何焰藍(lán)，何 彪，丁道一，劉一星，于曉燕，彭 剛

（國防科技大學(xué)理學(xué)院，湖南長沙410073）

1 大學(xué)物理實驗是最能體現(xiàn)博雅教育理念的課程

博雅教育[1]是對大學(xué)本科生實施的一種教育，它不是為一個具體職業(yè)做準(zhǔn)備的教育，它更關(guān)注個人的發(fā)展.博雅教育應(yīng)以知識為基礎(chǔ)，通過求知發(fā)展主體精神，培育學(xué)生科學(xué)的態(tài)度和致知的能力，培養(yǎng)學(xué)生追求真理的精神和才智，在知識、思想、行為的統(tǒng)一中追求精神境界的提升，使學(xué)生的心智得以完善，潛能得到開發(fā)，智慧得以啟迪，能力得到拓展.

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，理論嚴(yán)密，研究方法充滿著哲理性.例如觀察物理現(xiàn)象和過程并對其進(jìn)行正確的質(zhì)疑與解釋；從實驗和觀察中進(jìn)行科學(xué)歸納；建立理想化模型并不斷修正；運用已有的概念及規(guī)律對具體物理問題進(jìn)行演繹；等等.物理實驗教學(xué)注重培養(yǎng)學(xué)生的形象思維和邏輯思維能力，這些思想方法還可以廣泛遷移運用于其他學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域.

在實驗物理學(xué)數(shù)百年的發(fā)展進(jìn)程中涌現(xiàn)了眾多卓越的實驗，它們以其巧妙的物理構(gòu)思，獨到地處理和解決問題的方法，精心設(shè)計的實驗環(huán)節(jié)，高超的測量技術(shù)等，為我們展示了極其豐富和精彩的物理思想，揭示了解決問題的途徑和方法.物理實驗課程采用的是案例教學(xué)模型，即實驗的知識點（廣義）貫穿（蘊(yùn)含）在各個具體的實驗案例或項目中.在以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的所有計劃學(xué)時的實驗教學(xué)任務(wù)完成后，即達(dá)到了培養(yǎng)具有健全心智、理性思維、獨立思考、和諧人格的完整的人的目標(biāo)，這一與博雅教學(xué)理念的目標(biāo)完全一致.

2 “感應(yīng)法測量非均勻磁場”案例教學(xué)

“非均勻磁場的測量”實驗就是利用法拉第電磁感應(yīng)定律測量待測磁場的大小和方向.

2.1 物理模型的復(fù)雜性與完備性——簡約與本質(zhì)性之間的辯證關(guān)系

測量的實質(zhì)就是首先要搭建容易被測的物理量與待測量（也即未知量）之間的關(guān)系，一旦關(guān)系式建立，測量方法和手段也隨之確定.

設(shè)問：“依據(jù)本實驗原理，教材里測量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的公式是哪一個？”

實際上，測量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的公式教材[2]里寫得明明白白，即：

課前“預(yù)習(xí)（但效果無法評價）”過實驗教材的學(xué)生們被教師提出的這個看似十分簡單的問題困惑住了，在他們的腦海里也許早就有了自己的判定，或式（1），或式（2）.學(xué)生紛紛翻書，大部分同學(xué)確定了式（1）.

又問：兩式有什么異同？同學(xué)們異口同聲地回答：式（2）只對均勻磁場條件成立.而式（1）是經(jīng)過對探測線圈工程設(shè)計（使一小面積的探測線圈滿足外徑為D，內(nèi)徑d＝D，長度L＝D）后由式（2）改良而來.

這種以面代點稱為“替代法”的實驗方法既將微小量加以放大又巧妙地解決了式（2）不能直接計算的難題.

提問以及學(xué)生作答弄清楚了測量公式的導(dǎo)入原委后，教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生：式（2）雖然只是對理想化的均勻磁場（見圖1）成立，但卻能得出直觀和本質(zhì)的結(jié)論：不僅給出了感應(yīng)法測量磁感應(yīng)強(qiáng)度大小的方法，也隱含了測量磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的技術(shù).

圖1 感應(yīng)法測磁場原理

考慮到探測線圈法線方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的夾角，有如下公式

式（3）表明：旋轉(zhuǎn)撤出探測線圈，從交流電壓表讀出最大感生電動勢，由式（3）得到該點的磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值；旋轉(zhuǎn)探測線圈使得交流電壓表讀數(shù)為零，此時的探測線圈法線方向必然與該點的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直.

而最終的測量式（1）是對最簡單模型式（2）進(jìn)一步修正后得到的.

這種對簡單模型的修正得到最終更加接近于物理實質(zhì)的模型的過程，是許多科學(xué)研究常用的方法，它避免了將所有因素考慮得周全因而造成計算復(fù)雜甚至模糊物理思想或概念的可能.

簡單原理包含了千百萬特定的事例，要學(xué)會或者記住每件事情非常難，但原理囊括了一切.因此，培養(yǎng)學(xué)生的心智，讓他們學(xué)會思考，用理性的思維去發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象背后的原理，這才是博雅教育的精髓所在.

2.2 靈敏度的概念以及與測量總靈敏度之間的關(guān)系——以求最大效益（木桶原理）

式（3）蘊(yùn)含了測量磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的原理，教材也十分清晰地予以描述.

當(dāng)提問為何不用“旋轉(zhuǎn)探測線圈使得交流電壓表讀數(shù)最大，此時的探測線圈法線方向必然與該點的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向平行”的顯見方法時，學(xué)生躊躇，有90%以上的學(xué)生有如下的回答：因為最大值那一點不知道，很難確定；而由于交流電表測量的是有效值，因此最小值那點一定是零，容易判定.（這里需要說明一點，大學(xué)物理實驗課程采取大循環(huán)方式，此前學(xué)生剛好做完“惠斯登電橋測量電阻”實驗.）于是教師提示：“電橋靈敏度”概念，學(xué)生有所思，但卻無悟.經(jīng)提示，終于知道用式（3）對θ求導(dǎo)，可以得出用“最小值測量方法”時，即θ＝90°時靈敏度最高的結(jié)論.

實驗過程中，又讓學(xué)生用2種方法（即“最大值”和“最小值”）同時測量，結(jié)果無甚差別.讓學(xué)生尋找原因，發(fā)現(xiàn)實驗中所用的萬用數(shù)字表的交流電壓擋靈敏度不夠，讓“最小值”測量方向的方法的高靈敏度優(yōu)勢無法發(fā)揮.這點在“惠斯登電橋測量電阻”實驗中也有類似的情況，總的測量靈敏度實際受限于測量過程中的最小靈敏度.

通過實驗，學(xué)生加深理解了靈敏度對測量的意義.知道如何尋找短板（即木桶原理），改善實驗各環(huán)節(jié)提高測量精度的途徑，更深層次地揭示了博雅教育的哲學(xué)意義.

2.3 小墊片的作用——細(xì)節(jié)決定成敗

實驗中由于探測線圈有一定的體積，因而造成下表面的中心很難與測量平面[亥姆赫茲線圈中心平面，見圖2（a）]的具體測量點一一對應(yīng).書上若無提示“有一個透明的中心有一很細(xì)螺絲以此明確標(biāo)出中心點的有機(jī)玻璃薄片可以輔助定位[圖2（b）]”，幾乎沒有學(xué)生能考慮到采用這種方式.當(dāng)學(xué)生看到教師拿出這個不起眼的小薄墊片后，方恍然大悟.當(dāng)他們拿著透明有機(jī)玻璃薄片輕松定位時，教師再次發(fā)問：有機(jī)玻璃墊片雖薄，但是依然有一定的厚度，會不會影響測量？這是學(xué)生沒有在意的一個細(xì)節(jié).在學(xué)生搞清楚墊片的作用，開始欣喜地測量時，全然忽略了由于墊片的厚度所造成的偏差，而此偏差又在設(shè)計時加以考慮而消除于無形之中.于是教師的關(guān)于“細(xì)節(jié)決定成敗”的諄諄教誨又使學(xué)生難忘卻！

圖2 探測線圈測量定位裝置

實踐證明：大學(xué)物理實驗課程的實施過程，是集實驗誤差以及數(shù)據(jù)處理基本知識、基本實驗方法（包括思想方法）、基本測量技術(shù)等于一體，且深深扎根于“放之四海為皆準(zhǔn)的”物理學(xué)基本原理這一廣闊土壤之中的教學(xué)活動.因此，一場由教師主導(dǎo)的以啟迪學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生思辨能力和健全心智為目的以實現(xiàn)博雅教育理念的綜合實踐活動對學(xué)生是不無裨益的.

3 教師是貫徹博雅教育理念的主體

國內(nèi)大多數(shù)物理實驗教學(xué)活動一般過程為，學(xué)生課前先將教材里的待做實驗草草“通讀”一遍，對教材里知識點的內(nèi)在聯(lián)系以及實驗思想方法不細(xì)加領(lǐng)悟，期待著課堂里教師細(xì)致地介紹實驗?zāi)康?、實驗原理、所用儀器、注意事項等，剩下的時間再按教材上所講的步驟重復(fù)實驗，獲取數(shù)據(jù)，驗證規(guī)律、定理、公式等.這種教學(xué)模式的突出特點是以教師為中心，學(xué)生只是被動地重復(fù)實驗步驟，忽略了學(xué)生認(rèn)知過程中的主觀能動性，注重的也不是學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，也抹殺了實驗課程特別是物理實驗課程在博雅教育中的作用.此外，即便教師有博雅教育的理念，但因為其在學(xué)術(shù)視野、知識結(jié)構(gòu)等方面存在著缺陷，教育的效果往往也很難達(dá)到預(yù)期的目標(biāo).

可見，博雅教育的師資水平的提高問題也急需提高.教師要高度重視物理思想和物理過程的傳授，應(yīng)該有計劃、有目的、有步驟、循序漸進(jìn)地把實驗思想方法教授給學(xué)生，使隱性、潛在的物理實驗思想方法顯性化.這些工作，教師要發(fā)揮主導(dǎo)作用.教師要教育學(xué)生，因此首先要對實驗原理、實驗內(nèi)容進(jìn)行深入的研究，查閱相關(guān)史料，了解這一實驗的科學(xué)背景，把自己置身于問題的研究之中，深刻領(lǐng)會實驗的思想方法，對學(xué)生的啟發(fā)教育才會具有一定的深度.另一方面，教師的知識較學(xué)生更為廣博，經(jīng)驗更為豐富，認(rèn)識問題更為周全，能夠透過現(xiàn)象看本質(zhì)，這樣才能深刻理解隱性的、潛在的物理實驗思想方法，也才有可能將其顯性化.在教師的啟發(fā)和引導(dǎo)下，學(xué)生才會自覺地挖掘每一實驗內(nèi)在的思想方法，不僅僅停留在淺層次的數(shù)據(jù)測量和簡單操作層面上，而是用“心”去做每一個實驗.只有這樣長期堅持，養(yǎng)成習(xí)慣，博雅教育的最終目標(biāo)才能實現(xiàn).

4 結(jié)束語

博雅教育是對大學(xué)本科生實施的一種教育，而根據(jù)理工科大學(xué)里的基礎(chǔ)課程大學(xué)物理實驗特點，決定了它能成為很好地貫徹博雅教育理念的核心課程之一.為喚醒教師在此課程實施博雅教育理念，本文僅以“感應(yīng)法測量非均勻磁場”實驗為例，從物理實驗教學(xué)的微觀層面來探討其實施的可能性，希望能起到拋磚引玉的作用.

[1] 付金蘭.《1828耶魯報告》博雅教育理念研究[D].長沙：中南大學(xué)，2006：1－72.

[2] 何焰藍(lán)，楊俊才.大學(xué)物理實驗[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：139－144.