中常用的實驗方法和測量方法，進(jìn)行常用物理量的一般測量；了解常用儀器的性能，學(xué)會其使用方法；學(xué)習(xí)對物理現(xiàn)象進(jìn)行觀察和分析，解決實驗中的問題，運(yùn)用理論去指導(dǎo)實踐；具備測量誤差的基本知識和測量技能，能夠正確處理實驗數(shù)據(jù)。教師在實驗過程中要加強(qiáng)巡回檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時指導(dǎo)、啟發(fā)和幫助學(xué)生解決操作中的問題，糾正實驗上的錯誤。

為了培養(yǎng)學(xué)生之間的協(xié)作性，大學(xué)物理實驗也可以采取兩人或多人一組的方式。兩人以上一組進(jìn)行操作時要進(jìn)行適當(dāng)分工。如在設(shè)備安裝時，一人負(fù)責(zé)接線安裝，另一人檢查核對是否正確，到另一階段則互換角色。這樣既可使每個學(xué)生有同樣的操作機(jī)會，能夠經(jīng)歷實驗的所有步驟，又避免了因分工不明造成的學(xué)生思維間斷和操作錯誤。

1.4 探究實驗總結(jié)和交流

在進(jìn)行探究性實驗總結(jié)和交流之前，先要對獲得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的分析和處理，從而能及時校正實驗以保證歸納出合理的規(guī)律。然后，對照實驗指導(dǎo)書上的實驗方案進(jìn)行評價，評價實驗是否驗證了物理概念與規(guī)律，是否發(fā)現(xiàn)奇異點(diǎn)，是否達(dá)到實驗?zāi)繕?biāo)。最后，總結(jié)和檢驗實驗對理論驗證的可信度，分析實驗中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象。

實驗最后師生之間要相互展開提問、討論和交流。為什么要這樣做？為什么不能那樣做？有沒有更好的方法？有沒有其它方案？為什么實驗時有許多要求與約束不能忽

視？通過討論，學(xué)生可以區(qū)分細(xì)微的差別，認(rèn)清實驗方法與理論方法的異同，也有助于實驗者提出有別于實驗指導(dǎo)書上的新實驗方案。教師在討論和交流中要加強(qiáng)對學(xué)生實驗方法和實驗方向的指導(dǎo)，善于發(fā)現(xiàn)和培植學(xué)生的創(chuàng)新點(diǎn)，形成新思路、新方案、新成果，培養(yǎng)學(xué)生成才。

3 大學(xué)物理探究性實驗教學(xué)模式運(yùn)用舉例

《單擺測量重力加速度》是大學(xué)物理實驗中一個較簡單的實驗，并且其基本內(nèi)容在中學(xué)物理中已學(xué)習(xí)過，因此它的教學(xué)更適合采用探究性實驗的方式來進(jìn)行。

研究目的與思路：本實驗基本原理明確，實驗操作簡單，因此重點(diǎn)應(yīng)該放在數(shù)據(jù)誤差處理上，如計算重力加速度的不確定度、隨即誤差和系統(tǒng)誤差的分析等，讓學(xué)生接受實驗誤差處理方面的訓(xùn)練。

3.1 實驗準(zhǔn)備

教師收集有關(guān)測量重力加速度及誤差處理方面的參考資料，同時根據(jù)資料編寫一份參考實驗講義。準(zhǔn)備好實驗儀器：單擺、米尺、游標(biāo)卡尺（50分度）、電子停表等。

3.2 實驗設(shè)計

讓學(xué)生自學(xué)有關(guān)測量重力加速度的講義及其他資料，初步設(shè)計利用單擺測量重力加速度的方案。然后，教師和同學(xué)們共同進(jìn)行分析和討論，預(yù)測實驗測量過程中的誤差來源，對數(shù)據(jù)誤差處理方案進(jìn)行討論，并對實驗方案進(jìn)行修正，得出最佳方案。

3.3 實驗操作及結(jié)論

由于實驗操作比較簡單，因此教師可以完全讓學(xué)生自己去操作實驗。同時為了實驗?zāi)塬@得好的測量效果，建議采用兩人一組的方式操作，即一人用停表計算時間，另一人觀察并記錄擺動周期，完成一次測量后再交換重新測量。

3.4 實驗結(jié)果討論

教師與學(xué)生就實驗測量結(jié)果進(jìn)行分析和討論，對數(shù)據(jù)誤差處理進(jìn)行重點(diǎn)提問：為什么測量結(jié)果會偏離真值？怎樣保證測量的精度？如何計算測量過程中的隨機(jī)誤差？實驗測量過程中具體還存在著哪些系統(tǒng)誤差？為了消除這些系統(tǒng)誤差，實驗方案應(yīng)該怎樣進(jìn)行改進(jìn)？等。通過對這些問題的思考和解決，讓學(xué)生熟悉不確定度、平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差、誤差傳遞等誤差處理方法，對空氣浮力、空氣阻力、懸線質(zhì)量、擺球的質(zhì)量分布、擺角、秒表和米尺等系統(tǒng)誤差對重力加速度的影響進(jìn)行熟悉和了解[4]。

4 結(jié) 語

探究性實驗的開設(shè)可以提高理工科學(xué)生對大學(xué)物理實驗的學(xué)習(xí)興趣，使教學(xué)過程變成學(xué)生發(fā)現(xiàn)信息、捕捉信息、加工信息、研究問題、增長知識的過程，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力的有效途徑。依據(jù)探究式教學(xué)特征指導(dǎo)實驗教學(xué)，改革傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，加大設(shè)計性、綜合性實驗比重，是提高大學(xué)物理實驗課教學(xué)效果及效率的有效手段。

[1]鄧于，劉宏.大學(xué)物理實驗教學(xué)探討[J].渝西學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005，4(4)：74-76.

[2]李尚仁主編.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)教師讀本[M].武漢:華中師范大學(xué)出版社,2003. 113-116.

[3]張敏.探索性物理實驗的雙重教育功能[J].物理實驗，2004，24(10)：24-27.

[4]孫衛(wèi)真.單擺法測重力加速度實驗誤差分析[J].貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，20(3)：331-334.

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2010－10－02

湖南科技學(xué)院2009年校級教學(xué)改革研究項目（湘科院教字2009[35]號）

付喜（1980－），男，湖南省岳陽縣人，講師，博士，主要研究方向為半導(dǎo)體低維介觀系統(tǒng)的輸運(yùn)、大學(xué)物理教學(xué)改革研究等。

（責(zé)任編校：何俊華）