創(chuàng)新思維在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的初步探索與實(shí)踐

◆陳虹

作者：陳虹，昆明理工大學(xué)理學(xué)院工程師，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)物理與光電子技術(shù)（650063）。

理工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練的重要必修課和實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中驗(yàn)證、加深對(duì)物理知識(shí)規(guī)律的理解掌握，在實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等方面受到系統(tǒng)和嚴(yán)格的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題的思維能力和動(dòng)手能力。物理實(shí)驗(yàn)課在引導(dǎo)學(xué)生將來(lái)從事科學(xué)研究起著潛移默化的催化作用，在培養(yǎng)學(xué)生活躍的創(chuàng)新意識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，成為適應(yīng)社會(huì)科技發(fā)展的智能型、開(kāi)拓型人才等方面具有其他實(shí)踐類課程不可替代的作用。因此，教好物理實(shí)驗(yàn)課是大學(xué)實(shí)驗(yàn)教師需要認(rèn)真探索的問(wèn)題。

長(zhǎng)期以來(lái)，物理實(shí)驗(yàn)沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式固定，教學(xué)內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)設(shè)備破損失修，多年不變的教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容與當(dāng)今飛速發(fā)展的前沿科學(xué)新理論、新技術(shù)嚴(yán)重脫節(jié)，很難激發(fā)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)興趣。學(xué)生習(xí)慣于中學(xué)階段依賴教師，很少獨(dú)立思考，還受應(yīng)試教育的影響極少動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。教師講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼x器、步驟、要求等，學(xué)生只會(huì)按照教師講述的內(nèi)容機(jī)械地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證結(jié)果，教師按部就班完成實(shí)驗(yàn)課了事。實(shí)驗(yàn)課僅僅是物理規(guī)律認(rèn)證、課堂知識(shí)驗(yàn)證的過(guò)程。這種教學(xué)模式、方法、手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的步伐，難于適應(yīng)社會(huì)對(duì)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和科學(xué)素質(zhì)越來(lái)越高的要求。

為了改變這種狀況，近年來(lái)各理工科高校都結(jié)合自己的實(shí)際對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革進(jìn)行了理論研究和實(shí)踐探索[1]。創(chuàng)新是素質(zhì)教育的核心，培養(yǎng)創(chuàng)新人才是決定國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。筆者從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)二十多年，深知改革的必要和迫切，以創(chuàng)新觀念對(duì)實(shí)驗(yàn)課教師在物理實(shí)驗(yàn)中的作用進(jìn)行重新審視，做了有益的探索與實(shí)踐，取到初步成效。

1 實(shí)驗(yàn)教師作用的再認(rèn)識(shí)

一直以來(lái)，高校實(shí)驗(yàn)室往往被列為“教輔”部門(mén)，實(shí)驗(yàn)教師被視為“教輔”人員，課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課的分列、教學(xué)與科研的分離，這樣“約定俗成”的定位以及大學(xué)教師身份的分化，極大地制約了實(shí)驗(yàn)教師的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，阻礙了物理實(shí)驗(yàn)的改革創(chuàng)新。

筆者認(rèn)為，要改變目前的種種現(xiàn)狀，就要重新認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)教師的地位作用，改善教師發(fā)展制度、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，重構(gòu)教學(xué)與科研的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)變被動(dòng)為主動(dòng)，變輔助為主導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教師的學(xué)習(xí)積極性，利用各種機(jī)會(huì)參與科研，及時(shí)掌握相關(guān)物理理論在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的新發(fā)展以及工程技術(shù)領(lǐng)域的新應(yīng)用；不斷努力提升自身教學(xué)科研水平，投入實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新過(guò)程，脫離輔助被動(dòng)地位，煥發(fā)創(chuàng)新使命感，成為研究型、創(chuàng)新型物理教師、教育科研型人才。

2 創(chuàng)新意識(shí)從環(huán)境開(kāi)始

D.K.Nachtigall指出：“物理教師的任務(wù)應(yīng)該是啟發(fā)學(xué)生的好奇心，發(fā)展他們的智力和創(chuàng)造力。”創(chuàng)造一種富有探索和創(chuàng)造性的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地觀察和思考，培育科學(xué)思維方法和主動(dòng)探索精神是物理教師的首要任務(wù)。通過(guò)調(diào)查，百分之六七十的入學(xué)新生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是好奇的，尤其對(duì)力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)感興趣，有迫切探索大學(xué)新知識(shí)的欲望。并且當(dāng)代學(xué)生危機(jī)意識(shí)感強(qiáng)，希望在大學(xué)里鍛煉自己的動(dòng)手能力和科研能力，也希望鍛煉自己的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，表現(xiàn)出了造就自己成為畢業(yè)求職就業(yè)所需要的高技能人才的強(qiáng)烈愿望。因此，首先為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)安靜、整潔的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和充滿探索精神的科學(xué)氛圍，在實(shí)驗(yàn)大樓的走廊兩邊布置了獲得諾貝爾獎(jiǎng)的費(fèi)米、賴爾、居里、倫琴、塞格雷、約瑟夫森、楊振寧、李政道等數(shù)十位物理學(xué)家的科學(xué)成就展欄，讓學(xué)生帶著崇敬的心情走進(jìn)神圣的科學(xué)殿堂，了解科學(xué)家研究創(chuàng)造的過(guò)程和科學(xué)獻(xiàn)身精神，體會(huì)到科學(xué)成就來(lái)自于無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，激勵(lì)學(xué)習(xí)熱情，啟發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。

同樣在各個(gè)專題實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)驗(yàn)原理、物理規(guī)律展示清晰，一目了然，維護(hù)完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器擺放有序，體現(xiàn)出科學(xué)、整潔、美觀。除此之外，額外配備一些電子元器件，提供擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)條件。素質(zhì)的培養(yǎng)不僅在于教育，更依靠環(huán)境的熏陶。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新著眼于從物理規(guī)律之間的聯(lián)系出發(fā)設(shè)計(jì)問(wèn)題，創(chuàng)造合適的條件，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考、合理猜想、發(fā)現(xiàn)樂(lè)趣，激發(fā)鉆研動(dòng)力，提高物理實(shí)驗(yàn)興趣，激勵(lì)學(xué)生個(gè)性發(fā)展。

3 創(chuàng)新思維在于引導(dǎo)啟發(fā)

物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是實(shí)驗(yàn)方法實(shí)施、實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的過(guò)程，需要嚴(yán)格要求步驟規(guī)范，以利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S、嚴(yán)肅的治學(xué)態(tài)度、一絲不茍的科學(xué)素養(yǎng)。要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器設(shè)備的位置規(guī)范，連接線整齊有序，做完實(shí)驗(yàn)各種部件歸放復(fù)原，有條理有次序，善觀察勤思考，訓(xùn)練未來(lái)工程師的優(yōu)良風(fēng)格和技術(shù)素質(zhì)。為減少電學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器接線亂串，開(kāi)關(guān)經(jīng)常斷線的問(wèn)題，教師動(dòng)手改變?cè)瓉?lái)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)發(fā)明“一種下接線式實(shí)驗(yàn)用單刀雙擲開(kāi)關(guān)”[1]，改進(jìn)欠操作性的實(shí)驗(yàn)裝置，降低了儀器設(shè)備的損壞率，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。并且以此為例講解，把發(fā)明思路、改進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程與學(xué)生探討交流，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新思維，鼓勵(lì)熟悉掌握創(chuàng)新方法。

同時(shí)在實(shí)驗(yàn)課中增加趣味性、體驗(yàn)性，把實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與生活運(yùn)用聯(lián)系，延伸實(shí)驗(yàn)意義，發(fā)展擴(kuò)散思維。例如，在“壓力傳感器研究”實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)傳感器上加載不同質(zhì)量的砝碼，測(cè)量相應(yīng)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(jì)算得出重量W=V/S的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理如何應(yīng)用到生活實(shí)際中？通過(guò)啟發(fā)，學(xué)生思維很快活躍起來(lái)，可以制作電子稱！那么如何進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)電子稱呢？學(xué)生熱烈討論，要使原來(lái)顯示在傳感器特性數(shù)顯儀上的電壓值轉(zhuǎn)換為重量值W=V/S=KV（kg），電壓與重量的比例系數(shù)K完全可以通過(guò)分壓器實(shí)現(xiàn)。筆者隨即提供電位器，幫助學(xué)生在輸出電壓端設(shè)計(jì)連接分壓線路，用砝碼和電位器調(diào)節(jié)K值，最終在傳感器特性數(shù)顯儀上直接顯示出重量W值。這樣原來(lái)顯示0.01～0.99 mv的數(shù)顯儀變成了一臺(tái)顯示0.01～0.99 kg的電子稱。學(xué)生的手機(jī)、文具盒的重量紛紛顯示了出來(lái)，枯燥的實(shí)驗(yàn)課變?yōu)榭鞓?lè)的創(chuàng)造過(guò)程，讓學(xué)生有了創(chuàng)新的體驗(yàn)，思維更加開(kāi)放，分析動(dòng)手解決問(wèn)題能力更強(qiáng)。深刻體會(huì)實(shí)驗(yàn)并不僅僅是純理論驗(yàn)證，還有技術(shù)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，科學(xué)的啟蒙。

4 創(chuàng)新能力來(lái)自于科研實(shí)踐

要給學(xué)生一杯水，教師就要準(zhǔn)備一桶水。實(shí)驗(yàn)課創(chuàng)新取決于教師的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)造才能。實(shí)驗(yàn)室是教師結(jié)合教學(xué)深入科研的平臺(tái)，物理實(shí)驗(yàn)課一線教師更有條件立足教學(xué)參與科研項(xiàng)目，有很大空間發(fā)展自己，教育與科研結(jié)合，在科研實(shí)踐中不斷歷練，提高自身技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，在物理實(shí)驗(yàn)課的改革創(chuàng)新中提高實(shí)力、增加動(dòng)力。

教師主動(dòng)爭(zhēng)取參加各種有關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議、論壇，開(kāi)拓視野，與同行討論交流，吸收先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，拓寬知識(shí)面，知識(shí)結(jié)構(gòu)得到調(diào)整和更新。近幾年來(lái)，筆者就參與了國(guó)家基金課題“數(shù)字全息纖維實(shí)時(shí)超分辨技術(shù)的研究”，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的分析；參與“銀電解陽(yáng)極鑄造新工藝及設(shè)備開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目，負(fù)責(zé)控制部分實(shí)驗(yàn)研究。這些科研實(shí)踐的鍛煉，使筆者的學(xué)術(shù)水平和創(chuàng)造能力得到較大提升，在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中有所展現(xiàn)和發(fā)揮。

利用現(xiàn)有設(shè)備儀器，構(gòu)思研究開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)，節(jié)省經(jīng)費(fèi)，彌補(bǔ)設(shè)備不足，也是實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的發(fā)展。為使學(xué)生深入理解及掌握互感現(xiàn)象及互感器，筆者在“示波器的使用”實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)“用示波器研究互感現(xiàn)象”的實(shí)驗(yàn)[2]，拓展儀器實(shí)驗(yàn)應(yīng)用范圍；從實(shí)際出發(fā)鉆研儀器原理，分析儀器結(jié)構(gòu)線路，大膽改進(jìn)原有實(shí)驗(yàn)，在“用霍爾元件測(cè)量通電螺線管磁場(chǎng)”的實(shí)驗(yàn)中改進(jìn)結(jié)構(gòu)，發(fā)明設(shè)計(jì)“一種暗接線式螺線管磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)儀”[3]，解決引線外露容易短路燒壞霍爾元件和影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的問(wèn)題；對(duì)“雙臂電橋測(cè)電阻”實(shí)驗(yàn)中所用儀器剖析分解，發(fā)明制作出“一種雙臂電橋測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)用組合電阻盒”[4]，將實(shí)驗(yàn)用多個(gè)電阻組合置于盒子內(nèi)，通過(guò)統(tǒng)一的兩個(gè)出端及連接線與雙臂電橋相連，由多檔選擇開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻組的變換。既改進(jìn)充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及設(shè)備，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，又在一定程度上減少損耗，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的資金投入。

在發(fā)明設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)及技術(shù)創(chuàng)新也是科研的實(shí)踐，在實(shí)施新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中積極探索，技術(shù)實(shí)力及創(chuàng)新潛能得到充分挖掘和發(fā)揮。

5 實(shí)驗(yàn)管理創(chuàng)新有助于教學(xué)質(zhì)量提升

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)管理側(cè)重儀器設(shè)備的使用，要求管好用好，定期保養(yǎng)維護(hù)，而在儀器出現(xiàn)故障的情況下，多是由生產(chǎn)單位返修。隨著高等教育新時(shí)期大發(fā)展，學(xué)生數(shù)量劇增，實(shí)驗(yàn)儀器使用頻率相應(yīng)增加，故障、破損增多，影響實(shí)驗(yàn)課正常進(jìn)行，難于保證教學(xué)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)教師任務(wù)艱巨而繁瑣。作為實(shí)驗(yàn)管理的直接參與者和具體的實(shí)施者，筆者進(jìn)行了一些大膽的實(shí)踐探索，更新完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控、跟蹤，進(jìn)行技術(shù)手段、管理方法創(chuàng)新。

實(shí)驗(yàn)教師不僅要上好實(shí)驗(yàn)課，還要熟悉儀器的原理結(jié)構(gòu)，提高動(dòng)手維護(hù)修理技能，做到能“管”會(huì)“理”：管設(shè)備、管學(xué)生、管過(guò)程，會(huì)處理、會(huì)整理、會(huì)修理。首先對(duì)全部實(shí)驗(yàn)使用的儀器設(shè)備狀況做到心中有數(shù)，日常檢查維修與定期維修結(jié)合，形成常態(tài)。特別注意每節(jié)實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備使用情況進(jìn)行及時(shí)檢查，分類造冊(cè)進(jìn)行詳細(xì)記錄。注明損壞狀況，分析原因，制訂維修計(jì)劃，盡快處理維修。管理被動(dòng)的狀況得到轉(zhuǎn)變，客觀上減少了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的停機(jī)率，使實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備劣化速度變慢，延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的更新周期。

另一方面通過(guò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)課的跟蹤調(diào)查，摸清實(shí)驗(yàn)過(guò)程中儀器損壞的狀況和規(guī)律，掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)中儀器設(shè)備容易出現(xiàn)的普遍問(wèn)題和特殊、突發(fā)性損壞問(wèn)題，為有效維修處理，設(shè)計(jì)準(zhǔn)備好應(yīng)急處置預(yù)案：一是調(diào)整配置一些備用儀器，一旦發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)不能及時(shí)解決的故障可立即更換；二是針對(duì)性準(zhǔn)備一些易損電子元器件，當(dāng)場(chǎng)快速修復(fù)實(shí)驗(yàn)中出問(wèn)題儀器，保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，如課前會(huì)焊接好很多備用接線柱和備用電位器，實(shí)驗(yàn)中調(diào)壓損壞時(shí)及時(shí)更換；三是實(shí)驗(yàn)教師課后對(duì)替換下來(lái)的故障儀器能夠動(dòng)手修理或者及時(shí)安排維修處理。

最后更需要注重的方面是，經(jīng)長(zhǎng)期跟蹤、原因分析、原理剖析，發(fā)現(xiàn)故障屬設(shè)計(jì)缺陷所致的儀器設(shè)備，就要主動(dòng)和生產(chǎn)廠家反饋溝通、交流探討，提供改進(jìn)意見(jiàn)、設(shè)想方案，促使儀器設(shè)備得到改進(jìn)完善，更適合高校學(xué)生高頻率使用的實(shí)驗(yàn)狀況，提高儀器設(shè)備的可靠性，降低故障率。

在改革實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系中，更新教學(xué)理念，完善成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，既考核對(duì)理論知識(shí)理解、基本實(shí)驗(yàn)技能表現(xiàn)，又考察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新能力、數(shù)據(jù)處理結(jié)論的邏輯思考，從管理各方面促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升。

實(shí)踐證明：多年來(lái)在創(chuàng)新思維指導(dǎo)改進(jìn)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培育，加強(qiáng)了教學(xué)與科研的有機(jī)結(jié)合，教師的學(xué)術(shù)水平、科研素質(zhì)得到提高，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的管理水平提升，整體提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。有了創(chuàng)新思維，投入精力越多，越有成效，方法點(diǎn)子越多，實(shí)驗(yàn)效果和質(zhì)量越好，為更好地培育適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用創(chuàng)新人才做了有益的探索實(shí)踐。

[1]陳虹，張雄，張瑾.一種下接線式實(shí)驗(yàn)用單刀雙擲開(kāi)關(guān)[P].[2009-2-25].中國(guó)專利：CN200820081182.X.

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

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[4]陳虹，許大丹.一種雙臂電橋測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)用組合電阻盒[P].[2005-1-19].中國(guó)專利：CN 200320104772.X.