高文莉，周　進，蘇為寧

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學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的實踐探究

高文莉，周進，蘇為寧

(南京大學(xué) 物理實驗教學(xué)中心，江蘇 南京 210093)

結(jié)合大學(xué)物理實驗教學(xué)工作經(jīng)驗和當(dāng)前大力開展創(chuàng)新型教育的新形勢,在實驗教學(xué)過程中探索了學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗教學(xué)模式,并以邁克耳孫干涉實驗為例，列舉了由基本實驗拓展出的6個實驗. 實踐表明:學(xué)生主導(dǎo)型實驗提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的綜合能力.

學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗；教學(xué)模式；綜合能力

近年來，隨著高等教育改革的深入以及社會的快速進步，培養(yǎng)具有較高綜合能力的創(chuàng)新人才成為當(dāng)前高等院校的重要任務(wù). 綜合能力是比較寬泛的概念，從學(xué)生培養(yǎng)的角度看，主要包含2部分:提出問題的能力和解決問題的能力.

現(xiàn)在的大學(xué)教育偏重于后者，即學(xué)生的知識儲備、分析問題、解決問題的能力，物理實驗也是如此，從形式看，物理實驗可以分為3類：

1)基礎(chǔ)和綜合實驗，一般告知實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗儀器，讓學(xué)生按要求完成. 這主要培養(yǎng)學(xué)生理解基本實驗方法、掌握儀器的使用和鍛煉動手能力.

2)設(shè)計性實驗，對學(xué)生提出實驗要求，并一定范圍內(nèi)給定實驗儀器，由學(xué)生思考如何完成實驗任務(wù). 這可培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力.

3)研究性實驗，教師給學(xué)生想法或方向，由學(xué)生自己準(zhǔn)備器材，摸索實驗方法. 這類實驗可以培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻資料、團隊協(xié)作等能力.

這3類物理實驗有共同的特點，就是實驗題目均來源于教師，學(xué)生自主完成空間雖然有所不同，但基本上仍屬于培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力的范疇. 如何讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，是當(dāng)今高校人才培養(yǎng)方面重要的課題之一，也是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要方面. 著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎得主李政道在2010年首屆“創(chuàng)新中國論壇”上指出“要創(chuàng)新，需學(xué)問；只學(xué)答，非學(xué)問. 要創(chuàng)新，需學(xué)問；問愈透，創(chuàng)更新.”近年來南京大學(xué)物理實驗教學(xué)中心在這方面進行了一些有效的探索[1].

1　物理實驗課程教學(xué)模式探索

通過幾年的摸索實踐，我們發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力不神秘，有系統(tǒng)性的方法，是可以訓(xùn)練的. 首先，發(fā)現(xiàn)新問題的關(guān)鍵在于培養(yǎng)學(xué)生的好奇心和敏銳的觀察力. 解決新問題的關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，使其能有目的地學(xué)習(xí)(查找、自學(xué)文獻)、運用知識，主動探索新規(guī)律和新知識. 具體來說，把大學(xué)二年級下學(xué)期開設(shè)的大學(xué)物理實驗三在教學(xué)模式上進行了改變，將課程結(jié)構(gòu)分為2個階段，讓學(xué)生實驗?zāi)M科學(xué)研究的過程，要求自主完成1個自己提出的實驗研究課題.

第一階段，6周時間，學(xué)生自主選擇并完成感興趣的實驗項目，激發(fā)興趣，喚醒好奇心，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題的能力.

南京大學(xué)物理實驗教學(xué)突出讓學(xué)生在實驗中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，進行科研素養(yǎng)的綜合能力的訓(xùn)練. 具體而言，課程開始時由教師對本課程近30個物理實驗給學(xué)生逐一簡要介紹，讓學(xué)生從中選擇并完成2～3個自己感興趣的基本實驗. 在此階段，給予學(xué)生較多的自由空間，讓學(xué)生根據(jù)實驗要求，進行主動探索，引導(dǎo)學(xué)生以科研的方式進行實驗. 開設(shè)基本實驗的目的不僅僅是要求學(xué)生獨立完成實驗，更重要的是學(xué)生要在實驗過程中注意觀察，尋找并發(fā)現(xiàn)自己覺得有進一步研究價值的現(xiàn)象. 同時，除了必要的注意事項外，指導(dǎo)教師盡量少講解，少示范，多和學(xué)生進行啟發(fā)性的討論，引導(dǎo)學(xué)生去觀察、分析、思考，激發(fā)學(xué)生的主動探索意識，喚醒學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題的能力.

第二階段，在第一階段基礎(chǔ)上，學(xué)生自己提出并完成課題，在期末參加公開答辯.

完成基本實驗后，要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上或自己在學(xué)習(xí)生活中發(fā)現(xiàn)問題，提出自己的實驗研究課題，并設(shè)計合理的實驗方案，自主完成該課題. 除此以外，課題也可以是學(xué)生理論課程中或平時看文獻資料時想到的問題，可以是演示物理實驗中的現(xiàn)象研究，可以是與物理相關(guān)的來自生活中的有興趣的問題的研究. 對課題，首先明確學(xué)生的創(chuàng)新課題及實驗完成與實際意義上的創(chuàng)新要求是不同的，具體說來只要是自己現(xiàn)有的認知水平突破即可. 一個好的課題可以是有新的思想、方法，可以是物理知識的合理靈活運用，可以是有較多的設(shè)備和自制器材使用，也可以是若干實驗失敗的總結(jié)和結(jié)論.

從實踐情況看，學(xué)生主導(dǎo)型實驗教學(xué)模式對學(xué)生是挑戰(zhàn)，由于知識和實驗條件、器材等局限，選擇1個可行并能完成的課題，學(xué)生需要花費較多的時間，有時幾乎在很長一段時間內(nèi)反復(fù)摸索才能確定1個課題，最后需要利用雙休日加班加點連續(xù)實驗，完成課題和課題論文，其結(jié)果可能還是初步的，好的課題還需要繼續(xù)進行提煉和完善，這樣的過程，學(xué)生們普遍感覺是“痛并快樂著”，而教師和實驗室主要提供指導(dǎo)和開放. 我們看到，若干年后，學(xué)生對物理實驗記得最清楚的正是這樣的實驗.

在提出新課題、解決新問題的過程中，學(xué)生綜合創(chuàng)新能力得到全方位的鍛煉，大批學(xué)生能夠做到理論聯(lián)系實際，靈活運用知識. 很多課題都融合了理論、實驗、計算機模擬等，學(xué)生的口頭和書面表達能力也得到了鍛煉.

2　學(xué)生課題案例

以邁克耳孫干涉儀實驗為例，教材中主要有3個內(nèi)容：1)測量激光的波長；2)測量鈉光燈雙黃光的波長差；3)測量玻璃的折射率. 學(xué)生根據(jù)自己的情況，從該實驗出發(fā)拓展出了以下課題.

2.1邁克耳孫干涉儀中補償板與干涉條紋

邁克耳孫干涉儀中補償板的作用是補償兩相干光束因通過分光板次數(shù)不同而引起的附加光程差(特別是對復(fù)合光). 做該實驗時學(xué)生有意地去掉補償板, 討論并觀察在單色光照射時產(chǎn)生的干涉條紋的變化情況[2]，得到的實驗結(jié)果如圖1所示，經(jīng)過理論分析和計算機模擬,得到的結(jié)果與實驗完全相符,如圖2所示.

圖1　實驗中拍到的干涉條紋

圖2　計算機模擬的干涉條紋

2.2用邁克耳孫干涉儀測量厚透明材料折射率

物理實驗課程中，邁克耳孫干涉儀測量玻璃折射率主要是利用出現(xiàn)白光干涉條紋的零光程條件，由放入玻璃片前后出現(xiàn)白光干涉條紋的位置，得到相關(guān)的光程. 由于折射率與波長有關(guān)，要求待測樣品盡量薄，而測量厚透明固體折射率，用白光調(diào)節(jié)出干涉條紋難度很大. 為解決這一局限，學(xué)生提出采用半視場法[3]. 半視場法以激光為光源，在光路中一半視場處放入平行待測材料后，調(diào)節(jié)反射鏡，視場兩邊對應(yīng)的干涉條紋出現(xiàn)條紋陷入和漲出，當(dāng)合成為圓時可以得到相關(guān)的光程差. 采用半視場法觀測的干涉條紋如圖3所示.

(a)調(diào)節(jié)前圖像　　　　　　(b)調(diào)節(jié)后圖像圖3　半視場法觀測條紋

2.3利用邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場

空氣溫度改變，折射率將發(fā)生變化，從折射率的變化經(jīng)過定標(biāo)就可以得到溫度分布. 選擇蠟燭火焰作為實驗對象,研究周圍溫度變化，應(yīng)用阿貝爾變換法和環(huán)帶法,可對軸對稱溫度場進行定量計算[4]. 蠟燭火焰干涉條紋圖如圖4所示，計算時通過噪聲處理、低通濾波,獲得二值化后的圖像如圖5所示，從而得到溫度分布如圖6所示.

圖4　蠟燭火焰干涉條紋圖

圖5　干涉條紋骨架圖

圖6　邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場

2.4用M-Z干涉儀對空氣折射率的定量測量與理論探討

邁克耳孫干涉儀存在樣品空間的限制，學(xué)生自行組建M-Z干涉儀，測量空氣在不同壓強下的折射率，可以用于測量氣體等大面積區(qū)域中折射率的微小變化[5]. 而且光在所研究容器中只經(jīng)過1次, 這使得該區(qū)域的光程變化顯得很直觀. 圖7為所得到的壓強與折射率關(guān)系. 最后從經(jīng)典的電介質(zhì)理論對空氣折射率產(chǎn)生原因進行分析，解釋了壓強與折射率的對應(yīng)關(guān)系.

圖7　折射率與壓強的擬合曲線

2.5干涉法測量鋁薄膜的軸向應(yīng)力

這也是從邁克耳孫干涉儀實驗拓展出的課題[6]. 應(yīng)力是薄膜制備和生產(chǎn)過程中存在的普遍現(xiàn)象, 薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的原因有2個方面:一是由于薄膜和基底的熱膨脹系數(shù)不同而引起的,稱為熱應(yīng)力;一是由于薄膜生長過程中的非平衡性或薄膜特有的微觀結(jié)構(gòu)引起的,稱本征應(yīng)力. 實驗采用邁克耳孫干涉儀變形結(jié)構(gòu)(圖8)，測量其力應(yīng)變和熱應(yīng)變，并對測量的結(jié)果進行了擬合.

圖8　實驗裝置示意圖

2.6邁克耳孫干涉儀進行溶質(zhì)擴散的研究

這是一個還沒有成功的課題. 課題想法：溶液的折射率與溶液的成分和濃度有關(guān)，利用邁克耳孫干涉儀可以測量折射率的變化，從而研究溶質(zhì)的擴散問題. 學(xué)生在該課題研究過程中，解決了圖像變化的獲取問題，但由于樣品盒中三維擴散信息的提取極困難，自己制備的二維擴散樣品盒(相當(dāng)于薄膜)，材料平整度、平行度等因素效果差，最后未能取得預(yù)期的結(jié)果. 這樣的課題我們也給予鼓勵.

3　結(jié)束語

雖然有些課題看起來簡單，實際上是學(xué)生多次反復(fù)、多次提煉和修改獲得的，這樣的過程對學(xué)生來說是寶貴的經(jīng)歷. 當(dāng)然教師也需要有比較多的付出. 學(xué)生主導(dǎo)型實驗教學(xué)模式，可以激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，調(diào)動學(xué)生查閱資料、參與實驗實踐活動的積極性，極大提高了學(xué)生獨立思考、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和科研創(chuàng)新能力，提高了實驗教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合能力，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力發(fā)揮著重要作用.

[1]周進,王思慧,黃潤生,等. 樹立新理念 構(gòu)建新體系 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)和研究能力[J]. 實驗室研究與探索,2006,25(5)：619-621.

[2]鄧小燕,喬蹻,潘永華,等. 邁克爾遜干涉儀中補償板與干涉條紋[J]. 物理與工程,2006,16(2)：29-32.

[3]徐文韜,李全偉,李吉驁,等. 用邁克耳孫干涉儀測量厚透明材料折射率[J]. 物理實驗,2012,32(6)：35-39.

[4]溫學(xué)達,劉釗,周惠君,等. 利用邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場[J]. 物理實驗,2007,27(6)：44-47

[5]盧丹勇,劉長江,周惠君,等. 用M-Z干涉儀對空氣折射率的定量測量與理論探討[J]. 物理實驗,2006,26(12)：40-43.

[6]周思，陳迅馳，周惠君，等. 干涉法測量鉛薄膜的軸向應(yīng)力[J]. 物理實驗，2008，28(9):5-8.

[責(zé)任編輯：任德香]

Practice on student-oriented experiment teaching and comprehensive capability cultivation

GAO Wen-li, ZHOU Jin, SU Wei-ning

(Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Combining the teaching experience in university physics experiment and the new situation in carrying out innovative education, the student-oriented experimentin teaching mode was explored. Take the Michelson interference experiment as an example, six extending experiments developed from the basic experiment were listed. Practices showed that the student-oriented experiment improved the teaching quality and the students' comprehensive ability.

student-oriented experiment; teaching mode; comprehensive capability

2016-05-28；修改日期：2016-09-07

高文莉(1968-)，女，江蘇灌云人，南京大學(xué)物理實驗教學(xué)中心講師，碩士，研究方向為凝聚態(tài)物理.

G642.423

B

1005-4642(2016)10-0023-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實驗教學(xué)研討會”論文