大學物理實驗創新與教學實踐初探

白亮

摘要：本文首先比較了國內外大學物理實驗教學的不同之處，認識到我國與國外先進教學理念、教學方法上存在的差距。然后詳述了上海工程技術大學的物理實驗創新方案，最后詳細介紹了將光譜儀引入創新性設計實驗的教學實踐案例。

關鍵詞：大學物理實驗；創新性設計實驗；光譜儀

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）08-0079-03

一、引言

現代科學技術的飛速發展以及社會的不斷進步要求現代教育也必須做出相應的改革，以現代教育的理念去指導教學實踐。教育就是對人的培養，人是教育的第一要素，也是教育的核心所在，因此一切教育活動都應該圍繞個人展開[1]。大學應該以學生為本，為學生提供良好的環境，教師不應該是知識的灌輸者，而應成為服務者，“授人以漁”，引導學生自主學習。而大學物理實驗與現代教育理念的結合具有得天獨厚的優勢，它最能體現學生的探究性與創造性。物理實驗的功能，除了測量和驗證，還有更重要的一點就是發現與探究。因此大學物理實驗的創新是高等教育發展的必然要求。

二、國內外大學物理實驗教學的比較

在國內傳統的大學物理實驗教學中，實驗課程的開展往往是教師根據實驗教材在實驗室里詳細講解實驗原理和實驗步驟，學生則照搬教師的講解進行實驗，很多情況下，學生做完實驗后對諸如實驗步驟為何這樣確定、實驗方法的依據何在等問題不甚明了。真正的實驗課程需要學生主動參與，包括主動尋求實驗原理和方法、設計實驗步驟、對實驗數據進行處理與反思，而這方面國內大學物理實驗教學卻較少要求。在歐美發達國家，實驗教學理論可以認為是一種合作學習理論，普通物理實驗是一種探究式實驗。大學物理實驗教學和大學物理課堂教學一般都是整合在大學物理課程之中的。如在MIT普通物理學課程中，學生按照3人一組進行分組，以學生自主學習為主，教師講解理論知識并指導學生實驗[2]。另外，教學方法、教學手段的多樣，例如哈佛大學的Home lab很有特色。發給學生一個實驗箱，里面有各種小工具，作為家庭作業可以帶回家去完成[3]。美國、德國的大學還開有許多根據高新科技設計的趣味性實驗，以增加學生的興趣[4，5]。哥倫比亞大學、麻省理工學院的“upper Division”實驗課，斯坦福大學、哈佛大學的“project”實驗課，注重為學生提供足夠的條件，由學生選擇實驗題目、擬定實驗方案、配置實驗設備、測量數據、分析結果、完成報告、對實驗的時間和最終結果不作硬性規定，學生可以根據自己的時間、能力及興趣來安排[1，6]。這類實驗強調的是研究、創新、探索未知世界的精神，這是物理實驗的根本任務和最終價值，也是物理實驗教學追求的崇高目標之一。

三、我校大學物理實驗的創新

上海工程技術大學基礎教學學院已經開始積極實施物理實驗教學改革。在實驗課程中，教師簡明扼要地講解實驗要求和實驗器材的使用注意事項，實驗中其他環節交由學生自己處理，而教師從整體上對教學進度進行控制。在物理實驗教學中根據不同性質的實驗合理應用啟發式、討論式、研究式等教學模式。在教學目標上，通過創新性物理實驗，訓練學生的科學探究能力以及各種實驗操作技巧，如提出假設、設計實驗過程、收集數據、作圖、推論以及反思批判思考等能力，拓寬其創造性思維，培養團隊精神。在教學過程中，教師先詳細介紹先進技術設備的應用前景，充分調動學生的學習積極性，再介紹相關的物理學原理。教師為學生提供基本的實驗理論的資料和設備說明書，并且加以說明和介紹，學生分組協作，研究資料和設備狀況后，先完成一些基本實驗內容，而后對實驗提出自己的意見，并與教師協商決定創新性設計實驗的具體課題內容，提出創新性實驗方案，然后組織實施方案，完成創新性實驗和報告。而教師對學生的評價主要看學生在實驗過程中的創新思維和創新點的實施情況。

四、創新性設計實驗的教學實踐

上海工程技術大學已經開設五十多種創新性設計實驗供學生選擇，在此僅舉一例說明我校創新性設計實驗的教學實踐情況。將光譜儀引入創新性設計實驗教學，引導學生了解光譜儀的原理，熟悉其操作，并能熟練使用光譜儀進行測試，本實驗由學生組成2～3人小組，6學時完成。首先，老師為學生介紹光譜儀的應用范圍。光譜分析在物理學、化學、生物等基礎學科以及冶金、地質、機械、化工、農業、環保、食品、醫藥等領域有著極其廣泛的應用。光譜儀作為光譜分析中的檢測儀器在實際工業生產及科研活動中有極其廣泛的應用。正因為如此，我們才將光譜儀引入創新性設計實驗中。采用多媒體教學，可以利用互聯網隨時查找相關資料。第二步，在充分調動起學生的積極性后，向學生介紹光譜儀的構造及其物理原理。本實驗室的光譜儀如圖1所示，由激發光源系統、分光系統、樣品檢測系統、數據采集及處理系統與軟件系統和計算機系統組成。光源系統為氙燈光源，光譜范圍200nm～1800nm。作為核心部件的單色儀（分光系統）采用光柵分光，而多光柵塔臺設計，更好地發揮了儀器覆蓋UV-VIS-IR全波段光譜范圍的優勢，并可根據需要更加靈活地選擇。檢測系統由單色儀和探測器組成，探測器使用光電倍增管，工作波長185nm～650nm。數據采集系統采用單光子計數器，“單光子計數技術”是利用在弱光下光電倍增管輸出信號自然離散化的特點，采用精密的脈沖幅度甄別技術和數字計數技術，把淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。這里，重點講解的是光柵及其分光原理，其余儀器原理由學生在老師的指導下自己查閱。第三步，老師提供儀器設備及軟件說明書，實驗小組討論研究儀器的使用，并進行簡單實驗，如檢測汞燈的特征光譜。學生熟悉光譜儀操作后，再與老師討論提出創新性設計實驗的實驗方案。我們根據此套光譜儀的特點提出了測量物質熒光光譜的實驗方案，最后完成實驗和報告。

本文對比了國內外在大學物理實驗教學的不同之處，詳細介紹了國外大學在教學理念、教學方式方法、教學內容等多方面的先進經驗。提出我們需要逐步改變物理實驗教學的現狀，盡快建立更科學的物理實驗教學體系。并且詳述了上海工程技術大學物理實驗教學創新改革和教學實踐的經驗。我們在實驗教學的開放性、如何激發學生學習興趣、如何引導學生利用先進儀器進行科研等方面還有待進一步提高，物理實驗教學體系還有待進一步完善。

參考文獻：

[1]楊德廣.高等教育學概論[M].上海：華東師范大學出版社，2011：45-47.

[2]毛康宇.國內外大學物理實驗教學的比較研究[C].碩士學位論文，2008：31-35.

[3]沈元華.美國大學物理實驗教學考察報告[J].實驗室研究與探索，2001，20（1）：89-92.

[4]沈元華.訪德報告J].物理實驗，2000，13（2）：71-73.

[5]樂永康.德國大學物理實驗教學情況介紹[J].物理實驗，2000，21（3）：44.

[6]王小力.美國大學物理實驗教學特色分析[J].大學物理實驗，2000，13（2）：71-73.