李 田 汪 濤 葉大梧 陶純匡

(重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044)

同一設(shè)計性實(shí)驗(yàn)兩種教學(xué)模式的探索與實(shí)踐
——“望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的設(shè)計與組裝”實(shí)驗(yàn)的兩種教學(xué)模式比較

李 田 汪 濤 葉大梧 陶純匡

(重慶大學(xué)物理學(xué)院,重慶 400044)

本文討論比較了“望遠(yuǎn)鏡,顯微鏡的設(shè)計與組裝”實(shí)驗(yàn)的兩種教學(xué)模式.指出,設(shè)計性實(shí)驗(yàn)應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生的積極性,使他們在實(shí)驗(yàn)原理,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,實(shí)驗(yàn)方法等方面充分發(fā)揮主觀能動作用.經(jīng)過設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練,他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰头治鰡栴}的能力得到更大的提高.

設(shè)計性實(shí)驗(yàn);望遠(yuǎn)鏡;顯微鏡

1 前言

自上個世紀(jì)幾十年以來,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)加快了改革的步伐,在國內(nèi)高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中涌現(xiàn)了一批設(shè)計性實(shí)驗(yàn),這應(yīng)該說是一大進(jìn)步.但是由于當(dāng)時并沒有一個指導(dǎo)性的文件闡明基礎(chǔ)課大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)怎么定位,各校同仁的理解各不相同,因此設(shè)計性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其內(nèi)容五花八門.

一部分高校將原來的透鏡成像實(shí)驗(yàn)提升為望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的設(shè)計與組裝.由于“望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡的設(shè)計與組裝”實(shí)驗(yàn)(以下簡稱“二鏡”實(shí)驗(yàn))具備較強(qiáng)的知識性、科學(xué)性、趣味性和實(shí)用性,教學(xué)內(nèi)容有選擇性、多樣性和效果的可比性,因此對“二鏡”實(shí)驗(yàn)至少在實(shí)驗(yàn)前學(xué)生的熱情是高漲的,對該實(shí)驗(yàn)具有一定期待.但由于大家對該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的認(rèn)識不足,理解不深刻,準(zhǔn)備也不充分,結(jié)果實(shí)驗(yàn)后學(xué)生們很失落.學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)中元件太少,根本沒有選擇的自由度,談不上設(shè)計(筆者及同事走訪了部分院校.發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)組裝“二鏡”的元件太少,大部分高校都僅有3個凸透鏡.我們的情況稍好一點(diǎn),也只有4個透鏡:3個凸透鏡,1個凹透鏡),課后仍然是完成實(shí)驗(yàn)報告而非論文.于是,這個設(shè)計性實(shí)驗(yàn)僅僅是名義上的設(shè)計性實(shí)驗(yàn),而實(shí)際上仍然是一個驗(yàn)證性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).

這個被拔高的驗(yàn)證性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)至少暴露了如下問題:

實(shí)驗(yàn)設(shè)計者缺乏對設(shè)計性實(shí)驗(yàn)中“設(shè)計性”一詞的深入理解,沒有解決設(shè)計性實(shí)驗(yàn)與普通基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的真正區(qū)別是什么,在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)有哪些與“設(shè)計性”有關(guān)的教學(xué)內(nèi)涵與方法等.

由于上述原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備不充分(3個凸透鏡,一個作目鏡,一個作望遠(yuǎn)物鏡,最后一個作顯微物鏡).學(xué)生完全沒有選擇元件參數(shù)的自由度,當(dāng)然談不上設(shè)計,所謂“設(shè)計”僅體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱上而已.

另外,由于元件少,組裝出來的“二鏡”未考慮人眼的構(gòu)造,人的個體差異和缺乏個性,必然實(shí)用性差,觀察起來極為不方便,無形中還助長了學(xué)生對科學(xué)問題馬馬虎虎、隨隨便便的態(tài)度與作風(fēng).實(shí)驗(yàn)中缺乏了設(shè)計,論文寫什么?因此只有以普通實(shí)驗(yàn)報告收場.

隨著教學(xué)改革的不斷深入,特別是《理工科非物理類專業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》頒布實(shí)施以來,大家對設(shè)計性實(shí)驗(yàn)有了深入而全面的認(rèn)識.我們也反省了自己的教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,決定全面改造“二鏡”實(shí)驗(yàn),使之從文字意義的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)成為真正的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)并成為教師能施展因材施教教學(xué)方法的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目;一個深受學(xué)生歡迎的設(shè)計性實(shí)驗(yàn).

2 真正意義下的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的探索

1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路與目標(biāo):“二鏡”設(shè)計性實(shí)驗(yàn)應(yīng)以信息量相對較大、綜合性較強(qiáng)的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和以啟發(fā)式的教學(xué)方法取代傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn).學(xué)生通過“二鏡”設(shè)計性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的鍛練,既可以學(xué)習(xí)到較為深入的光學(xué)知識,又可以發(fā)揮自己在實(shí)踐中的主動性,培養(yǎng)和提高自己的創(chuàng)新能力.另外,通過本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的鍛練和培養(yǎng),學(xué)生還可學(xué)習(xí)對科學(xué)問題一絲不茍、精益求精的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和作風(fēng).

2)適當(dāng)增加知識點(diǎn):“二鏡”設(shè)計性課程的改革提高了“二鏡”實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性,這不可避免地增加了許多知識點(diǎn),有些是教材沒有涉及到的.例如“瞳的概念”、“出瞳直徑”、“出瞳距離”、“視窗”、“人眼結(jié)構(gòu)與目視效果”、“分辨率”等.其中以“出瞳距離”較為重要,學(xué)生在設(shè)計具有實(shí)用價值的“二鏡”實(shí)驗(yàn)過程中必須掌握.舉例說明:

以下是三組物、目鏡配合,按公式 M=fo/fe都可以實(shí)現(xiàn)組裝放大率為20倍的望遠(yuǎn)鏡:

但事實(shí)是:望遠(yuǎn)鏡是目視光學(xué)儀器,最終要用人眼觀察,考慮到人眼的結(jié)構(gòu),人眼眼瞳到角膜頂點(diǎn)約4mm,目視光學(xué)儀器的瞳孔距一定要大于此值;再加上眼瞳到睫毛距約8mm,因此目鏡焦距應(yīng)不小于10mm.同時,還要考慮學(xué)生有正常眼和近視眼以及觀察習(xí)慣,出瞳距離應(yīng)該在12～30mm之間較好.因此按此要求,第一組物、目鏡數(shù)據(jù)配合中出瞳距小于12mm,組裝的望遠(yuǎn)鏡顯然不能用于觀察,數(shù)據(jù)完全不能用;第三組數(shù)據(jù)出瞳距大于30mm,組裝的望遠(yuǎn)鏡可以觀察但不方便(要找出瞳像才能獲得較大視場);而第二組數(shù)據(jù)出瞳距在12～30mm范圍內(nèi),符合人眼的結(jié)構(gòu)要求,組裝的望遠(yuǎn)鏡觀察起來方便,是我們可以選用的參數(shù).由此我們看到,為了提高“二鏡”實(shí)驗(yàn)實(shí)用性,必須拓展設(shè)計性實(shí)驗(yàn)的知識點(diǎn).

另外,實(shí)驗(yàn)中我們提供了不同孔徑及焦距的透鏡有10個以上,學(xué)生在預(yù)習(xí)課程的時候會有相同放大率的幾組選擇,在實(shí)驗(yàn)課設(shè)計中還會出現(xiàn)出瞳距的效果好壞及優(yōu)化問題.

3)課程教學(xué)時間安排及要求

該實(shí)驗(yàn)的學(xué)時數(shù)由原來的3學(xué)時改為6學(xué)時,即課前3學(xué)時(學(xué)生自查資料),課內(nèi)3學(xué)時.實(shí)驗(yàn)共分3階段進(jìn)行:第1階段,教師提前告訴學(xué)生“二鏡課”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容安排與要求以及注意事項(xiàng).課前學(xué)生自查資料,自學(xué)新知識,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室能提供的透鏡參數(shù)(事先提供透鏡參數(shù))初步擬定設(shè)計方案;第2階段,課內(nèi)學(xué)生提交設(shè)計方案,獲教師認(rèn)可通過后學(xué)生就可領(lǐng)取透鏡進(jìn)行“二鏡”設(shè)計與組裝的實(shí)施及實(shí)驗(yàn).有問題即時和教師討論解決.組裝的二鏡可在小范圍內(nèi)進(jìn)行效果好壞比較,體現(xiàn)效果的可比性,致使該實(shí)驗(yàn)成為真正意義下的研究設(shè)計性實(shí)驗(yàn);第3階段,課后撰寫小論文(格式事前提供),字?jǐn)?shù)在2500左右.

4)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及器材的完善

為使實(shí)驗(yàn)成為真正義意下的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)并具有好的實(shí)驗(yàn)效果,我們還進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及器材的改造和完善:

(1)每個實(shí)驗(yàn)組(2人)配備孔徑、焦距 f各不相同的透鏡10個以上,供學(xué)生按設(shè)計方案選擇使用.增加透鏡的品種和數(shù)量,使學(xué)生能根據(jù)自己的理解、觀察習(xí)慣(如戴眼鏡觀察)和個性要求設(shè)計不同配組方案,在組裝時有較大的選擇自由度并實(shí)現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)化.

(2)與原實(shí)驗(yàn)相比較,每個實(shí)驗(yàn)組還增設(shè)了兩套實(shí)驗(yàn)室自制的全反射鏡輔助光路.一套是在組裝望遠(yuǎn)鏡時,將物像做二次反射;另一套是在組裝顯微鏡時,將標(biāo)準(zhǔn)尺度做二次反射,提供學(xué)生直觀快捷地對放大或顯微的像與原像或標(biāo)準(zhǔn)作比較.

(3)選配多種輸入物(縮微圖片或標(biāo)本)和標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡(簡易型,主要用于與學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.

(4)為了使實(shí)驗(yàn)器材與設(shè)計性實(shí)驗(yàn)相適應(yīng),我們改進(jìn)了原實(shí)驗(yàn)所使用的照明系統(tǒng),提供實(shí)驗(yàn)室自制的LED照明系統(tǒng)從而改善以往該實(shí)驗(yàn)中輸入物亮度不足、學(xué)生視覺易疲勞、讀數(shù)不準(zhǔn)確等弊病,藉以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果與學(xué)習(xí)興趣.

5)加強(qiáng)教師自身建設(shè)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究

教師的教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)方法是設(shè)計性實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵,為此我們進(jìn)行了如下工作:

(1)加強(qiáng)教師的自身建設(shè),增加知識儲備.

(2)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的研究,領(lǐng)悟因材施教的真蒂.教學(xué)指導(dǎo)中忌限制學(xué)生的思維,學(xué)生組裝的二鏡其效果學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互比較中自有定論.

(3)搞好各種教學(xué)觀摩課,教師間相互學(xué)習(xí)、切磋,共同提高.

3 嚴(yán)格意義的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果體驗(yàn)

學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)中,面對啟發(fā)式的教學(xué)指導(dǎo),面對眾多的光學(xué)透鏡和多種組合,按照自己的理解和構(gòu)思設(shè)計并組裝4～10倍放大倍數(shù)的望遠(yuǎn)鏡和30～100倍顯微鏡.學(xué)生完成該實(shí)驗(yàn)后,普遍反映實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富,完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有一定的難度,具有挑戰(zhàn)性和吸引力.一句話,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)真正具有研究與設(shè)計的意義,學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可以鍛煉和培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力.

教師認(rèn)為新的教學(xué)模式對教師是一個挑戰(zhàn),也是教學(xué)活動的一個突破.原來面對眾多學(xué)生以同一種模式和方法照本宣科地授課,對學(xué)生成績的度量是實(shí)驗(yàn)報告.現(xiàn)在改變了,教師必須加強(qiáng)自身建設(shè),增加知識儲備,調(diào)動自己的知識把握能力,運(yùn)用啟發(fā)式和因材施教的教學(xué)方法指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn),而對學(xué)生的評價則是通過全過程的表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及論文綜合起來評分.

本實(shí)驗(yàn)中教師用啟發(fā)式靈活變化的方法指導(dǎo)學(xué)生,在理論與實(shí)踐兩個方面結(jié)合起來綜合考察評價學(xué)生,教學(xué)活動的“教”與“學(xué)”得到有機(jī)的最佳統(tǒng)一.

4 為深化教學(xué)改革尋找到了一些可資借鑒的思路和方法

通過“二鏡”課改的實(shí)踐,嚴(yán)格意義的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)探索取得較好的效果.我們物理實(shí)驗(yàn)中心在課改前期做了大量的準(zhǔn)備工作,進(jìn)行了專門研討,對可能出現(xiàn)的多種因素有一定的預(yù)見,在實(shí)際教學(xué)中出現(xiàn)的新情況也得到及時整改和完善.

總結(jié)“二鏡”課改的成功經(jīng)驗(yàn),我們還為其他實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)改革創(chuàng)新以及具體實(shí)施尋找到了一些可資借鑒的思路和方法.首先是,對實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法深化改革的創(chuàng)新可行性要進(jìn)行充分的研討,全面掌握該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特點(diǎn)及課改的可操作性,盡可能預(yù)見到設(shè)計性實(shí)驗(yàn)中會出現(xiàn)的新情況、新問題并設(shè)置應(yīng)對措施;其次是,教學(xué)改革應(yīng)該有學(xué)生參與.教學(xué)是教師和學(xué)生互動的過程,缺一不可.課改可先在小范圍嘗試,及時聽取學(xué)生的意見,不斷進(jìn)行完善,總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后再推廣到涉及面廣的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中去.

我們希望通過自己的積極努力,使更多的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與現(xiàn)代教改相銜接,使其技術(shù)含量得到升華,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的教學(xué)實(shí)踐中煥發(fā)新的生命.

RESEARCH AND PRACTICE OF TWO DIFFERENT TEACHING MODE OF THE SAME DESIGNING EXPERIMENT

Li Tian Wang Tao Ye Dawu Tao Chunkuang
(College of Physics,Chongqing University,Chongqing 400044)

This paper has discussed and compared the two teaching modes of the design and install of telescope and microscope experiment.It has been pointed out that designing experiments could stimulate the students’motivation and make them fully exert subjective initiative on experiment principle,experiment content and experiment method.After the training of designing experiments,the experiment and analysis ability of the students have been improved greatly.

designing experiment;telescope;microscope

2010-07-15)

李田,女(1958年出生),實(shí)驗(yàn)師,中心副主任,主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及教學(xué)管理工作.