創新思維在大學物理實驗中的初步探索與實踐

◆陳虹

作者：陳虹，昆明理工大學理學院工程師，研究方向為實驗物理與光電子技術（650063）。

理工科大學物理實驗課，是對學生進行科學實驗基礎訓練的重要必修課和實踐性教學環節。通過物理實驗，使學生在實驗過程中驗證、加深對物理知識規律的理解掌握，在實驗方法、實驗技能和實驗數據處理等方面受到系統和嚴格的訓練，培養學生分析解決問題的思維能力和動手能力。物理實驗課在引導學生將來從事科學研究起著潛移默化的催化作用，在培養學生活躍的創新意識，理論聯系實際，成為適應社會科技發展的智能型、開拓型人才等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用。因此，教好物理實驗課是大學實驗教師需要認真探索的問題。

長期以來，物理實驗沿用傳統的實驗教學手段，實驗教學模式固定，教學內容陳舊，實驗設備破損失修，多年不變的教學體系和教學內容與當今飛速發展的前沿科學新理論、新技術嚴重脫節，很難激發學生的物理實驗興趣。學生習慣于中學階段依賴教師，很少獨立思考，還受應試教育的影響極少動手實驗。教師講解實驗目的、原理、儀器、步驟、要求等，學生只會按照教師講述的內容機械地重復實驗，測量數據，驗證結果，教師按部就班完成實驗課了事。實驗課僅僅是物理規律認證、課堂知識驗證的過程。這種教學模式、方法、手段遠遠落后于科學技術進步的步伐，難于適應社會對人才知識結構和科學素質越來越高的要求。

為了改變這種狀況，近年來各理工科高校都結合自己的實際對大學物理實驗課教學改革進行了理論研究和實踐探索[1]。創新是素質教育的核心，培養創新人才是決定國家競爭力的關鍵。筆者從事實驗教學二十多年，深知改革的必要和迫切，以創新觀念對實驗課教師在物理實驗中的作用進行重新審視，做了有益的探索與實踐，取到初步成效。

1 實驗教師作用的再認識

一直以來，高校實驗室往往被列為“教輔”部門，實驗教師被視為“教輔”人員，課堂教學與實驗課的分列、教學與科研的分離，這樣“約定俗成”的定位以及大學教師身份的分化，極大地制約了實驗教師的主動性和創造性，阻礙了物理實驗的改革創新。

筆者認為，要改變目前的種種現狀，就要重新認識實驗教師的地位作用，改善教師發展制度、評價標準，重構教學與科研的關系。實驗教師應變被動為主動，變輔助為主導，充分調動實驗教師的學習積極性，利用各種機會參與科研，及時掌握相關物理理論在當今科學技術領域的新發展以及工程技術領域的新應用；不斷努力提升自身教學科研水平，投入實驗創新過程，脫離輔助被動地位，煥發創新使命感，成為研究型、創新型物理教師、教育科研型人才。

2 創新意識從環境開始

D.K.Nachtigall指出：“物理教師的任務應該是啟發學生的好奇心，發展他們的智力和創造力。”創造一種富有探索和創造性的學習環境，激發學生物理實驗興趣，引導學生積極主動地觀察和思考，培育科學思維方法和主動探索精神是物理教師的首要任務。通過調查，百分之六七十的入學新生對大學物理實驗是好奇的，尤其對力學、光學、電學感興趣，有迫切探索大學新知識的欲望。并且當代學生危機意識感強，希望在大學里鍛煉自己的動手能力和科研能力，也希望鍛煉自己的設計創新能力，表現出了造就自己成為畢業求職就業所需要的高技能人才的強烈愿望。因此，首先為學生營造一個安靜、整潔的實驗環境和充滿探索精神的科學氛圍，在實驗大樓的走廊兩邊布置了獲得諾貝爾獎的費米、賴爾、居里、倫琴、塞格雷、約瑟夫森、楊振寧、李政道等數十位物理學家的科學成就展欄，讓學生帶著崇敬的心情走進神圣的科學殿堂，了解科學家研究創造的過程和科學獻身精神，體會到科學成就來自于無數次的實驗，激勵學習熱情，啟發創新意識。

同樣在各個專題實驗室里，實驗原理、物理規律展示清晰，一目了然，維護完善的實驗設備儀器擺放有序，體現出科學、整潔、美觀。除此之外，額外配備一些電子元器件，提供擴展實驗條件。素質的培養不僅在于教育，更依靠環境的熏陶。實驗創新著眼于從物理規律之間的聯系出發設計問題，創造合適的條件，引導學生獨立思考、合理猜想、發現樂趣，激發鉆研動力，提高物理實驗興趣，激勵學生個性發展。

3 創新思維在于引導啟發

物理實驗的過程是實驗方法實施、實驗技能訓練的過程，需要嚴格要求步驟規范，以利于培養學生嚴謹的邏輯思維、嚴肅的治學態度、一絲不茍的科學素養。要求學生在實驗現場儀器設備的位置規范，連接線整齊有序，做完實驗各種部件歸放復原，有條理有次序，善觀察勤思考，訓練未來工程師的優良風格和技術素質。為減少電學實驗儀器接線亂串，開關經常斷線的問題，教師動手改變原來的開關結構，設計發明“一種下接線式實驗用單刀雙擲開關”[1]，改進欠操作性的實驗裝置，降低了儀器設備的損壞率，優化了實驗過程，獲得更好的實驗效果。并且以此為例講解，把發明思路、改進設計過程與學生探討交流，啟發引導學生的創新思維，鼓勵熟悉掌握創新方法。

同時在實驗課中增加趣味性、體驗性，把實驗原理與實際生產應用結合，實驗內容與生活運用聯系，延伸實驗意義，發展擴散思維。例如，在“壓力傳感器研究”實驗中，通過傳感器上加載不同質量的砝碼，測量相應的輸出電壓V，用逐差法求出傳感器平均靈敏度S，從而手工計算得出重量W=V/S的實驗結果。這個實驗的原理如何應用到生活實際中？通過啟發，學生思維很快活躍起來，可以制作電子稱！那么如何進一步在實驗中實現電子稱呢？學生熱烈討論，要使原來顯示在傳感器特性數顯儀上的電壓值轉換為重量值W=V/S=KV（kg），電壓與重量的比例系數K完全可以通過分壓器實現。筆者隨即提供電位器，幫助學生在輸出電壓端設計連接分壓線路，用砝碼和電位器調節K值，最終在傳感器特性數顯儀上直接顯示出重量W值。這樣原來顯示0.01～0.99 mv的數顯儀變成了一臺顯示0.01～0.99 kg的電子稱。學生的手機、文具盒的重量紛紛顯示了出來，枯燥的實驗課變為快樂的創造過程，讓學生有了創新的體驗，思維更加開放，分析動手解決問題能力更強。深刻體會實驗并不僅僅是純理論驗證，還有技術的現實應用，科學的啟蒙。

4 創新能力來自于科研實踐

要給學生一杯水，教師就要準備一桶水。實驗課創新取決于教師的科學素養和創造才能。實驗室是教師結合教學深入科研的平臺，物理實驗課一線教師更有條件立足教學參與科研項目，有很大空間發展自己，教育與科研結合，在科研實踐中不斷歷練，提高自身技術水平和創新能力，在物理實驗課的改革創新中提高實力、增加動力。

教師主動爭取參加各種有關學術會議、論壇，開拓視野，與同行討論交流，吸收先進實驗教學經驗，拓寬知識面，知識結構得到調整和更新。近幾年來，筆者就參與了國家基金課題“數字全息纖維實時超分辨技術的研究”，進行相關實驗和數據的分析；參與“銀電解陽極鑄造新工藝及設備開發”項目，負責控制部分實驗研究。這些科研實踐的鍛煉，使筆者的學術水平和創造能力得到較大提升，在實驗創新中有所展現和發揮。

利用現有設備儀器，構思研究開發新實驗，節省經費，彌補設備不足，也是實驗創新的發展。為使學生深入理解及掌握互感現象及互感器，筆者在“示波器的使用”實驗基礎上，專門設計了一個“用示波器研究互感現象”的實驗[2]，拓展儀器實驗應用范圍；從實際出發鉆研儀器原理，分析儀器結構線路，大膽改進原有實驗，在“用霍爾元件測量通電螺線管磁場”的實驗中改進結構，發明設計“一種暗接線式螺線管磁場實驗儀”[3]，解決引線外露容易短路燒壞霍爾元件和影響實驗數據穩定性的問題；對“雙臂電橋測電阻”實驗中所用儀器剖析分解，發明制作出“一種雙臂電橋測電阻實驗用組合電阻盒”[4]，將實驗用多個電阻組合置于盒子內，通過統一的兩個出端及連接線與雙臂電橋相連，由多檔選擇開關來實現電阻組的變換。既改進充實實驗內容及設備，增強實驗效果，又在一定程度上減少損耗，節約了實驗儀器設備的資金投入。

在發明設計過程中，實驗教師對實驗設備的改進及技術創新也是科研的實踐，在實施新型實驗教學方式中積極探索，技術實力及創新潛能得到充分挖掘和發揮。

5 實驗管理創新有助于教學質量提升

傳統的實驗管理側重儀器設備的使用，要求管好用好，定期保養維護，而在儀器出現故障的情況下，多是由生產單位返修。隨著高等教育新時期大發展，學生數量劇增，實驗儀器使用頻率相應增加，故障、破損增多，影響實驗課正常進行，難于保證教學質量，實驗教師任務艱巨而繁瑣。作為實驗管理的直接參與者和具體的實施者，筆者進行了一些大膽的實踐探索，更新完善實驗教學管理模式，對實驗過程監控、跟蹤，進行技術手段、管理方法創新。

實驗教師不僅要上好實驗課，還要熟悉儀器的原理結構，提高動手維護修理技能，做到能“管”會“理”：管設備、管學生、管過程，會處理、會整理、會修理。首先對全部實驗使用的儀器設備狀況做到心中有數，日常檢查維修與定期維修結合，形成常態。特別注意每節實驗課結束后，對實驗儀器設備使用情況進行及時檢查，分類造冊進行詳細記錄。注明損壞狀況，分析原因，制訂維修計劃，盡快處理維修。管理被動的狀況得到轉變，客觀上減少了實驗儀器設備的停機率，使實驗儀器設備劣化速度變慢，延長了實驗儀器設備的更新周期。

另一方面通過對大量實驗課的跟蹤調查，摸清實驗過程中儀器損壞的狀況和規律，掌握學生實驗中儀器設備容易出現的普遍問題和特殊、突發性損壞問題，為有效維修處理，設計準備好應急處置預案：一是調整配置一些備用儀器，一旦發生現場不能及時解決的故障可立即更換；二是針對性準備一些易損電子元器件，當場快速修復實驗中出問題儀器，保證實驗順利進行，如課前會焊接好很多備用接線柱和備用電位器，實驗中調壓損壞時及時更換；三是實驗教師課后對替換下來的故障儀器能夠動手修理或者及時安排維修處理。

最后更需要注重的方面是，經長期跟蹤、原因分析、原理剖析，發現故障屬設計缺陷所致的儀器設備，就要主動和生產廠家反饋溝通、交流探討，提供改進意見、設想方案，促使儀器設備得到改進完善，更適合高校學生高頻率使用的實驗狀況，提高儀器設備的可靠性，降低故障率。

在改革實驗成績評價體系中，更新教學理念，完善成績評定標準，既考核對理論知識理解、基本實驗技能表現，又考察學生在實驗中的創新能力、數據處理結論的邏輯思考，從管理各方面促進教學質量的提升。

實踐證明：多年來在創新思維指導改進下的實驗教學，促進了學生創新意識的培育，加強了教學與科研的有機結合，教師的學術水平、科研素質得到提高，實驗教學的管理水平提升，整體提高了實驗教學質量。有了創新思維，投入精力越多，越有成效，方法點子越多，實驗效果和質量越好，為更好地培育適應科技發展的綜合應用創新人才做了有益的探索實踐。

[1]陳虹，張雄，張瑾.一種下接線式實驗用單刀雙擲開關[P].[2009-2-25].中國專利：CN200820081182.X.

[2]陳虹.用示波器研究互感現象[J].昆明冶金高等專科學校學報，2001(4)：58-61.

[3]陳虹，龔玉蘭.一種暗接線式螺線管磁場實驗儀[P].[2011-7-27].中國專利：CN201020691215.X.

[4]陳虹，許大丹.一種雙臂電橋測電阻實驗用組合電阻盒[P].[2005-1-19].中國專利：CN 200320104772.X.