一種創新型實驗開放教學模式

譚芳　楊強　孫鵬凱

摘 要：物理裝置科技小制作課程是一種創新型實驗形式。該文通過一個教學實例，說明這種物理實驗開放教學形式具有創新教育功能。主要體現在：增強了大學生對物理實驗的興趣，使他們在實驗中能夠自由發揮創造性思維，有利于發揮物理實驗的創新教育功能，符合物理實驗創新教育功能的教學規律。詮釋了如下關系：基礎理論是創新能力強有力的保障，創新過程推動了基礎研究，兩者互相支撐互相推動。

關鍵詞：創新激勵 開放實驗 電磁感應擺

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）04（c）-0129-02

當前，伴隨著知識經濟的不斷繁榮，層出不窮的科技創新，以強大的動力推動著社會前進。新科技從根本上改變著勞動方式，改變著人們獲取信息的手段，也改變了人們傳統的學習觀念。全世界都重視創新和創新人才的競爭。在此情況下，高等教育在培養符合社會發展的實用型人才、創新型人才方面，面臨著新的挑戰。基礎教育同樣受到了強烈的沖擊。因此，以推進素質教育為目標，對基礎教育課程改革已成大勢所趨，一種普遍的認識是：加強課程內容與學生生活以及現代化社會科技發展的聯系；關注學生的學習興趣和經驗；倡導學生主動參與、樂于探究、勤于動手；培養學生搜集和處理信息的能力、獲取新知識的能力、分析和解決問題的能力以及交流合作的能力[1-6]。這恰好符合大學物理實驗教學改革方向，因為物理實驗是科學實驗的基礎，也是眾多科技創新的搖籃。物理實驗每一個題目的思想方法和實驗內容，既體現了傳統科學深厚的基礎又蘊藏著豐富的創新思想，衍生出很多新理論、新技術[7，8]。該文介紹了一個“基礎”與“創新”相結合的物理實驗教學創新開放活動：利用基礎物理實驗教學為依托開設物理實驗裝置科技小制作的實驗活動。實踐證明，該課程在激發和培養大學生的創新精神和能力方面，獲得了較好的效果。

1 創新型物理開放實驗教學實例

在新型開放物理實驗課活動內容中，有一個演示實驗裝置制作方案：電磁感應擺裝置的制作。電磁感應擺裝置既可以直觀的演示電磁感應現象又可以用于普通物理實驗中，對磁體的磁感強度進行測量[9]。其核心裝置為雙繞組鐵芯線圈。其中，鐵芯截面形狀決定了電磁感應擺的擺動幅度和效果。因此，在制作前，指導教師要求學生在兩種鐵芯形狀（鐵芯截面方形和圓形），要求學生自行確定鐵芯制作方案。很多同學在電磁學理論進行了分析基礎上用COMOSL多物理場分析軟件，對通電線圈的感應磁通量做模擬分析。這是一大膽的做法，必須投入大量的業余時間。由于積極性很高，提出這個想法的學生自愿組成了一個小組，在教師的幫助下，克服了很多困難，一邊努力學習有關電磁理論和COMOSL軟件，基本上完成了部分模擬實驗工作，為正確選擇鐵芯截面提供了較為科學的證據。在此過程中，師生都獲得了很大的鍛煉，下面是師生共同做的研究和分析過程。

1.1 圓柱型鐵芯的磁通量模擬

使用CCOMSOL軟件中的3D模式，采用無限元法分析模擬通電線圈的磁場情況。首先建立磁場載體模型（見圖2），根據對稱性，僅計算分析鐵芯邊緣某一縱向的磁場情況，經過多次物理條件的設定試驗，最后獲得模擬效果圖1。

此次結果：鐵芯產生的磁通比較集中在邊緣，磁通密度最大值達到1.267e-4特斯拉，圓柱形鐵芯截面上表面的磁通密度分布不均勻。

1.2 方柱型鐵芯的磁通量模擬

同樣方法，物理條件設定與圓柱形鐵芯的基本相同，仍然采用無限元法分析模擬通電線圈的磁場情況，最后獲得模擬效果圖2，

此次結果：鐵芯產生的磁通比較集中在邊緣，漏磁現象不嚴重，磁通密度最大值達到1.381e-4特斯拉，方柱形截面上表面的磁通分布較為均勻。

結論：根據圖2與圖1的比較，方形鐵芯磁通密度較大，分布較為均勻，故鐵芯截面應為方形截面。實驗結果證明，該形狀的鐵芯效果良好。

2 幾點體會

2.1 提高大學生對物理實驗的興趣，符合物理實驗創新教育功能的教學規律

創造最根本的動力就是興趣。該文介紹的開放實驗教學形式，通過電磁感應擺奇特的擺動原理吸引了學生的興趣，激起學生們參與制作的極大熱情。在這種情緒的激勵下，他們不但渴望表現出自己的能力，而且會主動設想更科學的制作過程。這就為后來的模擬線圈磁場提供了積極地探索動機，于是在指導教師的幫助和鼓勵下，完成了分析，使得制作過程完全科學化，成效顯著。

2.2 開展物理實驗基礎裝置小制作實驗課，有利于發揮物理實驗的創新教育功能

1993年諾貝爾獎獲得者，生理醫學家理查德·羅伯茨談到創新教育時說：“要對學生放手，讓他們做自己感興趣的事”。前面論述中的調查數據表明，大多數大學生都有參加實驗裝置制作課程學習的熱情。這樣開放性的實驗課，可以讓他們獲得很多自由、獨立的思考機會。他們的創造性思維不再受到束縛。他們在做實驗的工作過程中，既體會到探索過程的艱辛又享受到創作成功后的喜悅，樹立他們克服困難的信心，鍛煉他們動手能力的同時增強了創新意識。該文介紹的用COMOSL模擬磁場過程，就是他們經歷了很多困難波折，最后獲得了較為成功的一個具體實例。

2.3 創新思想離不開基礎理論的支持，兩者互相支撐互相推動

基礎教育是指普通文化科學知識的教育，是讓學生掌握各類科學的基本知識，使他們具有基本的科學文化素養和社會活動能力，不但有利于立足于未來生活，也為創造未來的生活進步提供了必要的條件[10]。因此，基本素質良好的學生，接受新東西更快，創新意識更科學，創新能力更強。反過來，創新過程又推動了基礎研究。符合學生學習成長的基本規律。大學物理實驗是科學實驗的開端課程，可以說是創新的啟蒙教育課，該文所介紹的開放實驗課實例就證明了創新思想離不開基礎理論的支持，兩者互相支撐互相推動。

參考文獻

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