張淑芳

[摘 要]大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)屬于實(shí)踐性教學(xué)，我們的改革目標(biāo)是，培養(yǎng)學(xué)生活躍的創(chuàng)新思維，理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐能力，適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力。圍繞著這個(gè)目標(biāo)，構(gòu)建大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、教學(xué)模式進(jìn)行改革創(chuàng)新探索。

[關(guān)鍵詞]概率論 數(shù)理統(tǒng)計(jì) 教學(xué)改革 案例教學(xué)

[中圖分類號(hào)] G640 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2015）05-0107-02

物理學(xué)本質(zhì)上是一門(mén)實(shí)驗(yàn)科學(xué)。物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的先驅(qū)，體現(xiàn)了大多數(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的共性，在實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)手段等方面是各學(xué)科科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。[1]因此，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是理工科大學(xué)生的必修基礎(chǔ)課。

一、以應(yīng)用為導(dǎo)向，以學(xué)生為主體，分層次遞進(jìn)式教學(xué)

要達(dá)到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改革目標(biāo)的要求，需通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)逐步實(shí)現(xiàn)。為此，我們構(gòu)建了“基礎(chǔ)——綜合——設(shè)計(jì)（研究）”逐級(jí)提高的多層次教學(xué)體系，并在教學(xué)中強(qiáng)化學(xué)生的主體地位，突出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容的應(yīng)用性。要想提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的主動(dòng)性，預(yù)習(xí)很重要。對(duì)于基礎(chǔ)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，教師應(yīng)根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，提前把預(yù)習(xí)提綱發(fā)給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)，以使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康模斫鈱?shí)驗(yàn)原理，倡導(dǎo)學(xué)生提前去實(shí)驗(yàn)室了解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的性能、使用方法，要求學(xué)生初步設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案，寫(xiě)出預(yù)習(xí)報(bào)告。在教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)簡(jiǎn)明扼要地講解實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)方法的選擇及對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求，把更多的時(shí)間留給學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題時(shí)，教師應(yīng)啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生自己找到解決的方法，完成實(shí)驗(yàn)。這樣，學(xué)生才能體會(huì)到運(yùn)用知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的樂(lè)趣，產(chǎn)生成就感，從而激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)了實(shí)踐應(yīng)用能力。

設(shè)計(jì)性或研究性實(shí)驗(yàn)的目的是使學(xué)生了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程，逐步掌握科學(xué)思想和科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的能力和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決綜合問(wèn)題的能力。[2]目前，許多新的專升本院校，由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心建成時(shí)間較短，受經(jīng)費(fèi)與場(chǎng)地所限，一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是由原來(lái)的基礎(chǔ)性或綜合性實(shí)驗(yàn)延伸過(guò)來(lái)的，缺乏創(chuàng)新性，有些實(shí)驗(yàn)?zāi)軓木W(wǎng)上找到現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案，達(dá)不到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的目的。因此，在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，更要突出學(xué)生的主體地位，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。教師要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，遵循由易到難的原則，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課題，然后再讓學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況，自主選擇實(shí)驗(yàn)課題。選定課題、明確任務(wù)要求后，學(xué)生自己查找資料，制訂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，其中包括：物理模型的建立、實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)量方法的選擇、測(cè)量?jī)x器和測(cè)量條件的選擇、數(shù)據(jù)處理方法的選擇以及綜合分析比較和不確定度的估計(jì)等。[3]在學(xué)生制訂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中，指導(dǎo)教師與學(xué)生共同分析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案各個(gè)步驟的可行性，并不斷地調(diào)整和完善，最終形成達(dá)到實(shí)際要求的最佳方案。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還會(huì)遇到各種問(wèn)題，通過(guò)這些問(wèn)題的解決，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)在其內(nèi)容上，多屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在層次上屬于基本動(dòng)手能力訓(xùn)練階段。要引導(dǎo)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐，提高創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，必須經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的錘煉和鍛造。[4]

二、以應(yīng)用為導(dǎo)向，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，增大設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比重

優(yōu)化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，就是更新與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的內(nèi)容，豐富、充實(shí)應(yīng)用性強(qiáng)的內(nèi)容，并融入現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。比如“薄透鏡的焦距測(cè)量實(shí)驗(yàn)”，除測(cè)量實(shí)驗(yàn)室提供的透鏡焦距外，可在適當(dāng)補(bǔ)充鏡片度數(shù)的條件下，嘗試測(cè)量老花鏡的度數(shù)。又如，光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的分光計(jì)系列實(shí)驗(yàn)，分光計(jì)的調(diào)節(jié)過(guò)程，教師很難用語(yǔ)言說(shuō)清楚，學(xué)生調(diào)節(jié)更是困難重重，若在望遠(yuǎn)鏡目鏡上安裝一個(gè)視頻攝像工具，就可讓學(xué)生直觀地看到調(diào)節(jié)過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)效率。再如“牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)”“邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)”，都可引入CCD成像系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)提高，等等。上述列舉的實(shí)驗(yàn)，雖然都是基本實(shí)驗(yàn)，但由于加入了生活元素，融入了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，所以能夠較好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)原理的理解，提高學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的能力。

綜合性實(shí)驗(yàn)是指同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中涉及力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等多個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，綜合運(yùn)用多種方法和技術(shù)的實(shí)驗(yàn)。[5]優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，一定要體現(xiàn)多個(gè)知識(shí)領(lǐng)域的交叉，多種方法技術(shù)的綜合運(yùn)用。例如，楊氏模量的測(cè)量，綜合運(yùn)用了光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)知識(shí)，可讓學(xué)生用多種方法進(jìn)行測(cè)量，如靜態(tài)拉伸法、動(dòng)態(tài)懸掛法、梁彎曲法等，其中相對(duì)伸長(zhǎng)量可用霍爾傳感器來(lái)測(cè)量。再如，“用密立根油滴儀測(cè)電子電荷實(shí)驗(yàn)”的目的是讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)方法，領(lǐng)略大師設(shè)計(jì)思想，同時(shí)也讓其了解一些獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理方法。受課時(shí)、實(shí)驗(yàn)儀器精度所限，許多實(shí)驗(yàn)室采用的是逆向驗(yàn)證的方法，這種方法借用了現(xiàn)成的測(cè)量結(jié)果，學(xué)生常感到疑惑。用“圖解法”[5]處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可在不知電子電荷e的情況下，通過(guò)射線斜率求出e值，克服了“最大公約數(shù)方法”中尋求最大公約數(shù)的困難，彌補(bǔ)了逆向驗(yàn)證的缺憾。同時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生使用Origin等軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算，擬合數(shù)據(jù)、畫(huà)射線、求出e值。這樣，不僅加深了學(xué)生對(duì)大師處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方法的理解，同時(shí)也提高了學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)通用軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是指根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)題目、要求和實(shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)方案并基本獨(dú)立完成全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。[6]目前提倡增大設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比重，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主研究問(wèn)題、解決問(wèn)題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的目的。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)具有綜合性、典型性、探索性、研究性和設(shè)計(jì)性，并遵循“難易適中，因材施教，結(jié)合專業(yè)”的原則。徐州工程學(xué)院大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，目前主要開(kāi)設(shè)了“電表的改裝與校準(zhǔn)”“集成運(yùn)算放大器及其應(yīng)用”“小型制冷裝置制冷量和制冷系數(shù)的研究”“平衡電橋與非平衡電橋的研究”“太陽(yáng)能電池特性研究”“霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用”“電子束測(cè)試”“偏振光實(shí)驗(yàn)”等設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。不同專業(yè)的學(xué)生，可根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)、興趣特長(zhǎng)自主選擇實(shí)驗(yàn)題目，自行設(shè)計(jì)并基本獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的錘煉，學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力都得到了提高。

三、引入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由智能傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。它具有“實(shí)時(shí)連續(xù)采集”“提高實(shí)驗(yàn)效率”“提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量”“拓寬思維，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣”[7]等特點(diǎn)，所以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中。目前，國(guó)內(nèi)一些儀器生產(chǎn)廠家，在實(shí)驗(yàn)儀器中，引入了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)控制、采集、記錄、分析，學(xué)生所做的就是敲敲鍵盤(pán)，點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)。這種一體化的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生既觀察不到物理現(xiàn)象的發(fā)生，也不能操作儀器，學(xué)生只能從計(jì)算機(jī)顯示器上觀察結(jié)果，這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大大地削弱了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)觀察能力的訓(xùn)練。[8]在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、現(xiàn)代傳感技術(shù)與實(shí)驗(yàn)儀器相結(jié)合，搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可使學(xué)生初步掌握數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用，又能增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)觀察能力。例如，傳統(tǒng)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)——分光計(jì)系列實(shí)驗(yàn)、牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)、邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)，常見(jiàn)的問(wèn)題：一是學(xué)生調(diào)節(jié)困難，二是觀察干涉條紋眼睛疲勞。以牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)為例，為測(cè)出凸透鏡的曲率半徑，需要數(shù)出一些干涉條紋的條數(shù)，由于干涉條紋密集，學(xué)生眼睛疲勞，容易數(shù)錯(cuò)，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差太大。將計(jì)算機(jī)技術(shù)和光電技術(shù)相結(jié)合，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)的牛頓環(huán)裝置，再配以CCD傳感器、微機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，自組搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，就可直觀地觀察動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)過(guò)程，方便快捷地獲取牛頓環(huán)干涉條紋，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件準(zhǔn)確地測(cè)出凸透鏡的曲率半徑，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

另外，還可將計(jì)算機(jī)——光電系統(tǒng)應(yīng)用在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)多，測(cè)量?jī)x器工作狀態(tài)變化快，測(cè)量的數(shù)據(jù)離散性大，難以準(zhǔn)確判斷光電流的截止電壓。在傳統(tǒng)的光電效應(yīng)測(cè)普朗克常數(shù)測(cè)定儀上配備數(shù)據(jù)采集裝置，利用它快速采集數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確地判斷光電流的截止電壓，并用計(jì)算機(jī)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，顯示相關(guān)量的關(guān)系圖，計(jì)算出普朗克常數(shù)。顯然，提高了實(shí)驗(yàn)效率、實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

實(shí)際上，需要采集多個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，都可引入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如“剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量”“PN結(jié)正向壓降溫度特性實(shí)驗(yàn)”“太陽(yáng)能電池伏安特性測(cè)量”“發(fā)光二極管伏安特性測(cè)量”等實(shí)驗(yàn)都可引入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式。

引入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，讓學(xué)生自己搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，應(yīng)用現(xiàn)代物理技術(shù)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的能力，應(yīng)用計(jì)算機(jī)通用軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

[ 注 釋 ]

[1][2][5][6] 教育部高等學(xué)校物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委會(huì).理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 張映輝.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2003.

[4] 張映輝.構(gòu)建突出實(shí)踐創(chuàng)新能力的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[J].大學(xué)物理，2013（12）.

[5] 于光輝.油滴實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法[J].大學(xué)物理，1995（10）.

[7] 劉艷，陳仁安.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探討，2012（2）.

[8] 秦艷芬，等.在物理實(shí)驗(yàn)中引入通用數(shù)據(jù)采集器搭建自組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究[J].物理與工程，2011（3）.

[責(zé)任編輯：覃侶冰]