創新物理實驗教學

摘 要：物理由于其學科的特殊性，需要大量的實驗進行輔助教學。隨著21世紀科技的快速發展，傳統的物理實驗教學已經不能滿足當前社會對高素質物理人才的要求。同時傳統物理實驗教學的教學方法和手段單一，難以滿足學生進行自主性和創造性學習的需求。因此，物理實驗教學的改革勢在必行，其宗旨就是為社會培養適應當代科技發展的高素質創新型物理人才。物理實驗教學改革應當借鑒當代最新教學思想和科技成果，運用高科技教學手段，如CAI、多媒體等，創建多元化的開放式的實驗教學模式。

關鍵詞：物理 實驗教學 改革創新

中圖分類號：G633 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）09（b）-0015-02

目前，高校物理實驗教學的改革已經取得了一定的成果。如中國科技大學“理科實驗教學培養學生創新思維創新能力的研究與實踐”項目組，以我國高等教育改革為基礎，對高等物理實驗教學進行了系統的改革，并且頗見成效。經過研究和發現，物理實驗改革的措施包括以下幾個方面。

1 發展教育技術，創新教學模式

長期以來，物理實驗教學一直是一個難題，在很大程度上限制了物理教學質量的提高以及教學改革的深化。究其原因，主要是由于物理實驗資源的匱乏所引起的。隨著時代的發展和科技的進步，創新型人才的需求對物理實驗教學也提出了更高的要求。傳統的物理教學都是以傳授物理知識為主，開設物理實驗為輔，不但限制了學生主動能動性的發揮，而且不利于學生創造思維和實踐能力的培養。然而單靠教學資源的補充是遠遠不夠的，還需要提高物理教育技術，創新教學實驗手段。20世紀90年代以來，信息技術的發展和網絡的普及，給物理實驗教學的改革帶來了新的契機，即物理虛擬實驗。它不但有效節約了物理實驗資源，同時，給學生的獨立學習提供了良好的條件。1996年，中國科技大學天文和應用物理系開發出世界上第一套仿真物理實驗教學軟件，并于1998年進行改進和完善，取得國際領先水平。1999年，該校又推出了《大學物理虛擬實驗》的Internet網遠程教學系統，使得更多的學生掌握和運用這一技術進行物理學習。物理虛擬實驗體現了當代物理教育技術的創新，對物理實驗教學的改革具有重要價值和意義，具體表現為：

（1）物理理論教學與實驗教學相結合。

傳統物理實驗教學受到教學設施以及課堂時間的限制，教師往往把理論教學和實驗教學分開進行，要么單純在教室上理論課，要么單純去實驗室做實驗，很難把二者結合起來。虛擬實驗教學改變了這種僵硬的教學模式，把理論教學、實驗設計、教師教學思路和實驗操作有機地結合起來，開創了全新的物理實驗教學模式。虛擬實驗教學軟件使教師和學生的所思所想都能很快地付諸行動，打破了傳統實驗教學時間和空間的限制。思想觀念的價值，在實踐中才能得到檢驗；同樣，物理學科知識的掌握，要在試驗運用中才能得到深化。

（2）利用CAI軟件教學，提高物理教學技術。

物理虛擬實驗教學運用網絡手段，實現了遠程實驗教學，突破了課堂教學的限制，推動了網絡教育的發展。虛擬實驗軟件還同時開設了“物理思想進化啟迪”Seminar課程—— 按照當代物理學的發展順序為主線，以各階段著名的物理實驗為例子，揭示各種物理現象的本質，加深學生的理解。同樣地，物理學科知識也是遵照從機械動力學到場與相對論再到量子觀這一發展順序編撰的。通過高仿真的物理模擬實驗，學生了解不同階段物理概念的革新和技術的創新，把握物理學向前發展的脈絡，能夠幫助學生培養獨立的物理思維和創新能力。此外，物理虛擬實驗教學開拓了CAI研究的新思路，帶動我國CAI模式的發展，對其他學科CAI建設也起到一定啟發作用。

（3）合理配置教學資源，提高教學質量。

在物理實驗教學中，有一些難度高的實驗不但操作復雜，而且還對實驗材料和環境要求極其嚴格，失敗率比較高。而虛擬實驗能夠大大改善這一狀況，提高實驗的成功率，降低資源消耗率。通過虛擬實驗、遠程教學以及實際試驗三者有機結合，學生能夠在課堂上反復進行實驗操作，并與教學內容相對照，加深理解。此外，教師還可以引導學生運用虛擬實驗軟件，創造性的設計出不同的實驗來驗證自己的觀點，提高學生學習興趣和積極性，從根本上提高物理實驗教學的質量。

2 建立物理實驗課程新體系，培養學生綜合素質

物理實驗課程按照層次的高低可以分為不同類型：科學小實踐、設計性實驗、綜合性實驗、基本實驗。其中基本實驗是最低層次，主要是接受知識的過程，屬于一級基礎物理實驗體系。綜合性實驗和設計性實驗屬于二、三級的物理實驗等級，從接受知識發展到運用知識創設實驗。最高級的是科學小實踐，指在實際中運用所學知識解決生活和學習中的問題。新型物理實驗課程體系更加注重培養學生的綜合能力，而非只是簡單的重復和驗證。不同級別的物理實驗代表著實驗技能發展水平是由低到高不斷進步的。每一級的物理實驗都需要一定的時間來學習和掌握，最終走向科學的高峰。

（1）基本實驗是普及實驗，能夠滿足理、工、文、商等各專業學生學習物理基礎知識的需求。它主要包括物理基礎知識和技能的訓練，基本測量方法以及對生活常見的物理現象的認識，如力、熱、電、光等。一級物理實驗是進行更高級物理實驗的基礎和前提，絮叨得到徹底的貫徹和全面的掌握。

（2）二、三級物理實驗的難度和復雜程度都大于基本物理實驗，但它們也更具趣味性，更能激發學生的學習興趣。同時，綜合性實驗和設計性實驗強調培養學生自主學習的能力。傳統物理實驗是由教師提前擺好實驗設備，準備好實驗所需的材料，學生只是單純的做實驗，往往對實驗原理卻不求甚解，背離了物理實驗的初衷。新型的物理實驗體系強調教師要以學生為主體，引導學生根據所學知識，自己設計和操作實驗。在摸索和失敗中吸取經驗教訓，加深對物理原理的理解和掌握。二、三級物理實驗課程適于理工科學生對物理學的進一步學習。

（3）四級物理實驗以科學小實踐為主，重點培養學生科學研究和開發運用物理知識的能力。學生需要自己開發課程來進行深入研究，難度比較大。因此，四級物理實驗課程一般作為物理類專業學生的必修課，而對非物理類專業的理科學生來說，則可作為選修課。

3 改革實驗教學內容，創新教學環境

物理實驗教學內容要體現時代性和先進性。隨著物理學的不斷更新發展，在各級物理實驗課程中，都應該采用新的現代科技，與社會接軌，做到學以致用。例如，在對全校工、商、文科學生一、二年級所開設的物理實驗中，已涉及光譜技術、真空技術、磁共振技術、核物理技術、X光衍射的技術、光纖技術、傳感器技術、光學信息處理技術等。這些實驗的開設，可以讓學生實際、直觀了解物理新科技的原理，拓展學生知識面，提升物理思維高度。

目前，中國科技大學開設多元化的實驗類型，以滿足不同層次學生的需求，包括公共必修實驗、選修實驗、仿真實驗、遠程網絡實驗、開放實驗等。

首先，學校開設“大學物理實驗遠程教學”，利用現代高科技的信息技術，讓學生能夠不受場地和時間的限制，通過互聯網來對實驗教學內容進行預習和復習。學生可以更合理的安排自己的時間，甚至隨時隨地地展開物理實驗學習。

其次，學校開設開放性的物理實驗室來服務學生。學生可以自由出入開放實驗室，進行實驗操作。同時，學生可以根據學校所提供的實驗器材和自己的理解來設計實驗。教師在這里只是對學生進行一些輔助和啟發，讓學生有足夠的空間去探索和總結，并找出自己的創新點，加以論證。

最后，學校為學生開設各類仿真實驗室，充分運用虛擬實驗技術，把計算機應用軟件和實際試驗結合起來。這樣不僅能夠讓學生有更多的機會進行試驗操作，而且能夠提高那些復雜程度和困難程度高的物理實驗的成功率。

參考文獻

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