錢霞

(聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院 山東 聊城 252059;山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 聊城 252059)

1 大學(xué)物理教學(xué)的組成及作用

物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用、自然界物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門學(xué)科，抽象性、高度模型化、高度理論性是它的顯著特點(diǎn).同時(shí)，物理學(xué)是一個(gè)多方面的學(xué)科，是一個(gè)活的科學(xué)，不是一個(gè)死的科學(xué)，不是整天在公式里打滾的學(xué)科，是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，有著重大的實(shí)踐性與應(yīng)用性.很多理論的誕生建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)糾正了人們很多錯(cuò)誤的思想，證實(shí)和指引著理論，帶給人們理解物理學(xué)的直觀性和可操作性.

物理概念的本身也包含著物理實(shí)驗(yàn)技能、物理研究方法的含義.同所有其他基礎(chǔ)學(xué)科一樣，物理學(xué)研究具有兩重性：一是在理論層面對(duì)物理學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建與完善，主要包括理論推演、計(jì)算模擬、實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)；二是在技術(shù)層面對(duì)已掌握的物理規(guī)律的挖掘與應(yīng)用，主要包括與物理有關(guān)的專利設(shè)計(jì)、儀器制造、工業(yè)生產(chǎn)等，涉及航空、航天、醫(yī)學(xué)、電氣、工程、計(jì)算機(jī)等社會(huì)領(lǐng)域.在物理教育中，前者稱為物理教育的學(xué)術(shù)目的，后者稱為物理教育的社會(huì)目的[1].

大學(xué)物理是理工科專業(yè)學(xué)生的一門必修基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ).大學(xué)物理教學(xué)的成功與否很大程度上會(huì)影響和決定學(xué)生對(duì)于物理知識(shí)的認(rèn)知、理解和應(yīng)用.大學(xué)物理課包括理論課和實(shí)驗(yàn)課，物理知識(shí)的傳授主要通過課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué).在課堂教學(xué)上，主要以教師講授，學(xué)生聽課為主，學(xué)生通過聽講獲得理論知識(shí).在理論課堂上，學(xué)生在聽教師講課時(shí)，沒有直觀的教具幫助，而是通過想象建立起物理原理、現(xiàn)象、過程和規(guī)律的合理圖像，通過大腦的建構(gòu)，形成抽象的理論模型.在這過程中，記憶起了很重要的作用，也可以說，很多內(nèi)容是以記憶的形式存儲(chǔ)在大腦中，而并沒有被深刻理解.實(shí)驗(yàn)課則具有和理論課不同的特點(diǎn).在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生直接接觸、理解并應(yīng)用物理知識(shí)，實(shí)驗(yàn)本身所具有的直觀性、可操作性等特點(diǎn)決定了實(shí)驗(yàn)課與理論課的不同特點(diǎn)，它對(duì)物理教學(xué)的促進(jìn)作用不可忽視，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手、理解并應(yīng)用物理知識(shí)的能力有著不可否認(rèn)的推動(dòng)作用.

在很多高校,實(shí)驗(yàn)課是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和初期科研素養(yǎng)唯一的途徑，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果應(yīng)該是各院校普遍需要重視的問題.本文將從知識(shí)的類型和學(xué)習(xí)的角度論述大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的性質(zhì)和特點(diǎn)，探討提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的方法和手段.

2 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的性質(zhì)及特點(diǎn)

教育心理學(xué)指出，知識(shí)是學(xué)生學(xué)習(xí)的最基本內(nèi)容，通過知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生獲得為了自身的生存和發(fā)展所必須的各種經(jīng)驗(yàn)，并在這一過程中逐漸形成各種態(tài)度和能力.知識(shí)不單單是對(duì)各種事物的了解，還包含了運(yùn)用知識(shí)解決問題的技能.

關(guān)于知識(shí)的學(xué)習(xí)，在杜威的“做中學(xué)”(Learning by doing)理論中指出：人們應(yīng)當(dāng) “從做事里面求學(xué)問”, 在做的過程中發(fā)現(xiàn)和發(fā)展自己，從 “做中學(xué)” 增添新的更有意義的經(jīng)驗(yàn).教育必須建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教育就是經(jīng)驗(yàn)的成長和經(jīng)驗(yàn)的改造，學(xué)生從經(jīng)驗(yàn)中產(chǎn)生問題，而問題又可以激發(fā)他們?nèi)ヌ剿髦R(shí)，產(chǎn)生新觀念.有教育功能的經(jīng)驗(yàn)，不同于“呆板的活動(dòng)”(不能自主的機(jī)械動(dòng)作)和“無恒的活動(dòng)”(毫無目的，不顧將來結(jié)果的活動(dòng))，“把目的(即結(jié)果)與過程視為一件事”，活動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)是占用時(shí)間的，它的后一步就是完成它的前一步，后面的結(jié)果就表現(xiàn)出前面的目的，這種完整經(jīng)驗(yàn)使人掌握良好的行為模式(習(xí)慣)[2].根據(jù)建構(gòu)學(xué)習(xí)觀點(diǎn)，知識(shí)的獲得不是一次性完成的，知識(shí)的獲得與知識(shí)的應(yīng)用也不是絕對(duì)依次進(jìn)行的.知識(shí)的學(xué)習(xí)可以分為知識(shí)的生成與理解、知識(shí)的整合和深化、知識(shí)的應(yīng)用與遷移3個(gè)階段，所有階段的知識(shí)學(xué)習(xí)都遵循知識(shí)的雙向建構(gòu)和雙向遷移的過程，往往是在應(yīng)用的過程中被獲得、理解、深化和整合的，同時(shí)，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中具有主動(dòng)性[3].

根據(jù)杜威的“做中學(xué)”(Learning by doing)觀點(diǎn)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)恰好就是學(xué)生做而獲得經(jīng)驗(yàn)的過程，是經(jīng)驗(yàn)的成長和改造過程.實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生反復(fù)主動(dòng)學(xué)習(xí)與應(yīng)用，遇到各種問題，通過舊經(jīng)驗(yàn)，帶著問題，解決問題，獲得新經(jīng)驗(yàn)，獲得學(xué)問.在實(shí)驗(yàn)課堂上，實(shí)驗(yàn)原理通常是書本上的、學(xué)生在理論課堂聽講得到的理論知識(shí)；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，學(xué)生必須親自操作各種實(shí)驗(yàn)儀器，要求學(xué)生必須學(xué)會(huì)掌握儀器的操作及使用方法；在記錄數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)時(shí)，學(xué)生必須學(xué)會(huì)運(yùn)用數(shù)據(jù)運(yùn)算分析方法；當(dāng)學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論時(shí)，也必然又要用到課本中的理論來解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；完成實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生解決了問題，獲得了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)技巧.從整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，可以看到幾種類型知識(shí)學(xué)習(xí)和遷移的體現(xiàn).學(xué)生首先要利用書本上學(xué)到的間接知識(shí)，通過在實(shí)驗(yàn)中親身體會(huì)，學(xué)到了直接知識(shí)；學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中直接體會(huì)、理解并應(yīng)用帶有理論性色彩的顯性知識(shí)，但同時(shí)，他們親自動(dòng)手實(shí)踐，也得到了隱性知識(shí)——實(shí)踐知識(shí)；在為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒔鉀Q問題的過程中，學(xué)生一步步地把陳述性知識(shí)——實(shí)驗(yàn)原理、儀器原理、運(yùn)算規(guī)則，轉(zhuǎn)化成程序性知識(shí)——儀器的操作、數(shù)據(jù)的運(yùn)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，獲得最終的程序性知識(shí)——實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?對(duì)于每一個(gè)學(xué)生，實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，從對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解、儀器的操作到原始數(shù)據(jù)的記錄及處理、結(jié)果的分析無一不反映他對(duì)陳述性理論知識(shí)的掌握程度，而利用程序性知識(shí)，成功的完成實(shí)驗(yàn),甚至不太成功的完成實(shí)驗(yàn)又反過來會(huì)促進(jìn)他對(duì)陳述性理論知識(shí)的理解與認(rèn)知.通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生把理論課堂上以記憶的形式存儲(chǔ)下來的知識(shí)在實(shí)驗(yàn)課堂上提取、釋放和運(yùn)用；通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生把抽象的知識(shí)具體化；通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生頭腦中的物理符號(hào)、物理概念有了確定的意義；抽象的概念和復(fù)雜的過程通過物理實(shí)驗(yàn)直觀顯現(xiàn)，通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生直接認(rèn)識(shí)物理和物理的應(yīng)用.

3 提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的若干方法和手段

大學(xué)物理是理工科學(xué)生重要的基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課的基礎(chǔ).在大學(xué)物理教學(xué)中，大學(xué)物理尤其是一門繁雜、抽象、建立在數(shù)學(xué)工具上、用各種數(shù)學(xué)公式來表達(dá)物理思想和物理過程的課程，這決定了學(xué)習(xí)這門課的難度，而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理教學(xué)的推進(jìn)作用不可忽視.但是,由于各種主客觀條件限制，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在很多問題，這種促進(jìn)作用并沒有完全發(fā)揮.對(duì)于物理，當(dāng)前相當(dāng)多的大學(xué)生第一反應(yīng)還是如何應(yīng)對(duì)考試中的試題，頭腦中的物理是一個(gè)個(gè)抽象的概念和復(fù)雜的公式，并沒有真正理解到物理的含義、意義和重大的應(yīng)用價(jià)值.所以，我們必須尋求提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的有效方法和途徑.

現(xiàn)在很多高校強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性、高難度性，強(qiáng)調(diào)設(shè)置多層次教學(xué)、開放式教學(xué)，但是往往要受到學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)空間和師資力量的限制，而基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)也蘊(yùn)涵了物理的強(qiáng)大含義，也可以引起學(xué)生對(duì)物理的興趣，在傳統(tǒng)教學(xué)中也可以開辟新途徑來提高大學(xué)物理教學(xué)效果.

首先可以利用知識(shí)的遷移性，深挖基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論內(nèi)容的緊密結(jié)合.由于受到學(xué)時(shí)的限制，大學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)是有限的，而理論內(nèi)容卻很多，所以可以在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上合理編排，增加內(nèi)容含量，增加體現(xiàn)物理思想和方法的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，運(yùn)用物理科學(xué)發(fā)展中形成的先進(jìn)思想和方法進(jìn)行研究和探索，實(shí)驗(yàn)的目的不止于得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論，而更在于學(xué)會(huì)運(yùn)用物理思想和物理方法.利用實(shí)驗(yàn)之間及不同層次實(shí)驗(yàn)之間的相互遷移，讓學(xué)生在遇到某原理、原則適用的背景時(shí)，能脫離學(xué)習(xí)原理、原則的背景而把握其實(shí)質(zhì)，并能準(zhǔn)確地運(yùn)用原理、原則去學(xué)習(xí)新知識(shí)和解決新問題，把陳述性知識(shí)與程序性知識(shí)緊密聯(lián)系起來.

在教課中，要為遷移而教，要整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，把各獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合起來，鼓勵(lì)學(xué)生把內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來，把某一實(shí)驗(yàn)中學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)運(yùn)用到其他實(shí)驗(yàn)中，加強(qiáng)知識(shí)聯(lián)系，相互分析、解釋、進(jìn)行聯(lián)想；展現(xiàn)物理科學(xué)在其他專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使學(xué)生有意識(shí)地將物理知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，解決實(shí)際問題；實(shí)驗(yàn)的過程可以采用理論——實(shí)驗(yàn)——應(yīng)用——理論——實(shí)驗(yàn)——應(yīng)用的模式，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理的理論性、實(shí)踐性、應(yīng)用性，在應(yīng)用中加深對(duì)物理的理解.比如，在進(jìn)行偏振光的觀察和測量實(shí)驗(yàn)時(shí)，增加“馬呂斯定律的驗(yàn)證”和“圓偏振光和橢圓偏振光的獲取與檢驗(yàn)”，加入“生活中的偏振現(xiàn)象觀察”等拓展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，這樣即能使學(xué)生熟悉起偏器和檢偏器，又能對(duì)光的偏振有一個(gè)深入的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步了解了光的偏振在實(shí)際生活中的應(yīng)用.

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果學(xué)生真正完成實(shí)驗(yàn)并且確切領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)背后的含義，不但會(huì)獲取物理的知識(shí)，而且也會(huì)提高實(shí)踐能力.但是，在很多情況下，學(xué)生看不到實(shí)驗(yàn)的意義，沒有興趣，這里面體現(xiàn)出教學(xué)方法中不合適的地方，教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)的方法.根據(jù)杜威的“做中學(xué)”(Learning by doing)理論，實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是學(xué)生主動(dòng)地、探索性地、創(chuàng)造性地做而獲得經(jīng)驗(yàn)的過程，是經(jīng)驗(yàn)的成長和改造過程.所以,教師在教學(xué)中處于“主導(dǎo)”地位,學(xué)生按照講義或者教師的講解亦步亦趨模仿的模式要改進(jìn).在原有這種模式中，學(xué)生完全跟著教師的思路走，沒有進(jìn)行積極的思考，沒有自己的理解與認(rèn)知，關(guān)心的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后才是實(shí)驗(yàn)過程，探索更少，而最后對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的描述僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式完成，在編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，原始數(shù)據(jù)是由學(xué)生自己親自獲得的，而其他部分，包括原理、實(shí)驗(yàn)步驟等很大部分內(nèi)容都是由學(xué)生抄寫完成，并且最終的實(shí)驗(yàn)分析幾乎就沒有，這樣的實(shí)驗(yàn)沒有達(dá)到促進(jìn)學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)物理概念含義和物理過程意義的目的，更別說能夠形成自己獨(dú)有的對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí).所以一定要讓學(xué)生真正地“做并思考”，真正理解每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的含義.對(duì)某些實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生獨(dú)立的查閱資料、搜尋實(shí)驗(yàn)原理及需要遵守的規(guī)則，探索性完成實(shí)驗(yàn)操作過程、數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)果后，獨(dú)立利用理論課堂上學(xué)到的理論或通過互聯(lián)網(wǎng)等手段查找到的相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析解釋，最終，完成對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的理解，實(shí)驗(yàn)結(jié)論也不應(yīng)該全部為實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式，而要采取小論文的形式或設(shè)計(jì)性方案的形式，要求學(xué)生不要一味抄寫而是要變成自己理解，有自己的認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)；即便對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也要增加學(xué)生獨(dú)立思考和分析的環(huán)節(jié)；在課堂上不能完成的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可以在課下完成，這就可以打破學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)空間的限制；為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更加科學(xué)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可以引入計(jì)算軟件，這樣的一些手段對(duì)于學(xué)生理清實(shí)驗(yàn)頭緒、形成自己的分析和認(rèn)識(shí)有著巨大幫助，對(duì)于進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)、撰寫研究性論文也大有幫助.

在這里，我們以RLC電路特性實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行探討.這個(gè)實(shí)驗(yàn)有很多的知識(shí)點(diǎn)，首先，電阻、電容、電感是生活中常用的器件，可是，學(xué)生對(duì)電容、電感的認(rèn)識(shí)僅僅停留在課本中，對(duì)它們在直流電路和交流電路中的特性可以背誦下來，卻沒有深刻理解，所以，通過將電阻、電容、電感的不同組合，接入正弦穩(wěn)態(tài)交流電源或者方波電源，可以構(gòu)成各種RLC交流電路，在這些電路中，通過電阻、電感以及電容上的電流與加在它們上的電壓隨著時(shí)間或頻率的改變而改變，學(xué)生通過觀察這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就會(huì)對(duì)電容、電感有深刻的認(rèn)識(shí)；另外，這些電阻、電容和電感的組合有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值，在很多電子線路中要用到這些元器件，所以，學(xué)生在了解了RLC電路的各種特性，比如諧振特性、暫態(tài)過程、幅頻特性、相頻特性等特性，就可以進(jìn)一步理解這些電路在電子儀器比如收音機(jī)中的應(yīng)用，這對(duì)于學(xué)生理解物理知識(shí)有非常大的促進(jìn)作用；在RLC電路特性實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過程中，教師指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，但在學(xué)習(xí)的過程中也要加強(qiáng)學(xué)生的主動(dòng)性學(xué)習(xí)，比如自己連接電路，自己分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論.另一方面還要求學(xué)生課下查詢有關(guān)RLC電路的應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用結(jié)合起來，就會(huì)將該實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果大大增強(qiáng).

提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果以促進(jìn)大學(xué)物理教學(xué)是非常有必要且有重大意義的，作為一名長期從

事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師，在這里談一下這些年對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體會(huì)，希望能引起大家的共鳴.