大學物理實驗教學的整體改革

李登峰,周 平

(重慶郵電大學物理實驗中心,重慶 400065)

隨著科學技術的迅猛發展,新的實驗技術和實驗手段不斷涌現,教學對象的綜合素質也提高了,實驗教學理念、教學體系、教學方法和考核辦法等都需要相應的改革[1]。目前普通高校的物理實驗室建設普遍存在 3個主要問題:一是經費長期緊缺,使得實驗測試手段和方法與科學技術發展嚴重脫節;二是實驗教學雖獨立排課,但實際上往往從屬于理論教學,是對教科書上已有的基本物理規律、定律的簡單重復,因而實驗結果的不確定性很低,缺少探究過程;三是雖然購買了一些較先進的實驗儀器,但新實驗項目未能與已有的實驗相融合,有的先進實驗儀器集成度太高,學生動手能力無法得到鍛煉,有的先進實驗儀器精度太高且易壞,學生只能觀察,等等。這些問題直接導制學生無興趣學,老師無興趣教。因此,大學物理實驗教學的各個環節都需要進行改革,使之遵循實驗教學的規律,系統培養學生對物理現象和規律的觀察、測量、分析和數據處理能力,對未知世界的探究能力,以及發現問題和解決問題能力。

一、更新教學觀念

大學物理實驗課的教學應充分發揮教師的主導作用,突出學生的主體地位。而在傳統的實驗教學中,大都是在實驗教師的講解指導中完成的,教師從實驗目的、實驗儀器、實驗原理、實驗步驟、數據處理直至操作技巧都一一傳授,學生只是機械地模仿,根本不可能培養學生的思維能力和動手能力,更不能期望學生對出現的各種實驗現象和得到的一些實驗結果進行思考、分析和解決問題,達不到素質教育的目的。因此,實驗教學應該讓學生獨立完成,讓他們成為真正的主人,教師只是給學生適當的點撥、引導和啟發。為此必須注意兩個環節[2]:

首先,實驗預習的把關。實驗預習是實驗過程中非常重要的環節,不是抄襲實驗教材或講義,讓學生認識到充分預習是做好實驗的前提,實驗預習的質量將直接影響到實驗的開展和學生能力的提高。要達到預習目標:熟悉與實驗有關的理論知識,明確實驗目的、原理和步驟,掌握儀器結構、使用方法、讀數方法及操作程序,弄清實驗的設計思想,能預測實驗現象和實驗結果,并完成實驗預習報告。為了掌握學生對本實驗理解情況,教師必須對預習效果進行檢驗,利用實驗預作系統,讓學生在網上完成實驗預作和相應的思考題后,才有資格進入實驗室;在實驗操作開始之前,教師針對該實驗的原理和重點部分進行提問,允許學生進行討論,把提問的結果納入實驗成績考核體系。

其次,實驗操作的引導。正確的引導可以保證實驗順利地進行,發揮學生主體作用。教師在講解完實驗的注意事項以后,只需要巡回指導,及時糾正學生不正確的實驗操作習慣,對實驗中出現的錯誤、遇到的故障和存在的問題要有針對性地給予個別啟發和點撥,引導學生充分認識并解決一些實驗現象,真正保證學生獨立完成實驗的各個環節,培養團隊合作精神,善于捕捉不同尋常的實驗現象并力求給予合理的解釋。

二、重構教學體系

很多高校都認識到了原有的實驗教學體系過分依賴理論知識、驗證性實驗偏多等問題,從而進行了各種改革。我們在“強化基礎訓練,著力提高能力,實現綜合培養”的實踐教學總體改革思路下,以人才培養為根本,以能力培養為主線,面向我校相關專業重構并完善以綜合、設計和研究創新為主的實驗教學體系。

(一)預備性實驗

預備性實驗是指學生在進入實驗室之前對相關實驗原理、實驗現象和儀器設備有充分的認識,了解相關實驗原理在實際生活中的應用,以便更好地在實驗室完成實驗,提高實驗教學質量。預備性實驗主要由物理實驗導學系統和預做系統組成。導學系統包含導學軟件、導學硬件和物理實驗資源庫,實現計算機信息化,擁有更多的圖片和動畫,包括實驗的視頻。預做系統把相關實驗過程、實驗現象、實驗結果和實驗注意事項展現出來,便于學生掌握整個實驗流程。

(二)基礎性實驗

基礎性實驗是基礎物理實驗課程的基礎性實驗項目,屬于必做實驗,主要包括基本物理量的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能的訓練、基本實驗分析方法和測量方法、誤差分析等涉及力、熱、聲、光、電和近代物理等不同層面和水平的各個知識點,使學生掌握物理實驗的基本知識、基本方法和基本技能,養成良好的實驗習慣,使之具備從事科學實驗的基本素質。

(三)綜合性實驗

綜合性實驗注重各學科特色和特點,綜合多學科知識和多種儀器、多種測量方法等,重視培養學生綜合利用知識、處理信息、分析問題和解決問題的能力。綜合性實驗內容的深度、廣度和實驗方法的難度均高于基礎性實驗,采取必做和選做相結合的方式,與學生所學專業息息相關的實驗屬于必做部分,對自己感興趣的其余實驗項目可以進行一定數量的選做,在教師指導下由學生獨立完成實驗。

(四)設計性實驗[3]

設計性實驗教學以學生自主設計、獨立實驗為主,教師只起輔助性的指導作用。要求學生自由選題,綜合運用已學過的知識、儀器、方法、手段等,獨立地設計出能達到實驗預期目的的、可行的實驗方案,教師負責審查設計方案的物理思想和方案的可行性。學生獨立完成一次比較完整的實驗過程。并得出合理的實驗結果。充分發揮學生在實驗中的積極性和主動性,培養學生綜合運用實驗手段能力和獨立實驗能力。設計性實驗不僅是對基礎性實驗和綜合性實驗學習成效的檢驗,還要為創新性實驗打好堅實的基礎,因此在教學的各個環節中都要嚴格把關,落到實處。設計型實驗項目流程如圖 1所示。

(五)研究創新性實驗

研究創新性實驗教學目的主要是引導學生進行獨立思考,激發學生的創新激情和創新靈感,增強學生的創新意識和創新思維,提高學生處理復雜問題的能力和創新能力,培養學生嚴謹的科學態度和樂于合作、善于合作的團隊精神。實驗內容反映了教師的科研水平和特色,把教師課題中的部分研究內容移植到實驗室中變為研究創新性實驗,根據學生的興趣,采用導師制方式,雙向選擇。學生從指導教師處得到實驗課題后,從查閱資料、研讀文獻、鉆研有關理論開始,學生先提出自己的實驗研究方案,經與指導教師研討后,開始實驗研究,最后以科技論文的格式寫出綜合研究報告。

圖1 設計型實驗項目流程圖

三、注重因材施教[4-5]

在本、專科大學和綜合性大學的理工科專業基本上都開設有普通物理實驗課程,有些學校的文科專業為了培養學生的物理思維也把它設為了選修課程。顯然,學生的基礎有很大的差異,如果都按照原來的同一教學模式,難免就會出現有些學生“吃不飽”而激不起學習興趣,有的學生“吃不消”而失去學習興趣,這樣很難調動學生的學習積極性和主動性。因此,要因材施教,對不同水平的學生應有不同的要求、不同的標準。大學物理實驗中的基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗和研究創新性實驗都應具有很多實驗項目可供學生選擇,實驗項目不僅體現實驗的難易性,而且體現學生的專業性。讓基礎好的學生可以選擇較難的實驗項目,還可以選做不是本專業方向所開設的實驗項目。教師可以要求學生不僅知道“應該怎么做”,還應該知道“為什么這么做”,進一步啟發學生思考“還能怎么做”,試圖使學生懂得如何去研究物理問題,把著眼點放在培養學生如何用實驗方法去解決問題,為以后從事物理學研究奠定基礎,而且提供他們更多的動手動腦的平臺,如讓他們參加課外科技活動小組等。對基礎差的和文科類的學生則著重培養他們規范操作能力,使他們養成良好的實驗習慣,啟發他們多思考,動手與動腦相結合,學會發現問題并解決問題。

四、推進課外科技活動開展[6]

讓學生參加課外科技活動是培養學生實踐和創新能力的有效途徑之一。把課堂拉到課外,是對教學的有力補充,充分利用實驗室特有的設備資源,為基礎好的學生營造一個能夠充分動手實踐,發揮他們的想象力、思維能力和創新能力,體現團隊合作精神的健康環境。科技活動可從 3個方面來進行。

(一)維修實驗儀器

維修實驗儀器有助于學生認識這些儀器的機械機構、電路結構或光學結構,通過故障現象來分析判斷故障的原因,學會自己動手去排除故障,在維修過程中逐步熟悉常用工具的使用方法和操作技巧,也培養了學生分析問題和解決問題的能力。

(二)制作小型的教學儀器

學生在制作教學儀器的過程中,一定要去查一些相關方面的資料,讓他的知識面更廣,而且也鍛煉了思維力、想象力以及篩選有用資料的能力。每當一個設計思路出來后,要求教師和幾個同學一起來討論它的可行性,這有利于培養學生們的合作意識,而且親自制作成功的教學儀器會讓學生體驗到成就感,讓他們對物理實驗的興趣大增。

(三)開發新實驗

可由基礎好的學生在教師的帶領下完成,一般分為兩類來實現:把科研成果濃縮轉化為物理實驗和引進國外的一些典型實驗。將科研成果濃縮轉化為物理實驗有不少好處:一是選題新穎,能夠培養學生創新素質,增強科研意識;二是不但能使學生親自參與實驗儀器的制作,還能將前沿科學、新技術及時傳授給學生,這類題目能啟迪學生創新思維,拓展想象空間,增強學生對實驗的興趣;三是開發成功的實驗可以納入以后的物理實驗中去,這有助于教學內容的更新。國外一些大學的物理實驗構思巧妙,內容新穎,物理思想豐富,綜合性強,在力學、熱學、電磁學、光學之間沒有嚴格的界限,值得引進。

[1] 張學軍,王鎖萍.全面改革實驗教學 培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索,2005(1):4.

[2] 姚橙.提高大學物理實驗課教學效率的研究與探索[J].實驗室科學,2010(3):31.

[3] 賀梅英,章國英,金丹青,等.設計型物理實驗的研究開發與思考[J].實驗室科學,2009(4):81.

[4] 魏山城,任玉珍,韓書儉.改革實驗教學方法促進學生對實驗的興趣[J].實驗室研究與探索,2005 (3):60.

[5] 隗群梅.改變物理實驗教學方法培養高素質創新性人才[J].大學物理實驗,2009(1):107.

[6] 張萍,李學慧,劉軍,等.開展課外科技活動,培養實踐能力和創新能力[J].大學物理實驗,2003(2):89.

(責任編輯 魏艷君)