譚 芳，楊 強(qiáng)

(長(zhǎng)春大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

一種物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教育模式的實(shí)踐研究

譚 芳，楊 強(qiáng)

(長(zhǎng)春大學(xué) 理學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

本文論述和分析了當(dāng)前高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)所面臨邊緣化的困境，指出探索新型大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)形式的必要性，在物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放的基礎(chǔ)上，提出一種物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)模式，即：基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)課程，通過(guò)四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)踐，總結(jié)了四點(diǎn)教學(xué)心得與經(jīng)驗(yàn)。

物理實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新教育；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)

物理實(shí)驗(yàn)歸類(lèi)于基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程。在我國(guó)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)引入高等教育已有100多年的歷史[1]。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的思想方法及實(shí)驗(yàn)技術(shù)既體現(xiàn)了傳統(tǒng)的基礎(chǔ)科學(xué)，又蘊(yùn)藏著豐富的創(chuàng)新思想。在當(dāng)代大學(xué)生的素質(zhì)教育中，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)生形成科學(xué)思想、啟迪創(chuàng)新能力的基本渠道，如果認(rèn)真卓有成效地開(kāi)展教學(xué)，必然會(huì)產(chǎn)生良好的效果。但是，社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的當(dāng)今，該課程沒(méi)能很好地“與時(shí)俱進(jìn)”，表現(xiàn)出很多令人憂(yōu)慮的教學(xué)弊端，甚至成為很多師生詬病的課程之一，具體表現(xiàn)如下：

(1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的激發(fā)與積累。根據(jù)調(diào)查，很多高?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)題目中，有相當(dāng)一部分內(nèi)容幾十年基本不變，而隨著學(xué)科理論和相應(yīng)科技的迅速發(fā)展，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代，有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目已經(jīng)失去了應(yīng)有的學(xué)習(xí)意義。

(2)有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容繁瑣，過(guò)程復(fù)雜，鍛煉價(jià)值不高。這樣的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)題目，實(shí)際教學(xué)效果幾乎為零，由這樣實(shí)驗(yàn)題目組成的物理實(shí)驗(yàn)課程難免受到多數(shù)學(xué)生詬病。

(3)現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)儀器過(guò)于數(shù)字化、智能化。儀器過(guò)于自動(dòng)化，明顯減少了學(xué)生親身動(dòng)手過(guò)程。

探尋解決上述問(wèn)題是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的急切任務(wù)，我們積極尋找一種能夠鍛煉和激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)新能力的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式，這也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)同行們一直努力的方向[2-8]。

為了科學(xué)而有效地進(jìn)行開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)，我們提出兩種開(kāi)放形式，并制成調(diào)查問(wèn)卷表格，發(fā)給當(dāng)年在校學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問(wèn)卷。我們對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)做了認(rèn)真的分析，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的態(tài)度調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

圖1 學(xué)生對(duì)開(kāi)放教學(xué)方式的態(tài)度

從圖1可以看出：第一種開(kāi)放形式是學(xué)生僅僅參與物理實(shí)驗(yàn)裝置的演示操作，然后進(jìn)行討論，學(xué)生感興趣的僅占14%；而第二種開(kāi)放教學(xué)方式就是本課題提出的新型開(kāi)放方式，這種方式是由實(shí)驗(yàn)室對(duì)某種演示裝置提出做改進(jìn)方案或新裝置的制作方案，然后指導(dǎo)學(xué)生親手參與制作和改進(jìn)討論。學(xué)生對(duì)第二種開(kāi)放實(shí)驗(yàn)形式感興趣，占調(diào)查人數(shù)的86%，因此，我們確定第二種開(kāi)放形式。

1 基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)過(guò)程

基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)課程主要分4個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，見(jiàn)圖2。

圖2 基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)過(guò)程方框圖

1.1 完成開(kāi)放實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)，提出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)(培養(yǎng)創(chuàng)新興趣)

基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)由課程教師提出開(kāi)放實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：設(shè)計(jì)制作一種電磁感應(yīng)陀螺裝置或設(shè)計(jì)和組裝一種可以測(cè)量基本物理量的光纖傳感器裝置。本課程每學(xué)期在教務(wù)管理系統(tǒng)公布，學(xué)生自由選課：這一過(guò)程主要是面向已經(jīng)學(xué)習(xí)或正在學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容新穎有趣，學(xué)生很愿意參加。圖3為學(xué)生選課情況。

圖3 選課情況

1.2 學(xué)生分組并做實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

挑選不同專(zhuān)業(yè)的各類(lèi)學(xué)生進(jìn)行交叉組合，形成多專(zhuān)業(yè)協(xié)作的實(shí)驗(yàn)小組，選定組長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作由指導(dǎo)教師做內(nèi)容介紹，小組選定任務(wù)后，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織實(shí)驗(yàn)原理討論和裝置制作，學(xué)生利用這種學(xué)習(xí)和鍛煉的過(guò)程，為后面的制作和實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)，這是一種“基礎(chǔ)”與“創(chuàng)新”相結(jié)合的創(chuàng)新教育的必要準(zhǔn)備。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)小組每組10～12人，根據(jù)各專(zhuān)業(yè)的人數(shù)，專(zhuān)業(yè)組成分配見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)放小組專(zhuān)業(yè)組成情況

1.3 制作與實(shí)驗(yàn)，做實(shí)驗(yàn)信息采集記錄

在制作與實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)中，鼓勵(lì)學(xué)生大膽提出新想法、新建議，由于學(xué)生主動(dòng)承擔(dān)了制作的任務(wù)，他們的積極性很高，很有創(chuàng)作熱情，圖4為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)課堂的現(xiàn)場(chǎng)情景。

表3的數(shù)據(jù)反映出，有22%～29%創(chuàng)新建議貫徹到實(shí)踐中并取得了良好的效果。以下面兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。

表3 基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合研究型實(shí)驗(yàn)課教學(xué)效果

圖4 學(xué)生在制作控制電路

圖5 外形為圓錐體的電磁陀螺

圖6 外形為乒乓球體的電磁陀螺

實(shí)例一：課程開(kāi)展的第一學(xué)期，實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供的制作材料是較軟的塑料板，用其制作出圓錐形的陀螺，內(nèi)置橫條形強(qiáng)磁鐵，如圖5。這種圓錐體形狀的陀螺，制作出來(lái)后，成功率不高。為此，指導(dǎo)教師與學(xué)生共同探討，認(rèn)為影響圓錐型陀螺運(yùn)行成功率較低的3個(gè)因素是：①因?yàn)槭鞘止ぶ谱?，所以錐體很難做到嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致重心不穩(wěn)；②采用旋柄發(fā)動(dòng)陀螺，旋轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)速不高且不穩(wěn)定，電磁感應(yīng)效果不明顯；③條形磁鐵距離底盤(pán)的高度H1較大，離動(dòng)力裝置較遠(yuǎn)，不容易接受電磁感應(yīng)提供的動(dòng)力，故不能保持穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。有一組學(xué)生提出了一個(gè)很好的改進(jìn)方案，他們提出采用乒乓球作為陀螺的外殼，用齒輪式陀螺發(fā)射器代替旋柄發(fā)動(dòng)陀螺，其他工作原理和結(jié)構(gòu)原理不變，見(jiàn)圖6。由于這種方案明顯克服了圓錐體外形的電磁陀螺3個(gè)不足。

實(shí)例二：為了有效檢測(cè)電磁感應(yīng)擺的運(yùn)行情況，一般使用示波器來(lái)檢測(cè)，主要是觀察電磁感應(yīng)信號(hào)波形是否符合規(guī)律，據(jù)此判斷鐵芯線(xiàn)圈是否參與了工作。在試驗(yàn)中，指導(dǎo)教師往往要求學(xué)生檢測(cè)控制電路中鐵芯線(xiàn)圈初級(jí)側(cè)的信號(hào)波形。有學(xué)生對(duì)這種檢測(cè)方式做了分析，認(rèn)為這種方法雖然可行，但觀察到的波形不全面。他們提出可以將示波器接到鐵芯線(xiàn)圈次級(jí)側(cè)，這樣一來(lái)可以觀察到雙繞組同時(shí)工作的兩種信號(hào)，雖然波形較為復(fù)雜，但是，能夠全面分析出電磁感應(yīng)陀螺與電磁鐵芯線(xiàn)圈的能量轉(zhuǎn)換情況，有助于分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證明了這一做法的高效率。

上述兩個(gè)實(shí)例說(shuō)明，學(xué)生完全能夠利用已經(jīng)掌握的基礎(chǔ)理論知識(shí)，創(chuàng)新性地應(yīng)用到解決實(shí)際問(wèn)題中。本課程收到了基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合研究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)有的效果。

1.4 競(jìng)賽形式的成果展示

第一步，各大組選出一件最好的作品(一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)裝置)。小組代表簡(jiǎn)述制作思路及創(chuàng)新之處，其他成員可以補(bǔ)充。

第二步，各組分別同時(shí)操作，演示本組制作的實(shí)驗(yàn)裝置工作狀態(tài)，評(píng)定小組依次進(jìn)行觀察，做好記錄，然后進(jìn)行評(píng)點(diǎn)打分。選出最佳效果的物理裝置。

第三步，總結(jié)交流。

各組同學(xué)自由發(fā)言，交流經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)收獲，并大膽提出建議和想法。

2 幾點(diǎn)總結(jié)

基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)放教學(xué)課程開(kāi)展兩年以來(lái)，在鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面，做了較為有效的探索，有成功也有不足，主要反映在以下幾個(gè)方面。

(1)本課程突出了基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的特點(diǎn)。要?jiǎng)?chuàng)新必須有較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)能力?；A(chǔ)能力包括理論基礎(chǔ)、組裝和調(diào)試儀器的技術(shù)能力、實(shí)驗(yàn)觀察能力和信息采集及分析處理能力。其中，實(shí)驗(yàn)觀察力是智力活動(dòng)的開(kāi)端；組裝和調(diào)試儀器的動(dòng)手能力需要具有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的鍛煉；實(shí)驗(yàn)信息采集分析處理能力，能夠科學(xué)合理分析、綜合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，抽象出物理量之間的規(guī)律，找到改進(jìn)與創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)。本課程的四個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的基礎(chǔ)與創(chuàng)新相結(jié)合的教學(xué)過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)均可以鍛煉學(xué)生的上述能力。他們反映，這個(gè)課程學(xué)習(xí)過(guò)程很有趣，但也“不好混”，必須掌握較扎實(shí)的基本功，才能真正完成任務(wù)，鍛煉價(jià)值較大。

(2)本課程的每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)均采用較為自由寬松的開(kāi)放教學(xué)氛圍，盡量發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)作的積極性和主動(dòng)性。教學(xué)效果顯示，除了電磁陀螺在原理方面基本一致之外，學(xué)生制作的電磁陀螺在外形上、電磁性能上以及轉(zhuǎn)動(dòng)效果方面等均各有特點(diǎn)。

(3)培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的交流合作能力。交流合作指團(tuán)隊(duì)中個(gè)體之間交換信息、相互協(xié)作的能力?，F(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越需要群體的共同協(xié)作來(lái)完成。在創(chuàng)新實(shí)踐中，個(gè)體之間的交流合作能夠聚集集體的智慧來(lái)克服實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問(wèn)題，從而獲得成功。本課程確實(shí)提高了學(xué)生們這方面的素質(zhì)，特別是第四環(huán)節(jié)，以小組為單位，進(jìn)行一次自制的實(shí)驗(yàn)裝置展示，完全激發(fā)和調(diào)動(dòng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，無(wú)論從制作還是調(diào)試以及最后的成果展示，他們都很注意團(tuán)隊(duì)配合，在體會(huì)到團(tuán)隊(duì)協(xié)作的快樂(lè)的同時(shí)，也享受到成功的愉悅，課程結(jié)束以后很多學(xué)生要求跟老師合影留念。

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責(zé)任編輯：劉 琳

PracticalResearchonaPhysicsExperimentInnovationEducationMode

TAN Fang, YANG Qiang

(College of Science, Changchun University, Changchun 130022, China)

This paper discusses the current marginalization dilemma of college physics experiment course, pointing out the necessity of exploring the new mode for open physics experiment teaching. Based on this new experiment mode, it puts forward an innovative teaching method, namely, the mode with combination of foundation and innovation education. Through practice on four processes, it summarize several teaching experiences.

physics experiment； creative education； open experiment

2017-02-09

吉林省科學(xué)教育規(guī)劃課題(GH150105)

譚芳(1975-)，女，吉林長(zhǎng)春人，實(shí)驗(yàn)師，博士，主要從事光纖材料與器件方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0102-04