大學物理實驗緒論課教學內容與方法改革探析

劉 璐 李端勇 張 昱 余雪里 祝 丹

（武漢工程大學湖北省物理實驗教學示范中心 湖北 武漢 430205）

1 引言

物理學是自然科學的基礎學科，也是一門實驗科學，物理實驗是其中的重要組成部分.大學物理實驗在高等學校是理工科學生必修的課程，是對大學生進行科學基礎訓練的重要實驗環節，是學習或從事科學研究的起步.而學習好大學物理實驗是從實驗緒論課開始，緒論課的教學內容和方法直接影響到學生對物理實驗的興趣、認知和探索.本文結合教學經驗對緒論課的教學內容與方式進行了以下的改革探析.

2 激發超越榜樣學生的興趣

我校大學物理實驗是學生在大學一年級第二學期開始學習，和基礎化學類實驗同步，是學生學習的第一個操作性質的課程.首次進入大學實驗室，那么毋庸置疑，首先必須讓學生明白實驗室的規定、實驗成績的評定等學生關心的實際問題，但這種嚴肅的說教一般不得超過10min，就馬上切換到請學生觀看有人物的極美風景照，并通過PPT講解這個照片的背景人物，是他們往屆不遠的學長，現在在外國求學，是一個不但成績優異，而且人品超贊、真正品學兼優的學霸，老師們都保留了他（她）過往學習的片段，至現在仍有聯系.這樣便立即提起了學生極大的圍觀興趣，這時候及時向學生分享該榜樣學生對物理實驗的認識，并結合教材向學生作如下的講解.

2.1 實驗室規定

進實驗室學生衣著必須得體，手機須靜音或關機；課堂采取考勤制，提前15min到實驗室刷卡，遲到扣分，曠課零分；檢查預習報告并簽字，記入報告成績；沒有預習報告不得操作實驗儀器，實驗獨立完成，獲取實驗數據二份，一份交老師簽字留存，一份帶回去進行數據處理；實驗儀器歸零或關閉，桌面保持整潔之后才視為實驗結束；隔周同一時間集中收齊交實驗報告.

2.2 課業任務

開設2個學期，每學期完成10個實驗，每個實驗都要完成包含有實驗目的、實驗原理、實驗步驟、數據記錄及處理、思考題的實驗報告.學生還可以根據興趣申請做設計性、創新性實驗.每學期結束之前以班級為單位抽簽實驗項目進行考試.

2.3 實驗成績評定標準

學生的到課情況、實驗操作情況以及實驗報告完成情況記入平時成績，10個實驗的成績為平時的平均成績，占70%，抽簽考試成績占30%.學生上交報告和成績上網查詢間隔一周時間，批閱的報告及時發放給學生，以便學生明白評定情況、改正錯誤.

以上講解有效地避免了高而冷的說教，有故事地傳遞了有規則的信息，現場看到有學生頓時將自己的腳從桌子框架上拿下踩放到地面上，實驗結束了自覺地將坐凳放回原位，飲品、紙張等與實驗裝置無關的物品帶出實驗室，最后離開實驗室的學生像榜樣學生一樣主動地關窗關電.良好的操行是實驗課程的最好開端，為以后培養學生嚴肅認真的科學態度和實事求是的科學精神，提高學生的科學素質打下了基礎.

3 誤差理論和數據處理的基礎知識講解

誤差理論和數據處理的基礎知識是緒論課的精華，包含的實驗科學知識有：有效數字、誤差的基本概念、不確定度的基本概念、直接測量結果與不確定度的估算、間接測量結果與不確定度的關系、數據處理的常用方法、常用儀器的儀器誤差等.通過觀察教學效果，知道學生對這種大一統的教學內容講解缺乏聽課的耐心，喜好在遇到具體問題時再鉆研，那么教師就要改變傳統的教學方法，簡介教學內容，向學生介紹知識結構，讓學生掌握最相關的知識點的同時拋磚引玉，激發學生學習物理實驗的興趣.

3.1 活化應用數學知識增強對物理量的認識

物理實驗中從緒論課開始都有復雜的公式推導，這讓基礎薄弱的學生有畏難情緒，基礎好的學生也是不會靈活應用.解決這個問題，決不能采用“就湯下面”式的教學，而是要將知識劃開式地引導，讓學生達到聽后有悟性，取得思維打開的效果.比如開始可以講速度對時間的求導是加速度這個容易讓人理解的數學活化應用，繼而講到極限與偏差，全微分與誤差傳遞，不求深入，但求有全新的理解，讓學生知道原來是這樣，數學和物理緊密相連，數學不是孤立的，可以幫助我們理解物理概念，物理公式推導也不是晦澀難懂的，點到為止，給學生留下回味，使學生在以后的學習中盡量不生搬硬套，體會到知識活用不是口號，舉一反三也不是難以企及，很多物理量的表示也能那么實際易懂.

3.2 不確定度基本概念的認識

不確定度概念是非常重要的概念，但學生容易一知半解，似乎懂了，但在以后的實驗中又容易忽視，在對某一物理量表示時常常需要教師的提醒，所以在緒論課中對這個概念引入并且掌握尤為重要.我們可以從目測某學生的身高開始，把真值、誤差、不確定度生動地講明白.首先講這位學生的身高是一個真值，客觀存在，但是不易獲得，我們通過目測可以表示一個范圍出來，也就是有誤差，有不能肯定的程度，就有不確定度，那么可靠程度就在一個區間里，如果我們在測量物理量或求得物理量時，在比較精密的測量儀器下相比目測更能體現物理量的不確定性，只是借助工具的區間表示范圍會更小，更準確.通過這樣講解，學生更容易理解，更容易把知識點串起來，收到的教學效果也就很明顯.

3.3 舉例講解與學生共同完成有代表性的數字表達式

盡管在緒論課教學中教師不斷從提高學生對物理實驗的認識、興趣、方法上培養學生創新思維，但學生對測量誤差、不確定度及數據處理的基礎知識還沒有全面掌握，將導致學生在以后實驗中不能正確測量和處理實驗數據，也不能合理計算所得結果，更不能得到接近真值的實驗數據，所以教師選擇有代表性的數字表達式舉例講解與學生共同完成這一教學環節特別重要.結合典型數字表達式講解數值的舍入修約規則、有效數字的計算規則、有效數字和位數與不確定度的密切關系等，請學生分別上來做題，計算，判斷正誤，寫出正確答案，因針對性極強，從而使學生掌握以下幾點：

（1）怎樣確定需要保留的有效數字和位數.

（2）有效數字在加減法運算中，結果最后一位與參與運算的各測量值中尾數位最高的（絕對誤差最大的）取齊［1］.

（3）在乘除運算中，積或商的有效數字位數與參與運算的各數中位數最小的數相同［1］.

（4）一般情況下，x的自然對數lnx尾數部分的位數與x的有效數字位數相同［1］.

（5）不確定度的表示實際上是一定概率下的置信區間，采取“只進不舍”的入舍修約規則，平均值的有效數字最后一位應與不確定度確定的最后一位在同一數量級上保持一致［1］.

4 常用儀器工具介紹

物理實驗是一門操作性的課程，實驗中涉及到力、熱、電、光各領域的儀器設備，在緒論課中不可能把這些都介紹完，而且介紹一遍教學效果也很不好.通常考慮是在各個實驗科目中學習掌握相關儀器設備的操作取得的效果將更好，但是在下一個實驗科目開始前，教師在緒論課有必要教會學生使用涉及到的常用儀器工具，比如萬用表的使用，游標卡尺如何讀數，儀器水平調節等，這些不論在教學上還是工程實踐中以及在生活中都可能會用到的常用物的使用學習掌握，使學生有一個基本面的獲得感，對以后學生由淺入深地使用儀器設備有一個良好的開端.

5 結語

大學物理實驗的目的是讓學生獲得基本的實驗知識，在實驗方法、實驗技能和實驗數據處理等方面受到較為嚴格的訓練.為此，緒論課的地位就顯得十分重要.激發現屆學生超越往屆榜樣學生的動力可以達到培養學生有良好操行的效果，誤差理論和數據處理的基礎知識講解，讓學生掌握最相關的知識點的同時拋磚引玉，激發學生學習物理實驗的興趣，常用儀器工具介紹不僅教會了學生使用基本的儀器、工具，還增強了學生面對復雜線路時躍躍欲試的信心，通過上述教學過程，進一步提高了緒論課的教學質量，收到了良好的教學效果.

1 李端勇，張昱.大學物理實驗.北京：科學出版社，2014.06，9～28