獨立學院省級物理實驗教學示范中心建設與實踐

李 昂， 王天會， 劉仁臣， 汪 亮， 彭庶修

(吉林大學珠海學院 物理實驗教學中心， 廣東 珠海 519040)

0 引 言

獨立學院大多是由具有優(yōu)質教學資源的綜合性大學和社會投資方合作興辦。辦學初期，實驗室領導、管理人員、教師多由母體學校派出或從其他普通高校聘任；物理實驗教學難免有母體學校為非物理類專業(yè)開設物理實驗課的要求移植的痕跡[1]。它一方面給新辦的獨立學院帶來了寶貴的財富——母體學校重視實驗教學的優(yōu)良傳統，及主講教師科學、嚴謹、實事求是的作風。另一方面，要看到獨立學院與母體學校人才培養(yǎng)目標定位的差異，使得物理實驗室的建設和教學體系絕不能全盤照抄，必須改革，創(chuàng)造出適合獨立學院特點和培養(yǎng)目標的新模式[2]。

隨著辦學的深入，學院明確了自己的辦學定位——“綜合性、應用型、開放式、有特色、居前列”。鑒于辦學定位，獨立學院以培養(yǎng)應用型本科人才為主，它既不同于普通本科院校培養(yǎng)社會需求的具有深厚理論基礎和科研創(chuàng)新能力的高層次人才，也不同于高職、高專注重培養(yǎng)動手能力較強的技工、技師型人才。獨立學院應注重培養(yǎng)有較好的理論基礎、較寬知識面、動手能力強、具有一定創(chuàng)新精神的應用型人才[3]。

1 目前物理實驗課程教學現狀

由于學院所辦專業(yè)各自提出本專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，獨立學院工科本科專業(yè)人才培養(yǎng)不能過分強調“寬基礎”“厚基礎”，加強專業(yè)技能訓練呼聲很高，而加強專業(yè)實驗技能、實踐訓練力度，需要一定的學時。若用1.5學年開設大學通識教育課程和學科類基礎課程等，勢必壓縮物理實驗課等基礎課的教學時數[4]。事實上，在物理實驗課程一個學期開完的要求下，其教學周通常是16周，共計32學時，只能達到教指委提出的教學時數的2/3[5-6]。

以所在的學院為例，每屆4個工科院系約70多個自然班，在二、三學期分別完成2個院系約35個班(每個班分成2個教學組)的教學。按“基礎性實驗—綜合性實驗--設計性實驗”三層次教學，將5～6個實驗項目組合為一輪作小循環(huán)，共2～3輪小循環(huán)安排各實驗教學組的教學。實驗教師采取跟組教學，在一個學期教完自己所擔任的教學組。

培養(yǎng)學生的實驗能力，在教學過程中必須實施以學生為主體，教材為載體，教師為主導的教學方法[7]。這種教學方法對于獨立學院學生來說尤為重要。獨立學院學生由于數理基礎較差，往往不愿閱讀教材、預習實驗原理、實驗時缺乏自信心、不能自主學習；同時表現出馬虎、粗心甚至于原諒自己的過錯[8]。這就要求教師在教學過程中注意引導學生發(fā)現問題、分析問題，綜合運用所學知識和技能解決實際問題；引導學生在正確獲得實驗數據的基礎上對實驗結果進行分析、判斷、歸納與綜合；逐步培養(yǎng)他們嚴謹的治學態(tài)度、科學實驗能力，以及創(chuàng)新意識。將獨立學院學生中普遍存在的“要我學”轉變?yōu)椤拔乙獙W”。

實驗課前預習(預習報告)—課上實驗—撰寫實驗報告三部曲中，在預習報告為正式報告的前半部分要求下，實驗操作記錄數據及處理、總結實驗結果并入到實驗課上完成，要求學生當堂提交報告，教師初步驗收，有錯誤令其改正，學生非常配合，避免了課后往往不處理或沒法處理數據的現象。多年來一直堅持這種做法收到了良好的教學效果，學生也較滿意。

2 實驗教學示范中心建設探索與實踐

2.1 構建適合獨立學院教育的物理實驗教學體系

國內高等教育已從精英教育進入到大眾化教育階段. 必須打破精英教育帶來的慣性定勢，面對時代的發(fā)展，要求制定與時代相適應的物理實驗課程體系、教學內容、教學模式和方法[9]。

物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法、手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，充分體現出它在專業(yè)人才培養(yǎng)中的公共性和基礎性。正是由于課程的公共性與基礎性，面對綜合性獨立學院開設的各個專業(yè)，需要分析專業(yè)特點及特色、人才培養(yǎng)方案，注意與中學教育的銜接，再結合獨立學院學生特點，貫徹課程教學基本要求，逐步形成了工科物理實驗的“基礎性實驗—綜合性實驗—設計性實驗”三層次教學，“文科專業(yè)的物理實驗公選課教學”“普及演示實驗教學”的大學物理實驗教學體系。而工科物理實驗課程教學則是實驗教學體系的核心部分。

大學物理實驗課程教學是案例教學，同樣的教學目標和任務可以通過不同的實驗項目、實驗內容和實驗方法來實現，實驗室力求開設有自己教學特色的實驗選項及內容，其中既保留經典的實驗項目也有結合新技術的項目。注意力學實驗、熱學實驗、電(磁)學實驗、光學實驗和近代物理實驗的撘配。在工科大學物理實驗中進行分層次教學，即開設一定數量的基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗。 并使這三類實驗教學層次的比例接近課程教學基本要求。

2.2 緊抓工科大學物理實驗課程教學

工科物理實驗課程教學是課程體系的核心，也是學院基礎課教學質量的重點。隨著學校開展教學質量工程建設，對所開設的綜合性實驗和設計性實驗進行檢查驗收；在此基礎上開展3年期的實驗教學示范中心建設，開展物理實驗教學改革實踐。

借用數字化技術，助推實驗教學與管理的創(chuàng)新，使教育技術水平上新臺階。工科物理實驗課的三層次教學需選好實驗項目，搭配好實驗器材，每個實驗項目準備好18～20臺套，實驗教學做到1人1套儀器，做到教學硬件有保障[10]。

2.2.1 編寫實驗教材

利用學院教材編寫立項資助，組織教師編寫實驗教材。在兼顧實驗儀器設備的情況下，教材體現出“加強基礎—重視應用—開拓思維—培養(yǎng)能力—提高素質”的教學理念，做到物理概念清晰，盡量用工科“普物化”的語言敘述實驗原理、簡化數學推導，設計數據記錄表格，處理數據方法上適合用科學計算器及計算機軟件處理，做到教材簡潔方便實用[11]。教材出版后，新增實驗項目或更新了配套儀器的實驗項目講義，則采用電子文擋發(fā)給學生使用，待使用若干屆后修訂再版。

2.2.2 改進實驗儀器與實驗技術

由于廠家追求實驗器材的生產利潤，使實驗器材“集成”化，而減少了實驗訓練的教學目的，或失去了某些功能。為使實驗項目有特色，結合儀器的維修保養(yǎng)，使用通用器材配套替換，不給學生“做某實驗必須要有特制器材”的認識。

(1) 模擬示波器的使用實驗。其中應用部分，觀察半波整流前的交流信號和整流后的直流信號內容，采用提供面包板、半導體二極管和電阻等元件，由學生搭建電路觀察記錄信號波形，以提高學生的動手能力。

(2) 霍爾效應實驗。撤去傳統采用電位差計測低電壓的方法測霍爾電壓，購置儀器廠家生產的測試儀部分，以節(jié)省時間用于增加實驗教學內容。有關霍爾效應的普物實驗通常有2個內容，① 測定霍爾器件的靈敏度及材料類型，這個實驗物理原理明確，但要先已知磁場，為此實驗室購置特斯拉計，提供磁場的參數，學生實驗測定霍爾器件的靈敏度，判定材料的類型。② 用霍爾器件測磁場，如通電螺線管磁場或電磁鐵氣隙中的磁場。有了測磁場的特斯拉計，則可將這2個內容并為一個實驗項目。

(3) 分光計測三棱鏡頂角實驗。學生很難目測達到粗調目的，改用水平儀做粗調，則容易調好，為各半調節(jié)(細調)做好了準備，以致用2課時大部分同學能完成該實驗[12]。

(4) 電橋測電阻實驗。使用按國標生產的成品電橋測電阻，必須遵守一定的操作規(guī)程，且先要預知被測電阻的粗略值，不然易損壞檢流計。在實驗中加入數字萬用表測電阻內容，使學生初步接觸的數字電表的使用，又解決了粗測電阻的問題，給學生多接觸測量器儀表的機會。

2.2.3 綜合性實驗中引入實用技術的演示裝置

在傳統的綜合性實驗項目的基礎上，結合現代技術，新開出傳感器類的實驗項目。對于這類實驗，應立足闡述物理原理與其物理基本特性的測量，這樣就會占用原本有限的實驗課時間，同時低年級的學生也難于談其運用。為此，實驗室結合物理內容，開發(fā)出傳感器應用的盡量簡單的演示實驗裝置，放在做該實驗的教室中，演示給學生看，以開拓學生的科學思維。

如霍爾效應實驗中的霍爾器件是一只霍爾傳感器，實驗室開發(fā)出霍爾器件自動控制單元，配上實驗室已有的計數器，用于測單擺和三線擺的周期；配上數字萬用表的頻率擋或示波器測物體轉動著的轉速。

光敏電阻或光敏二極管類光敏傳感器的特性實驗，在闡述物理特性的基礎上，再開發(fā)它的應用。如將220 V聲光雙控延時開關改裝為低電壓(交流18 V)下演示聲光控延時功能，其電路中光敏電阻的作用則不難理解了。類似的用光敏二極管設計出路燈自動控制裝置等。

這類開發(fā)出的演示裝置，雖然簡陋，但很能說明問題，學生演示觀看后印象很深，開闊了學生的實驗思路。

2.2.4 組織設計性實驗教學

實驗室在組織設計性實驗教學時，必須利用已有器材或少量補充器材，規(guī)定實驗條件，做好實驗選題、提出適當的教學要求及學生獨立完成程度，以防止要求過高而使低年級學生難于達到實驗結果[13]。

開設設計性實驗對教師提出了新要求，因面對的是低年級的工科學生，教師必須根據實驗選題先試做，編寫出實驗指導書及小論文模板。教學用連續(xù)3周實驗課時間完成。① 教師講課，介紹設計性實驗的要求、如何查找資料、如何寫實驗選題的方案，方案中應重點分析系統誤差，在實驗原理、誤差分配、儀器選擇、儀器操作、數據處理等方面考慮系統誤差的作用及如何化解之；設計出實驗驗證方案的程序；對小論文的要求等。② 教師審查學生的實驗方案，組織討論，在學生明確實驗要求后，進行實驗，驗證方案的可行性，得出實驗數據，回去寫小論文。③ 輔導寫小論文，大多數學生有筆記本電腦，可讓他們利用電腦回答諸如科技類論文應怎樣寫、實驗方案如何闡述、在論文結束語中小結出實驗的結果等低年級學生的疑問；及論文中排版、輸入數學公式、圖表的問題需要指導解決。目前，開設出單擺法測重力加速度的實驗研究、用補償原理“改裝”電表、發(fā)光二極管基本特性的研究、金屬細絲直徑的測定、光敏傳感器特性及應用、溫度傳感器特性及應用等設計性實驗選題，經過幾屆學生的教學實踐取得滿意的效果。

2.2.5 引入實驗數據處理教學方法

實驗數據處理是物理實驗教學的重點。在物理實驗中大多的實驗數據處理是作統計計算，如求平均值，計算實驗標準偏差，進而求測量不確定度；能夠用逐差法處理的實驗數據，也能夠用線性擬合處理，則強調用線性擬合方法處理。實驗室購置運算能力強、統計計算較簡潔的科學計算器，提供給學生在課堂上作運算使用。為數據處理節(jié)約大量時間，這也是學生在2節(jié)課時間內完成實驗且上交實驗報告的一個重要原因。

另外，又創(chuàng)新性提出了mathstudio等手機APP，幫助學生進行更快捷數據分析和處理，甚至作圖[14-15]。教師只需要告知學生下載安裝手機APP，并介紹幾種典型的數據處理的使用方法。學生通過幾次實驗課之后，基本可以熟練掌握APP使用方法，不僅節(jié)約了實驗室計算器、計算機等設備的采購成本，更方便學生進行數據梳理，還大大節(jié)約了課堂時間。

除以上兩種方式外，部分實驗項目也可穿插用計算機origin、excel等軟件處理實驗結果。尤其是設計性實驗的小論文，必須依靠此類軟件完成數據處理，也是對學生能力的訓練和提高。

2.3 開設文科物理實驗公選課

獨立學院文科專業(yè)學生多，且很多學生對物理實驗感興趣，在實驗室儀器設備等安排仍有空余的情況下，為文科學生開出物理實驗公選課，通常為1個學分，16學時。開出“文科物理實驗—電學篇”，計7個電磁學實驗；“文科物理實驗—光學篇”計7個光學實驗。每學期報名選修的學生頗多。為提高文科生的實驗能力，培養(yǎng)文理兼通人材發(fā)揮作用。

2.4 普及物理演示實驗教學

物理演示實驗通過對具體物理現象的演示，將抽象的物理理論形象化，幫助學生定性觀察物理現象，增加感性認識。它在演示中傳授物理基礎知識，將學生在課堂上累積的抽象自然科學知識，給予實驗驗證，激發(fā)學生的興趣，對培養(yǎng)學生的觀察能力和思維能力都有重大的作用。

隨著科技的進步，演示實驗的內容在不斷發(fā)展與更新，其內容豐富，形式多樣。學校在籌建物理實驗室時，就初步建起了演示實驗室。近幾年來，根據力、熱、電、光、現代新技術應用，逐漸購置新器材，完善配套，使之形成系列。

在大學物理課中，除方便攜帶的隨課堂演示外，還單獨安排2學時的集中演示，讓工科學生對感興趣的項目操作試做；在文科物理實驗教學中安排的一次課的集中演示。此外，在社會公眾日，學院安排或對外開放，開展科學普及工作。

2.5 完善實驗教學考核

一個學期開完的物理實驗課，課時受限，由于采用實驗教師隨班組教學，加強平時對學生每個實驗項目的考核，設計性實驗一般安排在學期的后半段，因此，大學物理實驗課程的考核采取考查的方式，學生實驗成績采取平時考核成績與設計性實驗成績加權平均，最終按5級記分制綜合評定。

2.6 加強師資隊伍建設

沒有一支結構合理、高素質的實驗教師與管理隊伍，實驗教學改革，實驗教學示范中建設是不可能的。實驗教學與管理人員學歷高只是一個資質條件，還必須分別制定出實驗教師教學工作細則，與管理人員工作細則。特別是教師隨班組教學模式更要制訂好交接班制度。實驗室定期召開實驗教學與管理研討會，交流教學經驗提高教師教學水平，交流解決儀器管理及設備維護中的問題，提高實驗管理人員的管理水平。安排實驗教學人員參觀兄弟院校、參加區(qū)域性的實驗教學與管理培訓班也是師資隊伍建設的一條措施。

3 結 語

本世紀初開辦的獨立學院，經過10余年的建設歷程，已初具規(guī)模，提高教學質量培養(yǎng)出合格的人材，是學校的責任所在。作為實驗科學的基礎課程，物理實驗課在工程技術人材及文理兼通人材培養(yǎng)中具有不可替代的作用。物理實驗教學中心參與學院的各項教學改革項目，進行教學改革，使物理實驗教學體系逐漸完善，并形成自己鮮明的教學模式，具有一定的特色。實驗中心也將繼續(xù)完善，推進實驗示范中心建設，引領獨立學院的基礎實驗中心建設，辦成優(yōu)秀和獨具特色的省級大學物理實驗教學示范中心。