杜秋姣 程永進(jìn) 苗秀花 王希成

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院 湖北武漢 430074

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分級(jí)教學(xué)研究

杜秋姣 程永進(jìn) 苗秀花 王希成

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)數(shù)學(xué)與物理學(xué)院 湖北武漢 430074

根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，對(duì)分級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提出改進(jìn)措施。實(shí)踐表明，改革有效提升了物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，是對(duì)分級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的進(jìn)一步探索。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；分級(jí)教學(xué)；改進(jìn)措施

由于我國(guó)的理工科教學(xué)長(zhǎng)期受到教學(xué)條件、環(huán)境和師資水平的限制，大部分學(xué)校的分級(jí)教學(xué)內(nèi)容，只按實(shí)驗(yàn)的難易程度簡(jiǎn)單劃分為基本、驗(yàn)證、綜合以及設(shè)計(jì)性幾個(gè)層次，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目變化不大。通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，我國(guó)高等學(xué)校的實(shí)驗(yàn)物理教育起步較晚，國(guó)內(nèi)分級(jí)教學(xué)還需進(jìn)一步完善，尤其在綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段以及考核方法上存在較大差距。隨著時(shí)代的發(fā)展，國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件和環(huán)境都有很大改善。雖然具備了硬件條件，但是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和項(xiàng)目沒有及時(shí)更新，經(jīng)典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比較多，真正的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比重很少，而國(guó)外的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大部分是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，且與實(shí)踐緊密結(jié)合。針對(duì)目前存在的這些問題，我們對(duì)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的教學(xué)改革，形成了預(yù)備實(shí)驗(yàn)、基本實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的四級(jí)教學(xué)課程新體系。

1 增加基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)背景講授

在分級(jí)教學(xué)過程中，由于受多年傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，需要優(yōu)化分級(jí)教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方式，進(jìn)一步細(xì)化各級(jí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排。低年級(jí)學(xué)生開設(shè)預(yù)備實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，大家普遍認(rèn)為比較單一，對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求也比較簡(jiǎn)單，主要是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。實(shí)際上基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中有的實(shí)驗(yàn)對(duì)物理概念的深化、發(fā)現(xiàn)、總結(jié)規(guī)律和對(duì)規(guī)律本質(zhì)的解釋做出了歷史性貢獻(xiàn)，但在教學(xué)中沒有過多講解。學(xué)生認(rèn)識(shí)不到當(dāng)時(shí)為什么要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家是如何思考的，科學(xué)的概念和規(guī)律是怎么產(chǎn)生的；有一些實(shí)驗(yàn)成果為后來(lái)的科技發(fā)展開辟了新的研究范圍，派生出很多研究方向，教學(xué)中也沒有通過這些實(shí)例介紹學(xué)科的相關(guān)性；有的實(shí)驗(yàn)成果則產(chǎn)生了一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域或者一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)，但在我們教學(xué)中沒有介紹當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)背景和經(jīng)濟(jì)背景，學(xué)生不了解當(dāng)時(shí)的科學(xué)家和工程師是怎樣聯(lián)想到它的應(yīng)用方向。只有將這一系列的問題搞清楚，才能真正掌握這些科學(xué)知識(shí)的精髓，進(jìn)而展寬學(xué)生的思路，啟發(fā)學(xué)生提出新問題，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，因此教學(xué)中要加強(qiáng)這方面的講授和引導(dǎo)?？梢岳梅抡孳浖奶摂M實(shí)驗(yàn)環(huán)境于教學(xué)中，通過實(shí)驗(yàn)的方法引入新的概念和規(guī)律，把理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融為一體，按照科學(xué)探索和研究的過程進(jìn)行教學(xué)。

2 加強(qiáng)綜合實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)和討論環(huán)節(jié)

針對(duì)高年級(jí)學(xué)生開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，一般比較復(fù)雜，帶有研究性質(zhì)，完成這些實(shí)驗(yàn)必須經(jīng)過討論，完成實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間也很長(zhǎng)。一般一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)課時(shí)僅4學(xué)時(shí)，在很短的時(shí)間內(nèi)要學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)原理、儀器原理、熟悉儀器的操作使用并完成實(shí)驗(yàn)是不太可能的。因此指導(dǎo)教師只好在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、儀器操作方法等盡量交代清楚，結(jié)果導(dǎo)致學(xué)生自己思考得太少。很多學(xué)生是盲目操作走過場(chǎng)，這種教學(xué)實(shí)際上是一種填鴨式模仿型教學(xué)，達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，提高綜合素質(zhì)的教學(xué)目的。解決的辦法是增加課堂授課，要求教師在課堂講授時(shí)注重引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案或步驟，實(shí)現(xiàn)教學(xué)中師生互動(dòng)，啟發(fā)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中尋找科學(xué)問題并領(lǐng)悟關(guān)鍵內(nèi)容與尋找答案的方法。采用課堂授課、實(shí)驗(yàn)和討論相結(jié)合的方式，具體為采用1學(xué)時(shí)課堂教學(xué)、4學(xué)時(shí)綜合實(shí)驗(yàn)以及1學(xué)時(shí)口頭報(bào)告及討論的方式。其中課堂教學(xué)的內(nèi)容和形式以及相關(guān)教學(xué)課件的編寫，綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，研究性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自主開發(fā)，都是研究的重要內(nèi)容。

教師需要積極備課，采用啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣。聯(lián)系實(shí)際最能激發(fā)學(xué)生的興趣。在楊氏模量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，不僅講清楚實(shí)驗(yàn)原理，而且要告訴學(xué)生應(yīng)變應(yīng)用。美國(guó)的阿波羅登月飛船就曾貼有許多的應(yīng)變片用以實(shí)現(xiàn)多種性能的測(cè)試。在材料科學(xué)領(lǐng)域一種先進(jìn)的智能材料很大一部分是通過應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)。工程上應(yīng)用的電子拉伸、壓縮傳感器、扭矩傳感器等，都是借助應(yīng)變片的工作原理制作的。通過這些例子，使學(xué)生對(duì)應(yīng)變片產(chǎn)生濃厚的興趣，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。在討論課中引導(dǎo)學(xué)生不在“觀察-測(cè)量-整理數(shù)據(jù)”中徘徊，而是把實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)放在“總結(jié)規(guī)律-突出新問題-設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)”。除了楊氏模量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)中微小形變量測(cè)量方法，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)其他的測(cè)量微小形變量的方法，例如結(jié)合邁克爾遜干涉儀測(cè)波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用干涉的方法測(cè)微小形變量，并且對(duì)比各種測(cè)量方法的精度。進(jìn)一步還可以讓學(xué)生加入單片機(jī)控制部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。通過一系列問題設(shè)計(jì)，在學(xué)生逐步解決問題的過程中調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和想象力。

3 引入前沿科學(xué) 增大高級(jí)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生受益面

分級(jí)教學(xué)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生受到系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、方法和技巧，而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是要培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決實(shí)際問題的能力，特別是與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力，因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該面對(duì)時(shí)代的發(fā)展，科技進(jìn)步的新趨勢(shì)、新挑戰(zhàn)，不斷創(chuàng)新。只有這樣，才能適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才知識(shí)和科學(xué)素質(zhì)越來(lái)越高的要求。在做好綜合實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開設(shè)8學(xué)時(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，引入一些參與過的科研和橫向課題項(xiàng)目，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行選題和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，給學(xué)生提供獨(dú)立思考和解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)，同時(shí)也是綜合運(yùn)用基礎(chǔ)測(cè)試技能的鍛煉機(jī)會(huì)。例如，將超聲、傳感、激光、CCD、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集等高新技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，反映現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。這樣可以全面考察和提升學(xué)生綜合運(yùn)用能力，包括多學(xué)科的知識(shí)學(xué)習(xí)和應(yīng)用，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維方式和創(chuàng)新精神。

目前預(yù)備實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)面向全校理工科學(xué)生，而綜合實(shí)驗(yàn)主要對(duì)部分專業(yè)學(xué)生，例如物理專業(yè)、地質(zhì)基地班、資源勘探工程基地班、地質(zhì)工程實(shí)驗(yàn)班等，每年約300人。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)面向?qū)ξ锢砀信d趣，實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)生，每年約100人。我們把一些簡(jiǎn)單、重復(fù)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，豐富綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加近代物理實(shí)驗(yàn)室，逐漸擴(kuò)大高級(jí)實(shí)驗(yàn)的受益面。

充分利用有限資源，加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)。由于人力財(cái)力不足，目前只有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對(duì)全校理工科學(xué)生開課，綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)只能對(duì)部分學(xué)生開課，為了充分利用有限資源，增大高級(jí)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生受益面，我們可以通過加強(qiáng)課前預(yù)習(xí)的方法解決。低年級(jí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課使用自編的實(shí)驗(yàn)講義，有比較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)儀器及計(jì)算機(jī)軟件使用說(shuō)明；對(duì)于高年級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)室中備有齊全的參考文獻(xiàn)和資料，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)可以隨時(shí)查找自己需要的資料，并且所有學(xué)生都可以很方便地在實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁(yè)上查到自己所需的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)材料。但是根據(jù)筆者帶綜合實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)觀察，很多學(xué)生來(lái)到實(shí)驗(yàn)室都未做理論上的準(zhǔn)備，并未做實(shí)驗(yàn)方案，導(dǎo)致教師和學(xué)生之間的互動(dòng)與啟發(fā)效果較差，在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)生的創(chuàng)新思維和自主能動(dòng)性無(wú)從發(fā)揮。所以我們要加強(qiáng)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，課前指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行口頭測(cè)試，如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生預(yù)習(xí)不夠充分，可要求學(xué)生重新進(jìn)行預(yù)習(xí)，另約時(shí)間做實(shí)驗(yàn)。如果出現(xiàn)2次預(yù)習(xí)不認(rèn)真，就取消該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成績(jī)。在口試時(shí)，可以和學(xué)生一起對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入討論，也可以檢查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)背景的掌握情況。

4 編寫實(shí)驗(yàn)教材和多媒體講義

增加綜合實(shí)驗(yàn)和研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并且編寫新增實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教材。綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)取材于科研和實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力和探索精神。基于此，我們需要把實(shí)驗(yàn)原理講清楚，實(shí)驗(yàn)儀器介紹詳細(xì)，而每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟都不需要明確列出，由學(xué)生自己考慮安排，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以由學(xué)生自己擴(kuò)展，每個(gè)實(shí)驗(yàn)基本上由學(xué)生自主完成。學(xué)生以2～3人一組，可以選擇不同的設(shè)備進(jìn)行理論分析、探討、擬定實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過查閱資料，數(shù)據(jù)分析與處理，要求以小論文形式完成綜合實(shí)驗(yàn)。

在啟發(fā)式教學(xué)過程中，注意使用多媒體教學(xué)手段加強(qiáng)授課效果。編寫的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課件要生動(dòng)具體，重點(diǎn)聯(lián)系實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生提出問題，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。利用多媒體教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)資源，能有效解決實(shí)驗(yàn)演示時(shí)人多擁擠，大部分學(xué)生看不到教師講解與示范的問題。

5 改革實(shí)驗(yàn)課成績(jī)?cè)u(píng)定方式

實(shí)驗(yàn)成績(jī)是對(duì)學(xué)生整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的綜合評(píng)價(jià)，包括學(xué)生實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)過程中操作技能、實(shí)驗(yàn)完成后數(shù)據(jù)處理。目前對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定，大多以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的成績(jī)?yōu)橐罁?jù)，忽視了實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)，無(wú)法全面真實(shí)地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平。因此應(yīng)實(shí)行“實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)+實(shí)驗(yàn)操作+實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的考核模式，既體現(xiàn)公平，又著眼能力培養(yǎng)。

課前通過口頭測(cè)驗(yàn)監(jiān)督學(xué)生做好預(yù)習(xí)，課堂通過設(shè)置各種問題，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，拓寬學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，給學(xué)生提供解決實(shí)際問題的機(jī)會(huì)。實(shí)驗(yàn)操作反映學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)手和操作能力，能否對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題和現(xiàn)象作正確判斷和分析，是實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是指對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理情況。對(duì)于高年級(jí)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)需要查閱較多的參考材料，要求獨(dú)立完成，并且按照學(xué)術(shù)論文的形式寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。訓(xùn)練學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)資源查找論文和參考書，拓寬視野，從中提煉科學(xué)問題，提出解決問題的方法，最終達(dá)到創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分，嚴(yán)格把關(guān)每一個(gè)環(huán)節(jié)，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告三方面內(nèi)容客觀評(píng)價(jià)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)目標(biāo)。對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，不僅要有書面報(bào)告，還要在實(shí)驗(yàn)動(dòng)手前做口頭報(bào)告，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，保證教學(xué)質(zhì)量。

教學(xué)改革對(duì)教師也提出了很高的要求，教師只有傾注更大的精力才能提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。改革充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)師生的互動(dòng)性，提高了教學(xué)效率，提升了實(shí)驗(yàn)課效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的研究，利用課堂授課和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的方式，積極展開啟發(fā)式、引導(dǎo)式教學(xué)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性，有利于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。充分考慮教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)代科技的關(guān)系，引入科學(xué)前沿，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。增加綜合實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)放在“總結(jié)規(guī)律-突出新問題-設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。同時(shí)引入多媒體教學(xué)手段，有效提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。該方案較好地優(yōu)化了物理實(shí)驗(yàn)分級(jí)教學(xué)，能最大限度提高教師和學(xué)生的積極性，充分利用現(xiàn)有的教學(xué)資源，提高教學(xué)質(zhì)量。方案可以推廣到各大工科院校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)其他學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)也可起到示范、借鑒作用。

[1] 呂恒林,王永良,鄭麗.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分層教學(xué)的研究與探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2012,15(6):173-175.

[2] 鄒文強(qiáng),羅飛,黃瑞強(qiáng).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中分類教學(xué)的探索與研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2006,19(3):95-97.

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Research of Hierarchical Teaching on College Physics Experiment

Du Qiujiao, Cheng Yongjin, Miao Xiuhua, Wang Xicheng
China University of Geosciences, Wuhan, 430074, China

According to the situation of university physics experiment teaching, improvement measures are put forward on the hierarchical experimental teaching mode. Practice shows that reform effectively improves the quality of physics experiment teaching and is the hierarchical experimental teaching mode for further exploration.

college physics experiment; hierarchical teaching method; improvement measures

2014-10-29

杜秋姣，博士，副教授。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目“理工科物理實(shí)驗(yàn)分級(jí)教學(xué)的優(yōu)化與實(shí)踐”；實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目“高精度楊氏模量高精度自動(dòng)測(cè)量?jī)x器的研制”。