同一設計性實驗兩種教學模式的探索與實踐
——“望遠鏡、顯微鏡的設計與組裝”實驗的兩種教學模式比較

李 田 汪 濤 葉大梧 陶純匡

(重慶大學物理學院,重慶 400044)

同一設計性實驗兩種教學模式的探索與實踐
——“望遠鏡、顯微鏡的設計與組裝”實驗的兩種教學模式比較

李 田 汪 濤 葉大梧 陶純匡

(重慶大學物理學院,重慶 400044)

本文討論比較了“望遠鏡,顯微鏡的設計與組裝”實驗的兩種教學模式.指出,設計性實驗應充分調動學生的積極性,使他們在實驗原理,實驗內容,實驗方法等方面充分發揮主觀能動作用.經過設計性實驗的訓練,他們的實驗能力和分析問題的能力得到更大的提高.

設計性實驗;望遠鏡;顯微鏡

1 前言

自上個世紀幾十年以來,大學物理實驗加快了改革的步伐,在國內高校大學物理實驗中涌現了一批設計性實驗,這應該說是一大進步.但是由于當時并沒有一個指導性的文件闡明基礎課大學物理實驗的設計性實驗怎么定位,各校同仁的理解各不相同,因此設計性實驗項目及其內容五花八門.

一部分高校將原來的透鏡成像實驗提升為望遠鏡、顯微鏡的設計與組裝.由于“望遠鏡、顯微鏡的設計與組裝”實驗(以下簡稱“二鏡”實驗)具備較強的知識性、科學性、趣味性和實用性,教學內容有選擇性、多樣性和效果的可比性,因此對“二鏡”實驗至少在實驗前學生的熱情是高漲的,對該實驗具有一定期待.但由于大家對該實驗項目的認識不足,理解不深刻,準備也不充分,結果實驗后學生們很失落.學生普遍反映實驗中元件太少,根本沒有選擇的自由度,談不上設計(筆者及同事走訪了部分院校.發現該實驗組裝“二鏡”的元件太少,大部分高校都僅有3個凸透鏡.我們的情況稍好一點,也只有4個透鏡:3個凸透鏡,1個凹透鏡),課后仍然是完成實驗報告而非論文.于是,這個設計性實驗僅僅是名義上的設計性實驗,而實際上仍然是一個驗證性的基礎實驗.

這個被拔高的驗證性基礎實驗至少暴露了如下問題:

實驗設計者缺乏對設計性實驗中“設計性”一詞的深入理解,沒有解決設計性實驗與普通基礎實驗的真正區別是什么,在教學中應當有哪些與“設計性”有關的教學內涵與方法等.

由于上述原因導致實驗器材準備不充分(3個凸透鏡,一個作目鏡,一個作望遠物鏡,最后一個作顯微物鏡).學生完全沒有選擇元件參數的自由度,當然談不上設計,所謂“設計”僅體現在實驗項目名稱上而已.

另外,由于元件少,組裝出來的“二鏡”未考慮人眼的構造,人的個體差異和缺乏個性,必然實用性差,觀察起來極為不方便,無形中還助長了學生對科學問題馬馬虎虎、隨隨便便的態度與作風.實驗中缺乏了設計,論文寫什么?因此只有以普通實驗報告收場.

隨著教學改革的不斷深入,特別是《理工科非物理類專業大學物理實驗課程教學基本要求》頒布實施以來,大家對設計性實驗有了深入而全面的認識.我們也反省了自己的教學大綱和實驗項目,決定全面改造“二鏡”實驗,使之從文字意義的設計性實驗成為真正的設計性實驗并成為教師能施展因材施教教學方法的實驗項目;一個深受學生歡迎的設計性實驗.

2 真正意義下的設計性實驗的探索

1)實驗設計思路與目標:“二鏡”設計性實驗應以信息量相對較大、綜合性較強的設計性實驗內容和以啟發式的教學方法取代傳統的驗證性實驗.學生通過“二鏡”設計性實驗環節的鍛練,既可以學習到較為深入的光學知識,又可以發揮自己在實踐中的主動性,培養和提高自己的創新能力.另外,通過本實驗環節的鍛練和培養,學生還可學習對科學問題一絲不茍、精益求精的嚴謹態度和作風.

2)適當增加知識點:“二鏡”設計性課程的改革提高了“二鏡”實驗的實用性,這不可避免地增加了許多知識點,有些是教材沒有涉及到的.例如“瞳的概念”、“出瞳直徑”、“出瞳距離”、“視窗”、“人眼結構與目視效果”、“分辨率”等.其中以“出瞳距離”較為重要,學生在設計具有實用價值的“二鏡”實驗過程中必須掌握.舉例說明:

以下是三組物、目鏡配合,按公式 M=fo/fe都可以實現組裝放大率為20倍的望遠鏡:

但事實是:望遠鏡是目視光學儀器,最終要用人眼觀察,考慮到人眼的結構,人眼眼瞳到角膜頂點約4mm,目視光學儀器的瞳孔距一定要大于此值;再加上眼瞳到睫毛距約8mm,因此目鏡焦距應不小于10mm.同時,還要考慮學生有正常眼和近視眼以及觀察習慣,出瞳距離應該在12～30mm之間較好.因此按此要求,第一組物、目鏡數據配合中出瞳距小于12mm,組裝的望遠鏡顯然不能用于觀察,數據完全不能用;第三組數據出瞳距大于30mm,組裝的望遠鏡可以觀察但不方便(要找出瞳像才能獲得較大視場);而第二組數據出瞳距在12～30mm范圍內,符合人眼的結構要求,組裝的望遠鏡觀察起來方便,是我們可以選用的參數.由此我們看到,為了提高“二鏡”實驗實用性,必須拓展設計性實驗的知識點.

另外,實驗中我們提供了不同孔徑及焦距的透鏡有10個以上,學生在預習課程的時候會有相同放大率的幾組選擇,在實驗課設計中還會出現出瞳距的效果好壞及優化問題.

3)課程教學時間安排及要求

該實驗的學時數由原來的3學時改為6學時,即課前3學時(學生自查資料),課內3學時.實驗共分3階段進行:第1階段,教師提前告訴學生“二鏡課”實驗的教學內容安排與要求以及注意事項.課前學生自查資料,自學新知識,根據實驗室能提供的透鏡參數(事先提供透鏡參數)初步擬定設計方案;第2階段,課內學生提交設計方案,獲教師認可通過后學生就可領取透鏡進行“二鏡”設計與組裝的實施及實驗.有問題即時和教師討論解決.組裝的二鏡可在小范圍內進行效果好壞比較,體現效果的可比性,致使該實驗成為真正意義下的研究設計性實驗;第3階段,課后撰寫小論文(格式事前提供),字數在2500左右.

4)實驗儀器設備及器材的完善

為使實驗成為真正義意下的設計性實驗并具有好的實驗效果,我們還進行了如下實驗儀器設備及器材的改造和完善:

(1)每個實驗組(2人)配備孔徑、焦距 f各不相同的透鏡10個以上,供學生按設計方案選擇使用.增加透鏡的品種和數量,使學生能根據自己的理解、觀察習慣(如戴眼鏡觀察)和個性要求設計不同配組方案,在組裝時有較大的選擇自由度并實現設計方案的優化.

(2)與原實驗相比較,每個實驗組還增設了兩套實驗室自制的全反射鏡輔助光路.一套是在組裝望遠鏡時,將物像做二次反射;另一套是在組裝顯微鏡時,將標準尺度做二次反射,提供學生直觀快捷地對放大或顯微的像與原像或標準作比較.

(3)選配多種輸入物(縮微圖片或標本)和標準顯微鏡、望遠鏡(簡易型,主要用于與學生的實驗結果進行比較.

(4)為了使實驗器材與設計性實驗相適應,我們改進了原實驗所使用的照明系統,提供實驗室自制的LED照明系統從而改善以往該實驗中輸入物亮度不足、學生視覺易疲勞、讀數不準確等弊病,藉以提高學生的實驗效果與學習興趣.

5)加強教師自身建設及實驗教學方法的研究

教師的教學質量與教學方法是設計性實驗成敗的關鍵,為此我們進行了如下工作:

(1)加強教師的自身建設,增加知識儲備.

(2)加強實驗教學方法的研究,領悟因材施教的真蒂.教學指導中忌限制學生的思維,學生組裝的二鏡其效果學生在實驗結果的相互比較中自有定論.

(3)搞好各種教學觀摩課,教師間相互學習、切磋,共同提高.

3 嚴格意義的設計性實驗教學效果體驗

學生在該實驗中,面對啟發式的教學指導,面對眾多的光學透鏡和多種組合,按照自己的理解和構思設計并組裝4～10倍放大倍數的望遠鏡和30～100倍顯微鏡.學生完成該實驗后,普遍反映實驗內容豐富,完成實驗項目有一定的難度,具有挑戰性和吸引力.一句話,改進后的實驗真正具有研究與設計的意義,學生通過實驗可以鍛煉和培養自己的創新意識、創新精神和創新能力.

教師認為新的教學模式對教師是一個挑戰,也是教學活動的一個突破.原來面對眾多學生以同一種模式和方法照本宣科地授課,對學生成績的度量是實驗報告.現在改變了,教師必須加強自身建設,增加知識儲備,調動自己的知識把握能力,運用啟發式和因材施教的教學方法指導學生完成實驗,而對學生的評價則是通過全過程的表現、實驗結果以及論文綜合起來評分.

本實驗中教師用啟發式靈活變化的方法指導學生,在理論與實踐兩個方面結合起來綜合考察評價學生,教學活動的“教”與“學”得到有機的最佳統一.

4 為深化教學改革尋找到了一些可資借鑒的思路和方法

通過“二鏡”課改的實踐,嚴格意義的設計性實驗探索取得較好的效果.我們物理實驗中心在課改前期做了大量的準備工作,進行了專門研討,對可能出現的多種因素有一定的預見,在實際教學中出現的新情況也得到及時整改和完善.

總結“二鏡”課改的成功經驗,我們還為其他實驗課程的教學改革創新以及具體實施尋找到了一些可資借鑒的思路和方法.首先是,對實驗課教學方法深化改革的創新可行性要進行充分的研討,全面掌握該實驗項目的特點及課改的可操作性,盡可能預見到設計性實驗中會出現的新情況、新問題并設置應對措施;其次是,教學改革應該有學生參與.教學是教師和學生互動的過程,缺一不可.課改可先在小范圍嘗試,及時聽取學生的意見,不斷進行完善,總結經驗后再推廣到涉及面廣的大學物理實驗中去.

我們希望通過自己的積極努力,使更多的傳統實驗項目與現代教改相銜接,使其技術含量得到升華,在培養學生創新意識、創新精神和創新能力的教學實踐中煥發新的生命.

RESEARCH AND PRACTICE OF TWO DIFFERENT TEACHING MODE OF THE SAME DESIGNING EXPERIMENT

Li Tian Wang Tao Ye Dawu Tao Chunkuang
(College of Physics,Chongqing University,Chongqing 400044)

This paper has discussed and compared the two teaching modes of the design and install of telescope and microscope experiment.It has been pointed out that designing experiments could stimulate the students’motivation and make them fully exert subjective initiative on experiment principle,experiment content and experiment method.After the training of designing experiments,the experiment and analysis ability of the students have been improved greatly.

designing experiment;telescope;microscope

2010-07-15)

李田,女(1958年出生),實驗師,中心副主任,主要從事大學物理實驗教學及教學管理工作.