魏江，汪昭，李嘉亮

（常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

大學(xué)物理實驗改革研究

魏江，汪昭，李嘉亮

（常熟理工學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

根據(jù)現(xiàn)今大學(xué)物理實驗教學(xué)中出現(xiàn)的一些問題，闡述了實驗教學(xué)改革的必要性，提出了從合理利用時間、增設(shè)實驗專題、充分利用資源、利用先進技術(shù)和完善考核制度等方面的改革措施。

大學(xué)物理實驗；改革措施；仿真實驗

一、大學(xué)物理實驗改革的必要性

大學(xué)物理實驗是一門傳統(tǒng)學(xué)科，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰Γ_發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維。我校經(jīng)歷了由1958年的師范?？频?989年的“文理滲透”，再到2004年的“向理工應(yīng)用學(xué)科為主”的發(fā)展［1］，大學(xué)物理實驗教學(xué)在不斷改革創(chuàng)新中發(fā)展，取得了一定的成績。但是，隨著專業(yè)的增加、生源的變化，大學(xué)物理模塊化教學(xué)體系的改革和實驗器材的更新，也出現(xiàn)了一些新的大學(xué)物理實驗教學(xué)問題。

常熟理工學(xué)院的《大學(xué)物理實驗》課分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗與設(shè)計研究性實驗三部分［2］，旨在循序漸進地培養(yǎng)學(xué)生的操作技能和創(chuàng)新能力。但是基礎(chǔ)性和綜合性實驗的內(nèi)容還是按照傳統(tǒng)的教學(xué)模式進行，由教師介紹實驗重點和注意事項，并手把手指導(dǎo)，雖然實驗結(jié)果令人滿意，但在整個教學(xué)過程中缺少了學(xué)生自己的思考和探究，在一定程度上限制了他們的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。主要問題是：一、部分基礎(chǔ)性實驗時間利用不夠合理，實驗注重了對理論的驗證而輕視了在實際生活中的應(yīng)用；二、部分綜合實驗內(nèi)容繁雜，深入研究不足；三、某些研究性實驗儀器功能高度智能化，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維；四、教學(xué)手段單一，現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)應(yīng)用不足；五、實驗考核較簡單，學(xué)生重視程度不足。

二、大學(xué)物理實驗改革措施

（一）合理利用時間，提高學(xué)習(xí)效率

基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容相對簡單，完成時間較短，往往安排的三節(jié)實驗課時間，一半甚至三分之一時間內(nèi)就有同學(xué)做完。針對這種情況，現(xiàn)在的安排是將剩余時間用于處理實驗數(shù)據(jù)并完成實驗報告。實驗數(shù)據(jù)的分析與處理當(dāng)然是實驗的重要組成部分，但這些完全可以利用課后或課余時間完成。由于實驗儀器數(shù)量相對來說還不是很充足，不能把寶貴的實驗時間充分利用就是浪費資源。因此，建議增添一些與實驗相關(guān)的簡單內(nèi)容，這樣既可以提高學(xué)生操作儀器的熟練程度，又可以加深學(xué)生對實驗原理的理解。

例如在基本測量實驗中，除測量固體密度外也可以測量液體密度（不同濃度鹽水或糖水）。方案一：利用密度的定義：ρ=m/v，其中m是天平測得的液體質(zhì)量，v是用量杯測量的體積。方案二：用天平測量量杯質(zhì)量m.，加入水到某一刻度，稱量質(zhì)量為m1，注入待測液體到同一刻度，測出質(zhì)量為m2，根據(jù)ρ=（m2-m0）ρ0/（m1-m0）求解待測液體密度ρ（ρ0為水的密度）。方案三［3］：借助一個正方體軟木塞（邊長為a），由于它的密度小于水的密度，放入水中將處于漂浮狀態(tài)，測量它露出水面高度b，再放入待測液體中，測量露出液面高度為c，根據(jù)阿基米德定律，待求液體密度為ρ=（a-b）ρ0/（a-c）?？梢愿鶕?jù)實驗時間安排兩到三種方案，并將測量結(jié)果比較分析。對以上內(nèi)容的具體時間安排見圖1。

再如在液體表面張力測定實驗中，可以在水中加入洗衣粉［4］，測量不同濃度的液體表面張力系數(shù)，通過實驗結(jié)果了解表面張力在生活實踐中的應(yīng)用。

在透鏡實驗中對凸透鏡焦距的測量采用了四種方法，在適當(dāng)補充鏡片度數(shù)的條件下（眼鏡的度數(shù)等于鏡片焦距倒數(shù)的100倍，即等于100/f，鏡片焦距單位是米），可以嘗試對老花鏡度數(shù)的測量。雖然是基礎(chǔ)實驗，但是由于加入了生活元素，更容易激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，加深了他們對實驗原理的理解，提高對儀器的熟練操作程度，提高了實驗教學(xué)效率。

（二）增設(shè)實驗專題，開發(fā)綜合實驗

綜合實驗是在學(xué)生具有基本操作技能的基礎(chǔ)上，將各個基礎(chǔ)學(xué)科的知識相互交叉、優(yōu)化整合的實驗內(nèi)容。大學(xué)物理實驗中心的綜合實驗個數(shù)達12個之多，涵蓋力、熱、光、電和近代物理實驗，每一綜合實驗涉及多個學(xué)科，但美中不足是針對每一綜合實驗的深入研究探討不足。針對不同專業(yè)的特點，嘗試引入專題教學(xué)，每一專題可根據(jù)內(nèi)容安排兩到三次實驗。例如針對數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)的相關(guān)專業(yè)，聲速的測量就可以成立一個專題，除了測量空氣中的聲速，還可以測量液體中的聲速。在測得液體溫度、不同濃度鹽水（或糖水）密度的基礎(chǔ)上，找出液體中聲速隨溫度和濃度的變化規(guī)律［5］，并從分子運動理論的角度來解釋實驗結(jié)果［6］。通過這一專題的研究，加深了學(xué)生對宏觀規(guī)律與微觀規(guī)律間關(guān)系的理解。對機械、自動化等工科專業(yè)可將電橋作為一個專題，內(nèi)容包括直流電橋（測中值電阻的惠斯通電橋和測小電阻的開爾文電橋）與交流電橋。通過直流電橋與伏安法測電阻實驗結(jié)果準確性的比較［7］，更容易掌握合理的測電阻方法，通過橋臂電阻數(shù)值的選擇找出橋臂與電橋靈敏度的關(guān)系［8］，掌握更準確測量電阻時參數(shù)的選取。

綜合實驗專題的設(shè)立是相關(guān)實驗內(nèi)容的整合、重構(gòu)，它對教學(xué)水平提出了更高的要求，在開拓學(xué)生思路的同時，也提高了他們的學(xué)習(xí)興趣。專題的設(shè)立同時也鍛煉了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，對他們獨立思考能力的培養(yǎng)起到了推動作用。專題的設(shè)立也可以對后續(xù)的研究性實驗提供必要的技術(shù)支持，例如在聲速測量的基礎(chǔ)上，如果再進一步測量出系統(tǒng)的壓強和密度（或者是測量出系統(tǒng)的溫度和空氣的摩爾質(zhì)量），也可以得到被測系統(tǒng)的絕熱指數(shù)和系統(tǒng)的等體熱容量和等壓熱容量［9］；如果在此基礎(chǔ)上再進一步探究，還可以得到常溫常壓下等容熱容量和等壓熱容量與溫度無關(guān)的結(jié)論。

（三）充分利用資源，激發(fā)創(chuàng)造思維

設(shè)計、研究性實驗中有些儀器集成化、智能化較強，功能單一，數(shù)據(jù)輸出前甚至已經(jīng)處理，如研究性實驗《粘度系數(shù)隨溫度變化的研究》所用的PH-Ⅳ型變溫粘滯系數(shù)實驗儀，《壓強與沸點關(guān)系的研究》中LB-PB壓強-沸點實驗儀。這類實驗操作較少，只需記錄幾個數(shù)據(jù)就完成了實驗，這當(dāng)然簡化了操作步驟和數(shù)據(jù)處理，但是對于學(xué)生動手能力的培養(yǎng)收效甚微。而研究性實驗的內(nèi)容有時可以自行設(shè)計，器材也可以就地取材。例如由于儀器的使用和更新，實驗室里經(jīng)常有各種即將或已經(jīng)報廢的儀器，大到整個實驗箱，小到一個單相開關(guān)，雖然整體使用已經(jīng)不符合實驗要求，但拆開利用也能起到不錯的效果。如霍爾傳感器中的螺線管可以當(dāng)做電感在自搭的RLC電路中使用；螺線管中漆包線也可以測出電阻，通過公式R= 4ρL/（πd2）算出漆包線的長度L［10］，其中ρ是材料的電阻率，d是漆包線的直徑，這就是一個較好的設(shè)計性實驗的內(nèi)容。如報廢的物理天平可以重新組裝，經(jīng)過對橫梁、吊耳、掛架和托盤的調(diào)試［11，12］，使其還能發(fā)揮作用（對測量精度要求不高時）。經(jīng)過學(xué)生的嘗試和創(chuàng)新，不但提高了動手能力，同時也為今后的學(xué)習(xí)深造打下了良好的基礎(chǔ)。

物理實驗室有許多貼合生活的實驗內(nèi)容，如立體電影、激光琴、夢幻點陣（魔球）、超導(dǎo)磁懸浮列車等五十多個精彩實驗，可以在適當(dāng)?shù)臅r間組織安排學(xué)生參觀學(xué)習(xí)，參觀后可以各自選取感興趣的內(nèi)容，進行相關(guān)資料文獻的收集和整理，最后以小論文的形式闡述某一內(nèi)容的原理、操作、現(xiàn)象、解釋及生活中的應(yīng)用。通過各種形式充分利用現(xiàn)有的實驗資源，使同學(xué)們了解到物理實驗在現(xiàn)實生活和工業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用，特別是了解先進技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)的緊密聯(lián)系，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和創(chuàng)造思維。

（四）利用先進技術(shù)、改革實驗方式

隨著科技的進步，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)也急需改革。利用計算機技術(shù)開展的模擬仿真實驗已經(jīng)越來越受到高校的重視，我校已經(jīng)有教師申請了科研項目，正在進行這方面的研究和開發(fā)工作。模擬仿真實驗利用多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對現(xiàn)有實驗內(nèi)容進行模擬仿真，系統(tǒng)能提供簡單的、通用的交互界面，可以模擬儀器操作、參數(shù)設(shè)置、結(jié)果分析的整體實驗流程。

1996年中國科技大學(xué)天文與物理系在國際上首創(chuàng)了第一套仿真物理實驗教學(xué)軟件［13］，1988年升級到windows版本，其中的模擬技術(shù)水平和實驗規(guī)模達到國際領(lǐng)先水平。1999年推出了《大學(xué)物理虛擬實驗》的internet遠程教學(xué)系統(tǒng)，在國內(nèi)和國際的物理教學(xué)界產(chǎn)生了巨大的影響，系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用和贊譽。這種新穎的實驗方式克服了傳統(tǒng)實驗受儀器測量范圍、操作環(huán)境、時空條件等因素的限制，特別對某些結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的儀器，模擬系統(tǒng)可將儀器拆卸、解剖，便于學(xué)生對內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的理解和使用。

在網(wǎng)絡(luò)信息越來越普及的當(dāng)下，更多的學(xué)習(xí)活動可以通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。虛擬實驗室豐富了現(xiàn)今的實驗內(nèi)容和實驗手段，在增大教學(xué)對象范圍的同時，也減少了資金的投入，使我們有限的教育資源得以更好地利用。利用模擬系統(tǒng)良好的交互性、計算機的高效仿真性可以更好地展示實驗現(xiàn)象的微觀及整體，有利于提高學(xué)生的能動性，同時預(yù)習(xí)過程中的模擬操作也可減少實際操作中由于操作不當(dāng)而造成的失誤。隨著模擬儀器庫的完善，有望實現(xiàn)更多的仿真實驗，這是對現(xiàn)行實驗室教學(xué)的有效補充，也是今后實驗教學(xué)改革的主要研究方向。

遠程實驗教學(xué)一直是網(wǎng)絡(luò)教育的一大難題，中國科技大學(xué)推出的《大學(xué)物理虛擬實驗》的Internet網(wǎng)遠程教學(xué)系統(tǒng)為我們提供了一種新的思路和方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2［14］。系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)上學(xué)生間和師生間的實時交互教學(xué)，使實驗教學(xué)在時間和空間上得到延伸。實踐證明，這套系統(tǒng)在教學(xué)中取得了很好的教學(xué)效果。

圖2 大學(xué)物理虛擬實驗遠程教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（五）完善考核制度，規(guī)范實驗教學(xué)

《大學(xué)物理實驗》現(xiàn)有的考核方法較為寬松，基本上只要是來做實驗并能獨立完成實驗報告的同學(xué)都可以有不錯的成績。由于受到多種因素的制約（實驗人數(shù)眾多、教師資源不足、各學(xué)院時間調(diào)配困難、選課內(nèi)容繁雜），只能重視平時考核，忽視期末考核。導(dǎo)致部分學(xué)生對《大學(xué)物理實驗》課程不夠重視?，F(xiàn)在隨著學(xué)院的實驗教學(xué)改革，這一問題將有所緩解。建議每學(xué)期集中安排一次實驗理論考試（也可以以小論文的形式討論或總結(jié)實驗相關(guān)內(nèi)容）；期末安排一到兩周時間開放所有實驗室，安排專門教師對選課同學(xué)進行操作考核，操作考核形式可以適當(dāng)靈活［15］；最終由平時、理論、操作三部分得出課程最終分數(shù)。在最終成績的評價中，注重的應(yīng)該是學(xué)生的實驗過程，而不是實驗結(jié)果。

三、結(jié)論

在科技發(fā)達的今天，《大學(xué)物理實驗》仍然是一門適應(yīng)時代發(fā)展、培養(yǎng)高素質(zhì)人才的基礎(chǔ)學(xué)科。大學(xué)物理實驗的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)能反映生活實踐和最新的科技成果，教學(xué)手段應(yīng)改變傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，建立虛擬課程和遠程教育相結(jié)合的多元化教學(xué)模式，以滿足不同層次、不同專業(yè)學(xué)生的需求。這些改革措施，正在或?qū)⒁獞?yīng)用在實踐教學(xué)中，我們期望它們在教學(xué)實踐中能取得較好的效果。

［1］李德地.關(guān)于天平配重調(diào)平的相關(guān)問題［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010，10：166.

［2］張平.大學(xué)物理實驗［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2006.

［3］巫建國.幾種初中學(xué)生測量物質(zhì)密度的方法［J］.西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）.2012，10（3）：159-160

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［11］李德地.關(guān)于天平配重調(diào)平的相關(guān)問題［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2010，（10）：166-166.

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［13］張玲玲，王丹.大學(xué)物理實驗教學(xué)的改革與實踐探索［J］.吉林省教育學(xué)院學(xué)報，2010，26（5）：135-136.

［14］王曉蒲.大學(xué)物理實驗及其遠程教學(xué)系統(tǒng)［R/OL］.合肥：中國科技大學(xué)，［2003-10-1］.http：//www.bb.ustc.edu.cn/ jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part1/1-3.html#0.

［15］魏江，實驗操作考核—物理實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)［J］.物理測試，2002，（5）：36-37.

Studies on Innovation in Experiments of College Physics

WEI Jiang,WANG Zhao,LI Jia-liang
(School of Physics and Electronic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Some problems in the teaching of college physics experiment are presented in this paper.The necessity of reformation is postulated,and the proposals on the practical reformation are put forward,such as making proper use of teaching time and resources,adding special topics in the experiment,employing advanced technology,and improving the evaluation system.

experiment of college physics;proposal on reformation;simulation experiment

G423.07

A

1008-2794（2013）06-0106-04

2013-09-07

常熟理工學(xué)院教學(xué)改革研究項目“大學(xué)物理實驗虛擬仿真技術(shù)研究”（CITJGGN201328）

魏江（1971—），女，河南新野人，實驗師，碩士，研究方向：物理實驗、光柵拼接。