综合设计性物理实验的开发与实践

2022-09-10

根据现代物理实验科学教育的发展规律和认知规律, 结合教学实践, 对综合设计性物理实验的开发进行了研究, 在原有实验科目基础上, 对物理实验教学进行改革和创新, 提高了综合设计性实验和研究创新性实验的比例, 特别是在现有的实验条件下, 加大了自主开发综合设计性实验的力度, 取得了初步成果。

1 开发综合设计性实验的原则

1.1 综合设计性实验的界定

综合设计性实验的综合性首先是指实验内容的综合性和涉及到物理知识的广泛性, 其次是指所用实验方法的整合性和实验手段的多元性;设计性则体现了学生的参与度, 因此在开发和实施综合设计性实验时应遵循一些必要的原则。

1.2 综合设计性实验的原则

(1) 实验内容的综合性。大学物理实验是公共基础性实验, 实验, 相对于专业课实验, 旨在培养学生对综合知识的理解能力和独立实验能力, 因此, 综合设计性实验内容一般应涉及大学物理课程的知识综合, 具体能将二个及以上的知识点有机结合。 (2) 实验方法的整合性。为科学、快捷、准确地达到实验目的和要求, 把两种或两种以上的基本实验方法整合在同一个实验科目, 培养学生综合运用不同的思维方式、不同的实验方法解决同一问题的综合实验能力。 (3) 实验手段的多元性:综合运用两种或两种以上的实验手段完成同一个实验, 培养学生, 通过不同的手段分析问题、解决问题的能力, 从不同的角度掌握各种实验技能。 (4) 实验项目和方案的创新性。在已有的物理知识和实验条件下, 创新性地开发新的实验科目和方案。可以是教师给定项目和方案, 学生独立设计实验步骤、自选或设计仪器设备并独立完成;可以是教师给定项目, 学生自行设计实验方案, 独立完成实验;也可以从选题到拟定实验方案、实验开展由学生全程独立完成。 (5) 实验资源的共享性。开发综合设计性实验应坚持在现有实验教学资源条件下, 开发新的合性物理综实验项目, 做到实验资源共享, 尽量避免购置新的实验设备。

2 开发综合设计性实验的目的

开发综合设计性实验的一个主要目的就是提高学生的科学实验能力。实验能力广义地讲是指在人为控制条件下进行观察和实验, 认识和发现自然界和物质变化规律的能力, 具体是指实验方案的设计能力, 实验操作能力, 推理、计算能力, 对数据分析处理以及对实验结论归纳总结、准确表述的能力等。要提高学生的实验能力, 在开发综合设计性实验是要注意一下几点:一要培养学生严谨的科学态度。二要培养学生的观察能力和质疑能力, 这也是学生创新的基础。实验题目的提出、方案的设计、实验的进行是学生对物理现象进行有目的的观察、质疑、验证、发现的过程。要注意引导观察的全面性、准确性和深刻性, 教给学生观察的方法。三要培养学生的操作能力, 特别是加强学生对故障的排除能力。放手让学生自己独立解决, 养成手脑并用、独立工作的习惯和能力以及进行科学实验的自觉意识。

3 开发综合设计性实验应避免的误区

开发综合设计性实验应避免一个误区就是通过高度集成化、自动化的实验仪器来实现对实验方法和手段的整合。前面提到, 综合设计性物理实验的综合是实验内容的综合, 以及如何设计实验方案来整合多种实验方法和手段, 但是这并不意味着所用实验仪器的高度集成化、自动化。

笔者在参观学习时发现有些综合设计性实验就存在这个问题。如《单缝夫朗和费衍射实验》, 有的实验室采购了一套光强自动记录仪配套一台计算机, 光强自动记录仪由位移传感器、计量光栅、光电转换器、A D/D A转换器实现对相对光强的测量和信号转换, 计算机通过实验软件来显示相对光强的分布和数据处理。采用这套设备非常快捷、准确地测量出单缝衍射图样的光强分布和相关数据的计算。尽管该实验综合了放大法、转换测量法等实验方法, 并实现了数字测量, 但是, 对学生而言主要的工作就是调节一下单缝的缝宽, 然后点击几个软件的按钮, 实验数据和曲线就可以打印出来, 谈不上设计, 更没法提高综合实验的能力、具体操作能力。

4 开发综合设计性实验的思路和实践

在实验教学中, 本单位开发了一些新的综合设计性物理实验项目, 进行了一些有益的探索。

4.1 资源共享, 以仪器设备为对象的综合设计

综合设计性实验的开发并不是一项理论很强、程序复杂的工作, 在对物理基础知识的理解的基础上, 充分利用现有的实验教学资源, 即可开发一下比较好的实验项目。例如前面提到的《单缝夫朗和费衍射实验》, 为提高各级衍射明纹相对光强的精度, 实现数字化测量, 利用C C D光电器件对光强分布进行实时测量, 所输出的信号由A/D数据采集卡采集, 采集卡与计算机总线连接, 并将数字数据直接读入计算机, 则光强分布数值和曲线通过计算机直接显示, 这样便把照射在C C D上光学图像转换成点信号“图像”, 利用C C D还可以避免杂散光的干扰, 提高了光电转换因子。