李天發(fā)　趙立竹　王珊珊　劉 晶

(上海師范大學　上?！?00234)

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大學物理實驗教學的發(fā)展演變

李天發(fā)趙立竹王珊珊劉 晶

(上海師范大學上海200234)

從大學物理實驗的起源、實驗分類、地位和作用系統(tǒng)闡述了大學物理實驗的發(fā)展歷程，繼而呈現(xiàn)大學物理實驗的教學現(xiàn)狀，最后突出展示幾種新穎獨特的教學策略供讀者借鑒．

大學物理實驗地位與作用教學現(xiàn)狀教學策略

實驗是進行科學研究的重要手段和方法．毫無疑問，物理實驗是物理學科發(fā)展的重要基石，是物理學習者了解物理最直接的方式，也是開展素質教育，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的重要途徑．

1　大學物理實驗的起源

在人類社會發(fā)展的進程中，實踐一直指導和引領著人類社會的生產活動．在近代社會中，實驗一詞被廣泛的應用，并在科學研究領域被推之為獲取新知識的重要法寶．實驗是一類實踐活動，但又不同于一般的實踐活動．在近代科學研究中，實驗被明確地定義為在特定條件下開展的有特定目的且能夠重復的實踐活動．物理學在17世紀開始進入一些歐洲國家的大學課堂，此時并沒有與之對應的物理實驗室．物理實驗僅限于科學研究之中，并沒有應用到課堂學習中．直到19世紀30年代，在歐洲的一些大學里終于出現(xiàn)了針對學生的物理實驗訓練[1]．由于學習的人數(shù)較少，一名教師帶領3～4位學生，所以此時的教學模式多為師徒式，教學效果非常好．隨著第一、二次工業(yè)革命的推進，市場對新型人才的需要增加．為了適應這種需要，大規(guī)模的人才培養(yǎng)開始興起．美國一方面創(chuàng)辦新型大學，如麻省理工學院(1861)，康奈爾大學(1865)等[2]，另一方面也認識到物理實驗方法的重要價值．麻省理工學院首任院長、物理學教授羅杰斯(1804～1882年)就強烈倡導對本科生大班級開設正規(guī)的實驗課程的思想[1]．由于學習者較多，這一時期的教學模式為班組集體式的教學模式．在第二次世界大戰(zhàn)后，世界政治格局發(fā)生變化，各國在科技領域的競爭變得更加激烈，對人才培養(yǎng)提出了更高的要求．在物理實驗教學方面，以美國為例，先后推出了諸如PSSC方案(美國物理學會為美國高校制定的方案)、伯克利方案、麻省理工學院方案等多種改革計劃．這些改革方案都更加關注學生的主觀能動性，給學生選擇和設計實驗的空間，強調學生的獨立操作能力．這種教學模式被稱之為“開放式”教學模式．

1913年，北京大學設立物理學，標志著我國物理學本科教育的正式開始．在二戰(zhàn)以前，學校學習人數(shù)較少，我國物理實驗教育也采用班組式和師徒式相結合的方式．這種教學模式創(chuàng)造了物理學高等教育的輝煌．這一時期培養(yǎng)出了著名科學家，如鄧稼先、楊振寧、李政道、黃昆等．在新中國成立后，我國高等教育學習蘇聯(lián)模式，物理實驗一般都是理論課程的附屬，沒有獨立設課．在上世紀80年代末和90年代初，我國高等教育開始著手物理實驗的改革，逐步將開放式教學模式引入實驗教學．而這種模式受到多方面的限制并沒有在我國全面實施．

2　大學物理實驗的分類

在20世紀50～70年代，我國大學物理實驗參照的是蘇聯(lián)模式．按照物理學科內容，將物理實驗分為力學實驗、熱學實驗、電磁學實驗、光學實驗．從思想認識上來看，這種實驗分類并沒有將實驗作為一門獨立的課程，只是將物理實驗作為物理理論課的附屬品，實驗課輔助理論課的教學．

在20世紀70到90年代，人們又將實驗分為驗證性實驗和測量性實驗．這種實驗分類打破按照物理學科內容進行分類的模式，從物理實驗性質上分類，使學生能夠更清楚地了解實驗的目的和更具有針對性．這種實驗分類也存在一些不足，它沒有考慮到學生的特點，如認識和理解能力、主動性和創(chuàng)造性等．

進入20世紀90年代后，人們對物理實驗的分類更加人性化，考慮了學生的接受程度以及學科內知識的融合．物理實驗分類遵循著由簡到易的原則，基本上可分為3類實驗，分別是基礎性實驗、綜合性實驗和提高性實驗(包括近代物理實驗、設計性實驗等)．以北京師范大學物理教學實驗中心組編、曹惠賢主編的《普通物理實驗》和陳玉林、周傳起主編的《大學物理實驗》為例，這兩本書將實驗分為3個教學層次編寫，分為預備實驗、基礎實驗和提高實驗．由趙維義主編清華大學出版社出版的《大學物理實驗教程》中將實驗分為基本技能訓練實驗、綜合技能訓練實驗和提高、近代與設計性實驗3類．由丁紅旗等人主編的浙江大學出版社出版的《大學物理實驗》中將實驗分為基礎實驗、綜合實驗和設計性實驗3部分．類似于這樣按層次分類的物理實驗教材有很多，這里不一一列舉．下面用表格的方式列舉一些實驗分類的例子(參考多本物理教材，具有相同分類的實驗題目)，如表1．

表1　實驗分類

3　大學物理實驗在大學物理教學中的地位與作用

地位與作用是相互關聯(lián)，相互一致的．大學物理實驗在大學物理教學中具有重要的地位，它才能發(fā)揮重要的作用．如果大學物理實驗在大學物理教學中沒有很好地發(fā)揮應有的作用，自然而然，大學物理實驗就很難在大學物理教學中占據重要的地位．若長此下去，必定會形成惡性循環(huán)，所以有必要提高大學物理實驗在大學物理教學中的地位和發(fā)揮相應的教育作用．物理實驗長期以來一直作為物理理論課的附屬品，雖然近些年來人們對物理實驗的認識有所提高，但在實際的教學過程中，物理實驗的從屬地位一直沒有改變．我們必須高度重視物理實驗，把物理實驗放在重要的地位，物理實驗在教學中的作用具有不可替代性，且不容小覷．

英國劍橋大學的卡文迪什實驗室的發(fā)展歷程恰好說明了物理實驗在大學物理實驗中應有的地位和發(fā)揮的巨大作用．卡文迪什實驗室建立于1871年，旨在創(chuàng)新研究和培養(yǎng)創(chuàng)新人才．卡文迪什實驗室在麥克斯韋、瑞利勛爵、J·J·湯姆森、盧瑟福、W·L·布拉格、莫特和皮帕德等一代一代實驗室主任的領導下，取得了輝煌的成績[3]．據360百科資料顯示，從1904年到1989年的85年間，卡文迪什實驗室共產生了29位諾貝爾獎得主，占劍橋大學諾貝爾獎得主總數(shù)的三分之一．在鼎盛時期甚至獲譽“全世界二分之一的物理學發(fā)現(xiàn)都來自卡文迪什實驗室”．卡文迪什實驗室獲得的成功值得我們去思考．大學物理實驗的主要作用包括培養(yǎng)學生動手操作能力和創(chuàng)新意識，分析和解決問題的能力，實事求是的科學態(tài)度和勇于鉆研，勇于創(chuàng)新的科學精神等．大學物理實驗的輔助作用也有很多，包括激發(fā)學生對大學物理實驗的學習興趣和學生學習的積極性，提高學生邏輯思維能力，加深對物理知識的理解等．

4　大學物理實驗的教學現(xiàn)狀

大學物理實驗在教學過程中存在幾方面的問題．

第一，在實驗器材方面．完備的實驗器材是開展物理實驗的重要保證．教學實驗器材陳舊也是阻礙物理實驗教學的重要因素．隨著國家和高等院校對實驗的重視，對購買實驗儀器設備的投入加大能夠緩解實驗器材陳舊的問題．實驗器材在使用過程中會產生不同程度的損耗，越是精密的實驗儀器，越是容易被學生有意或無意的損壞．若是對學生嚴格管教，會限制學生的主動性和不利于學生創(chuàng)造性的發(fā)揮．

第二，在師資方面．高水平、高能力、經驗豐富的實驗教師相對缺乏．大部分學校的物理實驗課由對應的物理理論課教師擔任實驗課教師．理論課的教師不一定在實驗課上也表現(xiàn)的如理論課上一樣完美．再者，多個科目的教師擔任實驗課教師，不利于多層次、全面的培養(yǎng)學生實驗能力．專業(yè)的實驗教師不僅有熟練的實驗操作能力，還有豐富的實驗經驗，對學生的實驗學習有良好的指導作用．專業(yè)實驗教師的專業(yè)知識、專業(yè)能力、專業(yè)情操等都有益于學生實驗學習．

第三，實驗選題方面．實驗題目新穎獨特是吸引學生學習實驗的重要因素．大部分院校實驗題目陳舊，沒有與時俱進，不能很好地體現(xiàn)現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，不能引起學生的學習興趣．此外，實驗內容的選擇以及操作難易程度要根據學生的能力來選擇，同一實驗可以針對不同能力程度的學生多樣化教學．對于實驗操作能力低的同學要降低要求，逐步提升實驗操作能力．

第四，學生學習態(tài)度方面．學生對實驗的認識會有很大的不同，在中學接受過實驗教育的學生相比沒有或很少接觸過實驗的學生會有正確的實驗認識．大部分學生在大學之前并沒有接觸過實驗，進入大學之后對于實驗也沒有正確的認識．他們認為實驗課程并不重要，只要學習好理論課就可以了．在實驗課上的表現(xiàn)主要有，實驗課前沒有預習實驗內容，不寫實驗預習報告，實驗課上不認真做實驗，實驗報告潦草應付完事等．學生的不正確認識很大程度上影響到實驗課的學習效果．

第五，教學方法方面．目前的大學物理教學一般采用預習、實驗、寫報告3個步驟來開展實驗[4]．學生在預習時，只能通過看書了解實驗儀器，無法實際結合實驗儀器學習，所以預習效果不好．在實驗操作過程中，學生機械的按照實驗教科書上的步驟或者模仿老師的操作方法來操作實驗．這種教學方法強化了實驗步驟和實驗規(guī)范，實驗操作走向程序化，忽略了實驗的主要作用，限制了學生的主動性和創(chuàng)造性．

5　大學物理實驗的教學策略

大學物理實驗教學面臨的諸多問題亟待我們一一解決．在大學物理實驗教學方面的研究有很多，很多研究者提出了可行性高，教學效果好的教學策略，值得我們學習和借鑒．

(1)重視實驗課前預習

實驗課前預習是開展物理實驗的重要環(huán)節(jié)．教師要提前發(fā)放預習要點，預習問題，供學生做好預習工作．在預習的過程中必須將實驗儀器、原理、內容、注意事項等基本掌握，完成預習報告．教師要加強指導和引導，向學生提供可供參考的書目，便于學生自主學習．作為學校方面，應開放實驗室供學生提前熟悉實驗儀器或者自主開展實驗．預習習慣的培養(yǎng)是一個長期的過程，教師要做好監(jiān)督職責，督促學生完成預習．

(2)演示實驗和課堂實驗的對比

在實驗課前，增加演示實驗的內容，學生通過觀察或親自參與有趣的演示實驗，會對接下來要做的實驗產生強烈的興趣．例如在全息照相實驗前演示白光再現(xiàn)全息照相，而各高校在實驗中做的基本都是激光再現(xiàn)全息照相[5]．學生在做完激光全息照相之后，會發(fā)現(xiàn)自己的照片無法在白光下之直接觀測，而需要在激光下觀測．學生在進行轉動慣量測量的實驗前，讓學生參與演示茹科夫斯基凳，在轉動過程中感受雙臂平伸和雙臂收縮兩種情況，他們能夠感受到凳子前后轉速會發(fā)生變化．這種直觀的演示實驗更能吸引學生的好奇心，激發(fā)學生的求知欲．

(3)基于Origin的大學物理實驗數(shù)據處理

大多數(shù)高校在實驗數(shù)據處理方面依然按照傳統(tǒng)的方式進行，大學物理實驗數(shù)據較多，處理起來費時費力．這些方法耗時耗力，與時代脫節(jié)，且學生不愿意做大量的計算．如果我們將Origin軟件作為學生的學習工具，學生會很樂意接觸，且一方面減輕學生實驗數(shù)據處理帶來的壓力，另一方面學生學習一項新的技能，對日后的工作和學習有很大的幫助．Origin軟件中包含數(shù)據處理需要的基本功能，如求多次測量的平均值、方差、標準偏差，另一方面還可以繪制圖線．通過實驗課的教學，目的是讓學生掌握最基本的實驗能力和最基本的數(shù)據處理方法．Origin軟件的功能非常強大，對于本科一二年級的初學者，只需要他們掌握這個軟件中的一小部分就可以完成實驗數(shù)據處理[6]．

通過學生的親身體會，讓學生感受到數(shù)據處理軟件的強大，有助學生自行深入學習和探索，熟練應用Origin軟件．

(4)教學評估

教學評估包括兩個方面，一方面對學生的學習效果進行評價，另一方面對教師的教學水平進行評價．

1)對學生學習效果的評定．大部分學校都是采用平時成績和期末成績，在具體操作上有所不同．平時成績可以包括實驗預習成績、實驗數(shù)據處理成績、實驗改進和思考題成績等．

2)考評教師的教學能力．對于教師的教學評估，大部分學校用的是學生在網上對任課教師進行教學評價．這種對教師的評價方式存在很多的不合理之處，一方面學生不樂意評價，評價態(tài)度不端正；另一方面教師為了得到好的結果，對學生放任不管，以求得學生的“好老師”心理．這對于學生的學習不利，對教師的發(fā)展也不利．在對教師的評價體系還需要完善．

(5)信息技術與大學物理實驗教學整合

信息技術與大學物理實驗教學整合，一要發(fā)揮傳統(tǒng)實驗與信息技術各自的優(yōu)勢，優(yōu)化大學物理實驗教學過程，促進學生學習并應用信息技術解決實際問題；二要突出學生主體地位，有效培養(yǎng)學生的學習能力和綜合素質[7]．現(xiàn)在多媒體硬件在學校中被廣泛運用，教師要致力于多媒體課件的開發(fā)和使用，幫助學生更好地理解和操作實驗．

針對大學物理實驗教學策略的研究非常之多，本文僅列舉以上策略供學習者參考．

6　結語

大學物理實驗是理工科專業(yè)必修的一門基礎課程，其重要性和作用不言而喻．大學物理實驗是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新精神的重要途徑，提升和完善大學物理實驗教學是一項重要的任務．我國大學物理實驗的教學效果并不樂觀，各高校在不同程度上努力提升大學物理實驗的教學效果，這段路程還比較漫長，還有許多值得研究的地方．

1史貴全.大學物理實驗教學的變革歷史及其啟示.大學物理，2001,22(2):27～30

2Arthur M.Gohen.美國高等教育通史.李子江譯,北京:北京大學出版社,2010.96～106

3馮端.實驗室是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的搖籃——從卡文迪什實驗室看實驗室的作用.實驗室研究與探索，2008,27(10)

4沈璐.理工科高校大學物理實驗運行現(xiàn)狀及改革對策.科技視界，2015(32)

5王剛,徐義爽.大學物理實驗對比教學研究與實踐.科技創(chuàng)新導報，2015(20)

6王劍鋒,李昂,王丹.基于Origin的大學物理實驗數(shù)據處理.新課程

7張麗芹.大學物理實驗教學策略研究.教育改革，2012(9)

2016-03-13)