“一體兩翼”的物理實驗教學模式的探究

張 萍 宋金璠 鄭長波

(南陽師范學院物理與電子工程學院,河南南陽 473061)

“一體兩翼”的物理實驗教學模式的探究

張 萍 宋金璠 鄭長波

(南陽師范學院物理與電子工程學院,河南南陽 473061)

從培養高水平創新型人才的教育目標出發,結合我校實際,闡述了改革物理實驗教學體系、教學方法及手段的建設思路和措施.實踐表明,充分挖掘經典實驗項目的創新性、設計性同樣能提高創新型人才的培養效果.

創新能力;物理實驗教學;教學體系;技能訓練平臺

引言

在我國物理教育中不同類型的高校有著不同的分工,在人才培養上存在差異化和層次性,其實驗教學質量工程的建設也應有不同的定位和分工[1].經過近幾年的國家實驗示范中心的創建過程,現代先進的教學理念被普遍接受,與之相應的“分層次、模塊化”的實驗課程體系也逐步建立.然而在重新整合實驗題目和內容的過程中,過分強調創新性、綜合性、分層次,而忽略了基礎性、物理性、系統性,使所有高校都有了同一種教學理念“創新”、同一種教學體系“分層次”、同一種教學模式“開放”.作為基礎物理實驗教學,就課程內容而言其教學本質是通識教育,全國各個高校物理實驗課程所開設的實驗選題都經歷過歷史的考驗,并被證實是培養學生各種能力的好題目,其教學體系內容也很完善,經典實驗往往就是革命性的實驗,如許多諾貝爾物理獎實驗,這些實驗實際上包含了不少創新精神和創新點.

通過學習和借鑒兄弟院校的先進經驗,結合我校的人才培養目標,把我們的物理實驗教學改革歸納定位為:“加強基礎、發展能力、突出創新”,提出了以改革物理實驗課程教學模式作為“一體”,以實踐創新、平臺擴展作為“兩翼”的發展方向(圖1),其中“一體”是培養創新型人才的基礎,“兩翼”是特色,“一體”促進“兩翼”發展,“兩翼”為“一體”服務.由于我校地處經濟欠發達地區,無法和國內許多知名大學相比,經費短缺,科研薄弱,對現在所要求的設計性、創新性實驗選題,我們著眼于踏踏實實、充分挖掘已有的實驗項目的創新性、設計性、研究性,對課程體系、教學模式、教學內容、教學方法深入改革,堅持好物理實驗教學的基礎性,保持好物理實驗教學豐富的物理內涵,完善物理實驗教學寬廣的內容體系,逐步形成了物理實驗教學現代化新格局.

圖 1

1 深化物理實驗教學體系改革

1.1 緊貼科學前沿,更新教學內容

為滿足不同專業、不同層次學生在不同階段學習的需要,2006年建立了新的物理實驗教學體系:打破了傳統的物理實驗教學按力、熱、電、光進行劃分的教學體系,變孤立實驗為以比較、聯系、發展為特征的認識和實踐過程,建立了物理實驗循序漸進的階梯式教學模式,分級、分層次的教學體系.新實驗教學體系的組成部分為:基本實驗、綜合性實驗、設計性實驗、研究型實驗等,形成了從低到高、從基礎到前沿、從接受知識到培養創新能力,逐級提高的一、二、三、四級物理實驗教學新體系.每一級的實驗大致用一個學期的時間完成,不同的級別標志著不同實驗技能和科學思維水平.這樣,物理實驗課不再是課堂教學內容的簡單重復和驗證,而是培養學生獨立自主、探索求新的綜合實踐模式[2].

1.2 實施充滿活力的教學方法

1)設計豐富新穎的實驗方案

(1)“利用同一儀器設計多種實驗”.分光計(光學測角儀)是用來精確測量入射光和出射光偏轉角度的一種儀器,用它可以測量物體的折射率、色散本領、光波波長、光柵常數等物理量[2].分光計的調整和棱鏡折射率的測定是大學普通物理實驗必設的一個實驗項目,實驗內容比較經典,隨著物理光學方面的一系列理論和實驗研究的不斷完善和光電檢測技術的不斷發展,我們增加了一個新的實驗內容——關于表面等離子體共振的新型綜合實驗平臺.學時數由原來的6學時增加到9學時,學生利用實驗室開放時間,通過自己閱讀實驗講義熟悉分光計的調整方法,自行到實驗室學習分光計的調整和使用,然后在此基礎上,分3次分別完成棱鏡折射率的測定、用透射光柵測波長和采用表面等離子體共振技術測量不同濃度蔗糖溶液的折射率對SPR傳感器共振角的關系.最后部分的實驗采用的光源是波長為655nm的半導體激光器,自制硅光電池放大電路作為檢測元件,利用分光計的轉盤來精確地改變入射光的入射角度,自行組裝角度指示型的SPR傳感器綜合實驗裝置.這一實驗表明將表面等離子體共振理論引入到普通物理實驗中,學生能更好地了解消失波的概念、表面等離子體共振現象及電介質折射率對共振角的影響等[4].

(2)“用不同儀器或方法完成同一目的的實驗”.如分別采用邁克耳孫干涉儀法、光柵衍射法、激光散斑照相法、等色譜法等測定光波波長;又如在光學材料折射率的綜合測量實驗中,要求學生設計多種方法進行折射率測量有:最小偏向角法、掠入射法、全反射法、位移法、邁克耳孫干涉儀法、夫瑯禾費雙縫干涉法、偏振法等.

(3)“對比性實驗”.創新的根本內涵是超越以往,也就是說在新舊事物、方法的交替中才能體現出創新.因此通過一定量的對比性實驗,可以有效地培養學生的創新能力,把最理想的實驗結果放在后面,以體現出思維和科學技術的進步.例如“測量衍射光強分布實驗”中,先采用傳統的測量方法即用絲桿帶動光電池(或光電二極管),用靈敏電流計順次逐點測出各處的光電流,繪出其光強分布曲線,進而得出相對光強和相對光強分布規律.再采用高精度的光柵傳感器測量位移,用硅光電池測量光強,因而可精確測出衍射光強的分布,全部數據采集和處理由計算機控制,提高了測量精度,所得測量結果與理論公式計算結果符合較好.前述方法測量原理易懂、測量簡單、但誤差大,后者使學生掌握計算機程控技術在科研中的實際應用,體會現代技術手段的準確、快速和高效[5].

學生們在完成這些實驗后深有感觸地說:“這樣做實驗,能學到真本事.”

2)探索多種教學模式[6]

(1)“問題式講解”教學方法.傳統的教學模式是以教師為主體進行機械的填鴨式、灌注式教學,學生“照單抓藥”進行機械性地操作,按部就班完成實驗全過程.我校從2007年開始取消普通物理實驗課前的講解和演示,學生進入實驗室后,依照實驗講義,可以直接開始動手實驗,在實驗過程中遇到棘手的問題再請老師講解.教師在課堂中巡視并解答學生的問題,若發現學生中普遍存在的問題,則會在講臺上集中講解一次[7].教師的作用不是“教會”,而是引導啟發學生,促進學生學會解決具體問題的方法、程序和步驟.如在電學實驗中,不限制學生使用何種電路完成要求的實驗內容,不同量程的電表、實驗元件擺放在公共區,學生根據自己的設計思路選取元件完成實驗內容.學生最初接觸這種授課方式時,表現出明顯的不適應,總是翻看實驗講義很久后才開始試探性連接電路,實驗每完成一小步,都要小心翼翼地找老師確認是否合格、是否可以進行下一步實驗,在經過一段時間課程訓練后,學生的自主能力得到了很大的提高.這種教學模式,鼓勵學生“從做中學”,即在“做”的過程中學習,通過“做”達到了“學”的目的,經過思考而領悟道理.

(2)“討論式解疑”教學方法.在實驗過程中,發現學生在走彎路或遇到挫折時,我們不會立即指出并加以糾正,而是換一種教學方法,針對學生在實驗過程中所遇到的問題,進行集體討論,發掘問題的癥結所在,不勉強學生接受他人的觀點,希望學生按自己的思路和方法進行實驗,有時小小的失敗可能帶給他們的是更大的收獲,這樣更加開闊了他們的思維,提高了他們的實踐能力,讓他們用研究的心態來做實驗.在實驗過程中注意給學生營造一個平等、活躍的學習氣氛,以表揚鼓勵為主,充分調動學生的學習積極性,保護他們的學習興趣和創造能力,多與學生交流,把握學生的心理,因材施教,發掘每一個學生學習和創造的潛能,提高他們的實踐能力及創新能力.

(3)“競賽強化式”教學方法.主要是針對有一定難度且工作量較大的研究型層次的實驗.在實驗教學過程中提出一些研究性的題目供學生討論和研究,要求學生2～4人一組,學生需要討論、分析各種可能性,設計并實現多個實驗方案以檢驗其分析判斷的合理性與正確性.我們要求每一位同學均需撰寫個人報告,每個小組需要提供總的研究報告.為提高競爭性,我們嘗試兩個小組做一個題目.同一題目的兩個小組先后進行口頭報告,并對報告進行辯論.通過這種方法,使學生體會從文獻調研,方案設計,報告撰寫與發布等科研流程,初步積累科研經驗,同時,學生在對話和傾聽中,明白了對同一問題也可以有不同的解釋,有助于學生各自經驗和優勢的發揮,促使復雜任務的完成.鍛煉學生團隊合作能力.例如:我校根據學生的專業、理論基礎、實驗動手能力的不同,對于電子專業的學生,題目測重于物理電子學知識,如“設計恒溫控制器”、“路燈節能控制”等題目,對于物理學專業的學生,要求學生偏重物理理論知識的理解與應用,如“疊柵條紋和CCD用于位移和角度的測量”、“激光束的特性研究”、“光敏電阻基本特性的測量”等題目.通過幾年的教學實踐,使學生的潛能和聰明才智得到了充分發揮,親自體會科學研究所帶來的啟迪和成功后的喜悅.其中有的題目已經獲得學校的實驗教學改革立項的資助,有的題目已作為本科的畢業設計題目完成.

1.3 物理實驗課程成績評定方法

物理實驗的考核應當能真實地反映出學生的實驗水平和實驗素質,我校在實驗課程考核過程中,學生的每個實驗項目的成績由預習成績、操作成績和實驗報告成績3部分組成,由教師根據基本的評分標準自行掌握.加做實驗、分析討論優秀、有創新想法,可酌情加5～15分,注重知識、能力、素質的全面考核.

2 搭建開放式的技能訓練平臺

2.1 開展學術研討,培養學生的創新思維方式

進行專題科學報告,舉辦各種類型的研討班和兄弟院校進行經驗交流,以及不定期的學術講座是我們培養學生創新思維的手段之一,通過這類活動的開展,學習他人的先進經驗,了解、掌握當今科學技術發展的現狀,在實驗內容上引入邊緣學科、前沿學科和交叉學科,讓科研進課堂、進教材.在此基礎上,還不定期地對學生開展問卷調查,了解學生的思想動態、興趣點,了解他們對物理實驗教學的意見和建議,從而提高實驗教學的水平.

2.2 拓展學科知識,加強工程實踐訓練

為進一步提高學生的實踐能力,將理論知識應用于實踐,我們利用南陽市的光電產業在全國具有優勢地位的有利條件,和中光學集團、利達光電公司、二膠廠等企業聯合共建實驗基地,一方面組織學生分期分批到基地進行實習,通過現場教學既增強學生的動手能力,又加強了學生對理論知識的理解和鞏固;另一方面可以充分發揮實驗教學基地的自身的設備優勢,協助生產單位進行科技攻關,提高產品質量,開發創新產品,提升企業發展的后勁,助推企業的發展,實現了我們服務地方經濟的人才培養目標[8].

3 結語

通過近幾年的教學改革與實踐,學生的動手能力和綜合素質得到了普遍提高,在3年的實驗操作考試中,優秀率達90.2%,各用人單位也普遍反映學生動手能力強,綜合素質高,特別是考上研究生的學生,在復試的實驗技能考核中,97%的學生都能獲高分,深受導師的好評.在目前大學生普遍就業形勢不佳的形勢下,我院物理學教育專業的學生就業率達100%.

[1] 譚平.地方高校應用型人才工程實踐能力的培養[J].實驗室研究與探索,2009,28(5):93～96

[2] 金思姬,郭立群,王怡等.物理實驗課程體系教學內容的改革與實踐[J].大學物理實驗,2008,21(4):105～107

[3] 隋成華,林國成.大學基礎物理實驗教程[M].北京:北京出版社,2007.119～125

[4] 郭守月,單士軍,鄧靈福.SPR傳感器測量液體折射率的原理[J].物理實驗,2006,26(11):39～42

[5] 張萍,鄭長波.用光柵式位移傳感器測量衍射光強分布[J].物理實驗,2004,24(5):10～12

[6] 何為,張占龍.綜合性大學立體式電工電子實驗教學模式[J].實驗室研究與探索,2009,28(7):85～87

[7] 王崢,王文文,徐平.法國工程師培養模式物理實驗教學的特點與啟示[J].實驗室研究與探索,2009,28(4):149～150

[8] 呂英波,楊田林,王愛芳等.建設特色鮮明的實驗教學過渡期中心[J].實驗室研究與探索,2009,28(8):101～103

2009-06-04;

2009-11-24)

河南省高等教育教學改革研究項目(2009SJGLX244).

張萍,(1967年出生),女,漢,浙江麗水人,實驗師,本科學歷,主要從事物理實驗教學和實驗室管理工作.