优化大学物理实验教学

2022-09-18

物理学的每一次进步都离不开实验。物理实验在探索和研究新科技领域, 在推动其它自然科学和工程技术的发展中, 同样起着重要的作用。物理实验是研究物理测量方法与实验方法的科学, 物理实验的实验技术和测量方法具有特殊的基本性和普遍性:它是其他一切实验的基础。很多工程技术问题或研究课题, 如果把它们分解开来, 实质上就是一些物理问题。在工程技术领域中, 研制、生产、加工、运输等过程都普遍涉及物理量的测量及物体运动状态的控制, 这正是成熟的物理实验的推广和应用。现代高科技的发展, 其设计思想、方法和技术也来源于物理实验, 因此, 物理实验也是工程技术和现代高科技发展的基础。

为了发挥大学物理实验应有的作用, 笔者结合教学实践提出了优化大学物理实验教学的途径与方法。

1 建立实验教学新体系

1.1 建立分层物理实验教学体系

分层次教学是实验教学根据教学规律演化的必然结果。

分层次实验教学已获得普遍共识并被绝大多数高校所采用。但是, 不少学校在如何区分实验项目的层次上还存在困惑, 而且不少高校比较避讳验证性实验的说法。严格来讲, 大学物理实验均属验证性实验, 都是由学生通过实验验证或存在于实验教材, 或存在于一些文献中的一个或几个预期结果。因此, 多层次实验不是依据实验题目来划分, 同样一个实验, 不同教师讲授, 或同一教师的不同讲授方法与要求就可能改变该实验所属的层次。例如, 我们不能简单地说, 迈克耳逊干涉仪和真空实验哪一个属于基本实验, 哪一个属于综合性实验。以迈克耳逊实验为例, 在测量内容上, 既可以测量某一激光器的波长, 也可以校准某一机械轴承的螺距, 还可以测量透明介质的折射率或长度;在干涉条纹的观测上, 既可以通过人眼观察, 也可以通过C C D来观测, 还可以通过光电探测器结合示波器测量。所以, 在实验项目的建设上, 不应片面追求大型设备的购买, 而应充分挖掘基本性实验的内涵, 调动学生的主动性与兴趣, 真正培养学生的分析与解决问题的能力。

1.2 实行全方位开放式物理实验教学

开放式教学, 不只是实验时间和空间的开放, 更重要的是教学内容、教学方法、教学手段上的开放, 观念意识上的开放。这种教学模式能满足学生求知、探索和创新的欲望, 侧重创新精神与能力的培养。

教学内容的开放:在必修课中引人选修机制, 使教学内容有弹性, 满足不同学科、不同专业、不同层次学生的要求。除开设各学科学生必须完成的实验外, 同时开设同样数量的选做实验。选做实验可让学生根据自己的专业、能力和志趣自由选做, 因材施教, 充分调动学生学习的主动性和积极性。

教学管理的开放:让学生根据各自的教学要求自主地选择实验项目、时间和指导教师, 实现实验预约。这样, 学生可以自由选择实验时间、自主选择实验项目, 给学生学习以充分自主权, 加大对学生设计能力和动手能力的培养力度。

2 紧密联系生活应用和生产实践, 将物理实验融入探究教学理论背景中

在传统的实验教学中, 难以激发他们独立思考的兴趣和激情, 致使学生感到物理实验不仅单调而且没有多大用处。因此, 学生对普通物理实验兴趣不高。究其原因, 很大程度上不是学生的过错, 而与实验仪器设计、实验内容、教学方法缺乏吸引力有关。要提高实验教学质量, 首先要提高学生的学习兴趣, 拓宽学生的思维, 使学生乐于在实验中积极探索, 这就需要我们给学生创造一个不断探索的途径和向上发展的空间。

2.1 与现代日常生活相联系进行实验探究

有许多经典的物理实验, 方法非常巧妙, 虽然实验内容有些陈旧, 但对学生动脑、动手能力的锻炼有着非常积极的作用, 应该保留。而要提高学生的学习兴趣, 就要把这些实验与相关的新知识、新的科技成果结合起来, 并将实验内容尽量与日常生活相联系, 激发学生的参与热情, 使他们乐于在实验中开动脑筋, 主动探索。如惠斯登电桥测电阻实验是“比较法”的典型应用, “比较法”是物理实验常用的六种实验方法之一, 也是要求学生必须掌握的实验方法。但学生对电阻的测量并不感兴趣, 做完实验后, 仅仅知道了用这样的电路可以测电阻, 认为在今后的工作和学习中可能根本用不上。因此, 实验中缺乏积极性和主动性。而当我们把数字温度计的设计与制作引入该实验中时, 学生马上就对本实验有了研究的兴趣。学生为了设计好温度计, 把该实验研究得非常透彻, 使原本较枯燥的实验充满了乐趣, 达到了让学生自己动手探索、深刻理解和掌握本实验原理与物理思想的目的。

2.2 改造经典实验项目, 使之适合于探究教学, 体现创新意识

在每个基本实验和某些综合实验的基础上扩展一个或多个内容相关的小型设计性实验, 留出思维空间, 让学生在已有的基础上进行实验设计, 使传统实验体现创新意识, 同时又巩固了对基本实验的掌握。

例如将“电炉丝电阻率测量”作为一个设计性教学实验开设, 实验任务是要求学生测出从商店购买来的电炉丝的电阻率.实验关键是测螺旋弯曲的电阻丝长度和电阻.长度如何测量?学生必须思考.若通过测密度来间接测量长度, 则方法有五六种.测电阻的方法也有五六种.哪种方法最佳?各种方法都可以试验, 要比较分析.学生对这类设计性实验很欢迎.好的设计性实验对培养学生独立实践能力、开拓思维、巩固已学知识都是有益的。

2.3 与科技的发展和工程实际相衔接, 寻找探究课题进行探究

大学物理实验是一门综合性、基础性很强的实践课程, 物理实验中的许多方法不断地被移植、应用到科学研究与工程实践中。所以在选择探究教学内容时, 应适当增加应用性和综合性的实验内容。这样不仅可以提高学生的学习兴趣, 而且可以锻炼他们的实践能力。

例如:大学物理实验中的经典内容之霍尔效应, 其原理已被广泛应用在各种磁场测量装置及工业传感器中。在选择探究教学内容时, 可在霍尔效应经典实验的基础上, 选择“用霍尔元件测地磁场”、“用霍尔传感器设计制作数字高斯计”等综合性、应用性与设计性的内容。拓展学生的视野, 激发学生的学习动机。

再如:利用气垫导轨验证牛顿第二定律实验中, 将加速度的测定放到力电一体化实验中加以体现.在这个实验中不但侧定了一个单频振动的加速度, 还要实现加速度、速度和位移三个物理量之间的转换, 这正是现场生产单位广泛使用的振动在线监测技术。

2.4 转化具有典型物理意义的工程实验

选择一些具有典型物理意义的工程实验, 将其转化为具有基础实验教学功能的实验。如用一种先进的偏光干涉的方法测量高压实验, 学生通过做实验, 不仅学到了物理实验的原理和方法, 而且可以体会它们在工程实际中的应用。

众多工程实用的技术, 都应用了不同领域的物理学原理, 并通过巧妙地设计, 完成了预定的功能, 它们是科学家和工程技术人员智慧的结晶。在设计性实验中, 应安排一些与现代工程技术相关的实验内容, 让学生选做, 也可以鼓励学生自己去寻找具有实用价值的设计课题, 帮助学生树立设计理念, 培养分析解决实际问题的能力。

例如:应变是在工程实践中经常测量的物理量, 比如飞机制造、建筑工程、水利工程等领域, 它是评判设计的可行性和工程的安全性的重要参数。但应变的数量级一般较小, 一般情况下用到的单位为微应变, 为此人们开发出了多种应变传感器, 钢弦应变传感器就是其中的一种。它是一种把非电量转化为电量的传感元件。在钢弦应变传感器的内部, 有一根以两端座为支点的张紧钢弦、一个永久磁铁、一个感应线圈分别与钢弦垂直地固定在钢弦两边, 其中感应线圈将输入的测试脉冲转化为磁性激振力以激发钢弦产生单向振动, 再将钢弦因单向激振切割永久磁铁磁力线所产生的交流信号输出给处理电路, 求得其振动频率。测量时将钢弦两端的支点固定于被测构件上, 构件发生微小变形时, 钢弦随构件同时发生变形, 其振动频率发生改变。这样通过对钢弦振动产生的电信号频率的测量, 就可以得到钢弦及其附着的构件的应变。将这类实验引入大学物理实验课程, 可在锻炼学生思维能力的同时综合考察机械振动、电磁学、示波器的使用等知识点。

3 物理实验教学中引入现代化的教学手段

3.1 建立仿真物理实验室

仿真实验通过计算机网络把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体, 形成了一部活的、可操作的物理实验教科书, 扩大了物理实验的空间, 打破了教与学、理论与实验、课内与课外的界限。它作为一种理想的教学环境的创设工具, 学生自主学习的认知和情趣激励工具, 可充分调动学生主动学习的积极性。通过计算机仿真实验, 学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解, 可以达到实际实验难以达到的效果, 实现培养动手能力, 学习实验技能, 深化物理知识的目的。

3.2 建立物理实验教学网站, 实行网络化教学

网络教学特别是网络多媒体教学是教育领域新兴的一个重要教育模式, 它是网络和多媒体教学的结合产物, 是多媒体教学充分利用网络进行传播的一种方式。网络多媒体教学不但是提高教学效益的实用及高效的手段, 而且在整个教学过程中对学生素质的提高也有着深远的影响。在实验教学中, 以网络为载体, 积极开发网络资源, 使得网络这一现代化的教育资源在实验室的管理、实验室的开放式教学、学生学习的积极性提高和能力素质的培养等方面发挥作用。