曹京曉，李秋澤，李新忠，鞏曉陽

（河南科技大學物理工程學院，河南 洛陽 471000）

0 引言

自2016年“十三五”發(fā)展規(guī)劃提出以來，國家各部門編制、印發(fā)一系列科技創(chuàng)新政策文件，向人們發(fā)出“創(chuàng)新支撐社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展”的導向[1-3]，從科技領(lǐng)域到投資領(lǐng)域，從營商領(lǐng)域到加工貿(mào)易領(lǐng)域等。這使得全社會各行各業(yè)對創(chuàng)新的渴求越來越迫切。然而創(chuàng)新需要人才的支撐，需要擁有堅實基礎理論、具有較強基本能力的各專業(yè)合格的高素質(zhì)工作者。這一發(fā)展導向?qū)θ珖叩冉逃岢隽烁叩钠谕鸵?，推動高等教育不斷?chuàng)新發(fā)展，出現(xiàn)新理念、新方法和新的教學設計。

大學實驗物理是高校理工科各專業(yè)的一門能力要求很強的實踐性基礎課程，是學生進入大學后受到系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的重要基礎。通過大學實驗物理課程的訓練，學生的獨立實驗能力、分析與研究的能力、理論聯(lián)系實際解決現(xiàn)實問題的能力及創(chuàng)新能力都會得到有效的提高。同時學生的科學實驗素養(yǎng)也會得到培養(yǎng)和提高。然而傳統(tǒng)的大學實驗物理教學方式差強人意，簡單描述如下：

（1）上實驗課之前，學生預習相關(guān)實驗物理內(nèi)容，書寫實驗預習報告；

（2）上課時，教師講解實驗物理的相關(guān)實驗目的、實驗器材及實驗原理，介紹部分實驗儀器的使用方法，說明實驗的主要內(nèi)容，強調(diào)實驗過程中的注意事項。學生根據(jù)自己的預習情況和教師的講解及提示，按照實驗內(nèi)容的要求完成相關(guān)數(shù)據(jù)測試。

（3）實驗課結(jié)束之后，學生按課程要求完成實驗報告中數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理部分內(nèi)容，并對實驗結(jié)果進行分析和討論，寫出實驗總結(jié)，從而完成實驗報告并提交報告給教師批改。

從傳統(tǒng)的實驗教學方式可知，它存在的主要問題分析如下：

（1）由于缺少學習興趣和學習激情，學生實驗課前的預習效果并不是很好。即使實驗教材上有的實驗設計里包含與實驗相關(guān)的電子課件或講解視頻等學習資料，極少有學生通過掃描實驗教材上的二維碼了解實驗原理和實驗內(nèi)容。大部分學生還是傾向于傳統(tǒng)的學習方式。他們僅僅將實驗教材上與實驗相關(guān)的內(nèi)容，例如實驗目的、實驗器材、實驗原理等抄寫到實驗報告紙上來完成實驗課程的預習。由于上實驗課之前預習缺少分析和思考的過程，學生到實驗室上課時針對性和目的性不強，常有一知半解的情況。

（2）教師在實驗課的教學過程中，往往流程化地講解實驗目的、實驗器材和實驗原理，甚至演示實驗過程中的每一步操作，啟發(fā)式的提問和交互式的討論較少，這直接影響了學生上實驗課的熱情，阻礙學生自主解決問題的能力的發(fā)展。有一部分學生實驗課期間動手操作環(huán)節(jié)較少，一發(fā)現(xiàn)問題就向教師詢問。甚至有學生缺乏對實驗內(nèi)容的整體把握，每完成一部分實驗內(nèi)容就詢問教師接下來做什么。由此可見，傳統(tǒng)的實驗課堂教學很難實現(xiàn)通過實驗訓練有效提高學生獨立思考的能力和解決實際問題的能力。

（3）盡管課堂上教師要求學生在課后提交的實驗報告中應對實驗結(jié)果進行分析和討論，但是學生在完成實驗報告的過程中，重點關(guān)注的是實驗數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理部分。至于實驗結(jié)果如何、誤差是否滿足要求，學生通常很少做出說明，進而很少有相應的思考和分析。從本質(zhì)上來說，學生對實驗結(jié)果的分析和自我評價、對經(jīng)驗教訓的反思總結(jié)恰恰是實驗課程能力訓練的核心部分。

鑒于以上原因，在國家對創(chuàng)新的迫切要求和期待下，結(jié)合應用型本科院校發(fā)展及光電子科學與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)目標，兼顧學生的特點，引入對分課堂的教學理念[4]，我們對聲速的測量實驗進行教學改革嘗試，以期激發(fā)學生的學習興趣和探索熱情，達到實驗教學育人于實踐的培養(yǎng)目標。本文中，我們從課堂教學內(nèi)容、教學方法以及課程思政三個方面的探索和嘗試進行說明：

1 關(guān)于聲波的介紹

作為知識拓展，要求學生自行查閱資料了解聲波及其特點。聲波是縱波，分為次聲波、聲波、超聲波。人的耳朵是聽覺器官，即聲音傳感器。一般人能夠聽到振動頻率在20Hz-20kHz范圍的聲波。頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波。雖然超聲波無法引起人們的聽覺反應，但它具有波長短、易于定向發(fā)射等優(yōu)點。聲速測量實驗中聲波的頻率選在超聲波段（40kHz）。建議學生在完成實驗數(shù)據(jù)測試之后把信號的頻率調(diào)至20Hz-20kHz范圍內(nèi)，測試一下自己的耳朵對聲音高低的感覺靈敏度。這一建議很大程度上激發(fā)了學生的學習興趣和探索熱情，實驗參與的積極性很高，課堂氣氛異常活躍。有學生實驗結(jié)束后激動地說他能聽到 19kHz的聲波；也有學生失望地說自己只能聽到15kHz的聲波了，頻率再高就聽不見了，今后要保護好自己的聽力……我們告知學生課堂聽力測試結(jié)果粗糙，只是在一定程度上反映了個人聽力情況，要想知道真實聽力需到醫(yī)院做聽力檢查。同時，讓學生明白：科學是嚴謹?shù)?。只是在不同的環(huán)境和不同的情況下，人們對測量精度的要求不同。

2 實驗目的的導入

關(guān)于聲速測量實驗的實驗目的的介紹，向?qū)W生強調(diào)：實驗數(shù)據(jù)測量完成不是最終的目的。最終的目的是通過聲速的測量實驗學會并熟練使用功率函數(shù)信號發(fā)生器（1Hz-106Hz）和雙蹤示波器[5]。要想達到這個目的，嚴謹務實的態(tài)度非常重要。課堂采用開放的教學方式：建議學生在教師講解的基礎上通過在線查閱資料、分組討論操作實踐中需要注意的事項。學生自愿組隊、查閱資料、積極討論。從不了解儀器原理到熟練掌握操作方法，讓學生體驗到滿滿的成就感。

3 發(fā)射換能器和接收換能器的介紹

發(fā)射換能器和接收換能器是聲速測量實驗中使用的關(guān)鍵儀器。它們工作的基本原理是逆壓電效應和壓電效應。逆壓電效應和壓電效應是某些固體電介質(zhì)由于結(jié)晶點陣的特殊結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的現(xiàn)象。代表性的壓電晶體有（SiO2）石英、電氣石、酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6· 4H2O，又稱為洛瑟爾鹽）、鈦酸鋇（BaTiO3）等[6]。為了使學生更好地理解壓電效應和逆壓電效應，同時作為知識拓展，向?qū)W生介紹有線電話的工作原理：一端電話機將聲信號轉(zhuǎn)變成電信號（利用晶體的壓電效應）；電信號在電纜中傳輸；另一端電話機將接收到的電信號轉(zhuǎn)變成聲信號（利用晶體的逆壓電效應）。通過知識拓展的引入，學生更清晰地理解抽象的物理原理，明白物理原理在現(xiàn)實生活中的應用。

在此基礎上，我們向?qū)W生指明：盡管當今社會人們溝通交流不再需要大量有線電話，但是隨著5G技術(shù)的發(fā)展及人工智能產(chǎn)業(yè)興起，壓電材料在智能手機、VR、AR裝備和傳感器件領(lǐng)域的應用也將越發(fā)突出。建議學生以發(fā)展的眼光充分理解聲速測量實驗中的關(guān)鍵儀器，為以后學習使用更精密復雜的實驗儀器做準備。

4 課程思政元素的融入

作為大學物理實驗課程的課程思政建設嘗試，我們從聲信號的產(chǎn)生切入，向?qū)W生介紹了人類通信的發(fā)展。通信從聲—電—聲的信息傳遞到電的信息傳遞，繼而發(fā)展到光—電—光的信息傳遞，人類的終極目標是全光通信。這一終極目標基于人類對通信品質(zhì)的迫切渴求，又以人類強烈的好奇心作為推動。

進一步引導，我們向?qū)W生介紹美國發(fā)明家和企業(yè)家──“電話之父”亞歷山大·貝爾及美國新澤西州的貝爾實驗室，使學生了解發(fā)明家背后的故事和獨特的人格魅力，領(lǐng)悟探索創(chuàng)新的真諦，激勵學生保有好奇心和創(chuàng)新精神以及對未來的信心，享受物理之美的熏染[7-9]。

5 總結(jié)

鑒于傳統(tǒng)大學實驗物理課程教學中學生預習效果差強人意、學習興趣不高、缺乏對實驗的思考和分析等問題，我們以聲速測量實驗為例，進行了大學物理實驗課程教學改革嘗試，主要方面總結(jié)如下：

（1）從聲波的介紹入手，提醒學生注意用耳衛(wèi)生，保護自己的聽力，激發(fā)學生好奇心和探索欲；

（2）以開放的教學方式導入實驗目的，增強學生團體協(xié)作的能力和解決實際問題的能力；

（3）從通信的角度向?qū)W生介紹發(fā)射換能器和接收換能器及其工作原理，使學生明白技術(shù)的發(fā)展離不開基本理論的支撐，并切實體會到專業(yè)知識學習的重要性。通信的發(fā)展、技術(shù)的進步離不開眾多科學家和工程師的努力，他們獨特的人格魅力和永不止步的創(chuàng)新和探索精神對學生更是一次精神的洗禮；

（4）從課堂效果來看，聽力測試的建議很好地激發(fā)了學生的好奇心和探索欲望，而通信方面的知識拓展增強了學生的學習動力；

（5）“電話之父”和貝爾實驗室的引入使學生深刻體會到改革創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展的誘惑與魅力，明確了努力的方向。

尤其需要指出的是，教學效果得到了提高。學生對我們聲速測量實驗課程的教學改革嘗試評價很高，錄小視頻、拍照發(fā)微信朋友圈談論上課體會。學生們的積極參與和肯定也激勵我們進一步地嘗試大學物理實驗課程思政融入課堂及教學改革創(chuàng)新。