專業物理實驗與理論課程結合探究

李智華 楊 光

(華中科技大學物理學院 湖北 武漢 430074)

1 前言

在國內諸多高校的本科生培養計劃里，專業物理實驗一般是作為一門或幾門課程，獨立于相應的理論課程之外專門開設的．每門專業物理實驗課程根據對相關理論知識掌握要求和深度不同，被安排在大學階段不同學年的不同學期開設．比如筆者所在的學院，專業基礎物理實驗一和專業基礎物理實驗二，一般安排在第二學期和第三學期開設，綜合物理實驗以及近代物理實驗一般在大三學年進行開設．這樣的課程安排表面上似乎沒毛病很合理，既考慮了學生物理理論知識體系建立的先后順序，排課也沒什么困難，根據培養計劃按部就班就行．目前大多高?；旧鲜前凑者@種模式來安排專業物理實驗課程，并執行了上十年甚至幾十年．可正是這種表面上看似合理的專業物理實驗課程安排，一直以來廣受學生的詬病和不滿．主要原因歸納起來大致如下：

(1)專業實驗項目與理論課程的關聯性不強.

(2)學生在部分專業理論知識還沒具備的情況下就被安排做相關的專業實驗及應用探究．簡言之就是，理論知識還沒有學，就被安排去做相應的專業實驗，甚至還要做相應的應用探究.

(3)實驗儀器大多是黑匣子，接接線、按按按鈕就完事，部分實驗項目達不到預定的實驗目的.

(4)實驗設備陳舊，影響實驗過程和效果．

相信有人會問，既然問題癥結找到了，怎么就沒有解決呢？“設備陳舊問題”不是本文要在這里討論的重點，相信只要重視教學，尤其是重視實驗教學肯投入資金支持，這個問題不難解決．重要的是前3個問題，要解決不是做不到，而是比較復雜，涉及到方方面面．

要解決上面提到的“理論與實驗設置的關聯性不強”“實驗及應用探究先行于理論知識滯后的尷尬”，得把相應的理論課程與相應的專業實驗項目揉合成一門課程，而且涉及到多門理論課程和專業實驗項目的揉和，這樣一來，要對目前本科生的培養方案做較大的修改，對課程和學分進行再設置．另一方面，這也是對任課教師提出更高的要求．想想看，按照老模式，理論課的主講教師只要負責上講臺講好課程教學大綱要求的知識內容即可，專業實驗課的主講教師只要按照實驗課程的安排指導實驗即可，不用過多考慮學生到底有沒有相應的理論基礎知識，也不用考慮理論課上相應的理論知識如何與實驗項目內容銜接，來更好達到實驗目的的問題．單從教師的角度來看，無論理論課的教師還是實驗課的教師，各自都是認真負責的．可是明眼人不難發現，這樣課程設置模式是有問題的，沒有站在學生的角度來進行合理的課程設置與安排．而“黑匣子”的問題，相信只要前面兩個問題解決了，在此基礎上擬出一些緊密結合理論的、能有效培養學生靈活運用知識能力和動手能力的、有代表型的自主創新性、設計型實驗及應用，問題就相應解決了．

筆者機緣巧合，一直長期站在電磁學理論課堂教學第一線，并堅持多年的電磁學教學改革與實踐[1～3]，近幾年也被安排主講物理實驗，對將專業理論課程與專業實驗課程如何緊密結合有一定思路．坦白說，是這學期初，筆者微信學生好友在微信上對專業物理實驗的吐槽及大量學生的跟帖，才是真正激發作者動真格下決心做這件事情的原因，讓筆者思考作為一名教師，結合自己的教學經歷和背景，可以為專業實驗教學與理論課程教學的緊密結合做點事情．其實，在電磁學教學改革和實踐中，筆者一直都重視理論和實驗的結合，只不過這種重視限制在筆者自己負責的電磁學課程范圍內，沒有去打破專業實驗課程和電磁學理論課程的“壁壘”．現在看來，在前期已有的電磁學教學改革實踐的基礎上，打破這種壁壘,實現專業實驗與理論課程的結合，非常必要而且重要，對筆者而言也并非難以完成的使命．

2 電磁學理論課程與專業實驗的對接

為了讓學生進本科專業實驗室前先具備相關的理論基礎，應增強理論課程與相應實驗項目的關聯性，合理安排實驗項目及實驗進程．即先有電磁學相關理論課教學，爾后才是對應開設相應實驗及其應用探究．本科專業基礎物理實驗項目里，部分是電磁學理論相關的實驗，考慮將這些相關實驗內容與電磁學理論課程教學內容打通統籌安排．此外，根據電磁學理論課堂教學的內容，擬考慮增設部分非黑匣子、自主設計型的創新實驗項目．這樣避免了理論教學和實驗課程的安排關聯性不強，甚至理論知識尚未具備就安排學生進行相關實驗和應用探究的問題，也能解決“黑匣子”實驗的弊病．而且不僅能提高理論課堂教學的水平與效果，也有助于真正達到專業實驗項目開設的目的，更是將培養學生的5種能力“學習能力、創新能力、動手能力、靈活運用知識能力、口頭與書面語言表達能力”落地到教學的各個環節中，是落實以學生為中心的教學改革與實踐的具體舉措[4～6]．

2．1 現有專業實驗項目與理論課程的結合

一方面，形式上，首先理清專業基礎物理實驗課程中現有的與電磁學相關的實驗項目(如霍爾效應與應用設計、電路暫態過程與示波器的使用、RLC電路和濾波器、直流交流電橋的研究與應用)，將這些現有的實驗與電磁學理論課緊密結合，統籌規劃合理安排．圖1是基礎物理實驗“RC/RLC/暫態電路和RLC交流電路和濾波器實驗”實驗儀器裝置圖：函數信號發生器、雙通道示波器、電阻箱，以及可變電容器和可變電感器．

圖1 RC/RLC暫態過程、交流電路和濾波器實驗裝置

根據目前專業基礎物理實驗的安排，本實驗一般安排在大二上學期開設，雖然與電磁學課程開設在同一學期，但問題是學生在進實驗室做這個實驗時，還沒有系統學習相關的理論知識，這些理論背景知識屬于電磁學第九章的內容，如果將此實驗項目安排在電磁學第九章內容講授之后，相信學生才可能靈活應用所學的理論知識來進行相關的應用設計，這樣學生的實驗收獲會更好，才可能真正達到實驗目的．再如將“霍爾效應與應用設計”實驗項目，安排在電磁學的理論課程內容“帶電粒子在電磁場中的運動及應用舉例”講授之后；將 “直流交流電橋的研究與應用”實驗項目，安排在“交流電路的復數解法與應用舉例”講授之后．這樣，既能確保學生在從事相關的專業實驗之前已具備了相關的理論知識，又能馬上在專業實驗的過程中靈活應用相關的理論知識，做到了專業實驗與理論教學的緊密結合、無縫對接．

另一方面，除了形式上和時間上的無縫對接，課程內容上也要融合．仔細琢磨理論知識的講授如何與實驗項目相結合，既有助于學生掌握、鞏固相應的理論知識，又能啟發學生開展專業實驗活動，在課堂教學理論知識的指導下，真正達到實驗項目設置的目的．

2.2 緊密結合理論課程的自主設計創新實驗設置

結合現有電磁學理論課教學內容，考慮篩選增設有代表性的實驗項目，引導學生勤于思考,激發學生創新思維，培養學生靈活應用知識的能力和動手能力．根據電磁學課堂教學內容，初步擬出的可供選擇的學生自主設計的創新型實驗如下：

(1)設計范德格拉夫起電機周圍電場和等勢面演示儀;

(2)壓電效應和逆壓電效應的應用實驗設計；

(3)基于平面矩形載流線圈在均勻磁場中繞固定轉軸轉動的規律，設計一款自測速高轉速馬達；

(4)指針式/數顯式磁通計設計與應用；

(5)設計一款手搖發電機，要求具備交流直流切換輸出功能；

(6)RLC電路串聯共振的應用：調頻收音機設計/機場安檢系統設計/金屬炸彈探測器設計/排雷探測器設計；

(7)電磁繼電器的設計與應用/電鈴的原理、設計與應用；

(8)赫茲實驗再現裝置：電磁波的發射與檢測；

(9)電磁場動量-光壓測量裝置設計與實驗；

(10)電磁波的發射、電場E、磁場B及能流S的實驗檢驗，以及電磁波疊加形成駐波能量分布的檢驗．

這樣的項目并不是要求學生每一個都必須完成，學生可以根據自己的興趣自由選取實驗項目，自由組合形成實驗小組，自主分工協作完成項目．當然，項目執行過程中，課程組會有助教和實驗工程師提供必要的指導與支持．自主設計的創新性實驗的引入，是徹底解決黑匣子式實驗“接接線、按按按鈕”就完成實驗缺陷與弊端的有效方式之一．

3 自主設計創新實驗實例——自測速高轉速馬達

此實驗項目屬于完全自由、自主設計的創新實驗的實例．在電磁學理論課堂教學內容“通電矩形載流線圈在磁場中運動的規律”討論之后，如圖2所示，得到了剛性平面矩形線圈在均勻磁場中的受力矩與線圈磁矩和磁場之間的關系.

(a)

(b)

設B為線圈所處的外磁場的磁場強度，m是通電線圈的磁矩，L就是線圈在均勻外磁場中所受的力矩．三者之間的關系為

L=m×B

接下來理論課堂教學與實際的應用相結合，引導學生進行思考：從剛性矩形線圈的受力矩來看，力矩大小mBsinθ隨著線圈與磁場夾角θ的變化而周期性變化，對于真實的馬達，這種情況會導致什么問題？如何讓線圈在磁場中轉動受力矩大小穩定？如何提高馬達的轉速？請設計一款高速馬達，并具備自測速功能．這是這堂理論課結束時，留給學生的自主設計的實驗項目．實驗項目并非必做內容，學生可以根據自己的興趣選做，可以2～3人一組分工協作完成．項目實施期間，課程給與學生實驗小組全力的經費和硬件條件支持，整個課程結束前，要求學生在規定的時間提交作品，并向全班學生做總結匯報．圖3展示的是某年級應用物理班上的兩位學生設計完成的自測速馬達作品．

圖3 自測速高轉速馬達作品展示

此作品以多對強鐵磁性材料釹鐵硼片，來產生穩定磁場分布，測速裝置采用自主設計的電路板結合光電探頭進行測量，以1.5 V的7號電池作為電源供電下，馬達可實現1 100 r/min．雖然作品展示中馬達轉速不太平穩有待改進，但從實驗項目實例來看，參與實驗項目的學生收獲頗豐，他們將課堂上學的理論知識與實際應用相結合進行探索研究，不僅鍛煉了自己靈活運用知識的能力和動手能力，也訓練了分析問題和解決問題的能力，這些收獲讓他們非常有成就感．當項目小組成員站在全班同學面前做項目總結報告，并把作品展現在全班同學面前時，不僅贏得了其他同學羨慕和贊賞的目光，更是激發了其他同學的興趣和參與的激情，當然也很大程度提高了理論課堂教學的吸引力．筆者想這應該是理論課程與專業實驗無縫對接后所期待的效果了：充分激發學生的學習興趣與參與熱情，在“學”與“習”的過程中有效地訓練學生靈活運用知識的能力、動手能力以及創新思維的能力，也培養了學生團結協作精神和敢于探索的精神．

4 總結

實現理論課堂教學與專業實驗的開設無縫對接，可以解決多年來學生普遍詬病的實驗項目開設與理論知識關聯性不強的現狀；結合理論課程內容設置真正開放性的、非黑匣子式的自主創新設計實驗，不僅能激發學生的創新思維，更能有效鍛煉學生運用知識的能力和動手能力．以電磁學理論課與相關專業實驗的無縫對接為例子，期待擴展到其他專業課力學、熱學、光學與相關專業實驗項目的結合，甚至推廣到量大面廣的課程“大學物理”和“大學物理實驗”的無縫對接．這是將“以學生為中心”的教學理念落到實處的具體體現．