大學(xué)物理實驗與理論融合教學(xué)的探索

郭袁俊，于景俠，霍中生，姚列明，楊宏春

(電子科技大學(xué) 物理學(xué)院，成都 610054)

0 引 言

大學(xué)物理實驗是一門實踐性和應(yīng)用性很強的課程，是理工科學(xué)生進入大學(xué)后受到系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端[1]。通過大學(xué)物理實驗課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，不但能幫助學(xué)生正確理解物理概念和規(guī)律，而且在培養(yǎng)和提高學(xué)生動手能力、觀察能力、創(chuàng)新思維能力、理論聯(lián)系實際能力以及分析問題和解決問題的能力，特別是與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力等方面，該課程具有其他理論課程無法比擬的優(yōu)勢[2-7]。

近幾年，圍繞著大學(xué)物理實驗教學(xué)理念、教學(xué)模式和教學(xué)體系等方面的改革，各高校進行了廣泛的探索[8-15]。為了更好地貫徹我校本科教學(xué)以學(xué)為中心、基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育等教學(xué)理念，從2016年開始，大學(xué)物理實驗中心開展了大學(xué)物理實驗與理論融合教學(xué)的探索。

1 大學(xué)物理實驗教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 普通班實驗教學(xué)現(xiàn)狀

我校大學(xué)物理實驗課程包括大學(xué)物理實驗I和大學(xué)物理實驗II，共計64學(xué)時。大學(xué)物理實驗I由誤差與數(shù)據(jù)處理理論+7個實驗內(nèi)容組成，大學(xué)物理實驗II由8個實驗內(nèi)容組成。多年以來，大學(xué)物理實驗的教學(xué)安排在本科生二年級上期(即第三學(xué)期)開始，落后于“大學(xué)物理”課程一學(xué)期。

1.2 實驗班實驗教學(xué)現(xiàn)狀

從2016年開始，針對2015級的6個實驗班(3個班來自英才學(xué)院、2個班來自物理電子學(xué)院、1個班來自通信學(xué)院)開展了大學(xué)物理實驗與理論融合教學(xué)的探索，打破現(xiàn)有大學(xué)物理實驗與理論教學(xué)不同步的現(xiàn)狀。除了保持普通班的實驗教學(xué)要求外，重點圍繞3個方面開展教學(xué)：①實驗原理的設(shè)計；②實驗誤差分析；③實驗儀器的改進。同時，與大學(xué)物理教研室合作，組建了實驗班的融合教學(xué)團隊。

2 大學(xué)物理實驗與理論融合教學(xué)的具體措施

2.1 演示實驗融合到理論教學(xué)課堂

演示實驗依據(jù)大學(xué)物理教學(xué)的需要(即大學(xué)物理I主要為力學(xué)、光學(xué)和狹義相對論，大學(xué)物理II主要為力學(xué)、電磁學(xué)和量子力學(xué))，梳理了已有的演示實驗內(nèi)容，新購、研制了新的可演示實驗內(nèi)容，使重要理論教學(xué)課堂有實驗演示；同時，充分利用數(shù)字資源，將數(shù)字實驗、虛擬實驗作為演示實驗中的一部分，進入理論教學(xué)課堂。此外，對于不便于搬動的大型演示儀器，盡可能讓理論教學(xué)以小班教學(xué)模式，放在演示實驗室中進行(見圖1)。

2.2 課程實驗融合到理論教學(xué)課堂

大學(xué)物理實驗的教學(xué)內(nèi)容分為兩部分:①大學(xué)物理實驗I內(nèi)容(8選7)主要有用拉伸法測鋼絲的彈性模量;利用波爾共振儀研究3種振動模式;示波器的調(diào)整與應(yīng)用;透鏡焦距的測量;全息照相;邁克爾遜干涉儀的調(diào)整與應(yīng)用;聲光效應(yīng)實驗;偏振光實驗。②大學(xué)物理實驗II內(nèi)容(11選8)主要有熵增加原理等效實驗(正在研發(fā));液體黏滯系數(shù)的測量(新增實驗);靜電場的模擬;電子束的偏轉(zhuǎn);霍爾效應(yīng)與磁阻效應(yīng)實驗(需整合實驗內(nèi)容);電磁波的發(fā)射與接收(正在研發(fā));密立根油滴實驗;弗蘭克-赫茲實驗;分光計的調(diào)整及測量汞燈黃雙線的波長;光電效應(yīng)實驗;塞曼效應(yīng)實驗(新增實驗)。按照大學(xué)物理理論教學(xué)進度，安排大學(xué)物理實驗課程教學(xué)內(nèi)容與進度，盡可能使兩門課程能夠同步進行；同時，定期進行實驗班教學(xué)團隊的教研討論，探討實驗教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計、內(nèi)容拓展及實驗儀器改進等方面的問題。此外，理論教學(xué)、實驗教學(xué)任課教師盡可能開展了互相觀摩聽課的方式，加強對兩門課程的認識。

2.3 “創(chuàng)新實踐與科技成果孵化實驗平臺”建設(shè)

依托大學(xué)物理實驗中心，開展了“創(chuàng)新實踐與科技成果孵化實驗平臺”建設(shè)(共計3間實驗室，約300 m2)，旨在為學(xué)有余力的本科生提供一個開展課后創(chuàng)新實踐、學(xué)科競賽(尤其是中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽)的場所，進行項目驅(qū)動的科研訓(xùn)練。圖2所示為學(xué)生完成的項目實物展示。

圖2 本科生完成的創(chuàng)新實踐項目的實物圖

2.4 實驗考試制度改革

對于實驗班，筆試考核在原有誤差與數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，增加關(guān)于實驗內(nèi)容的考核(占分25%)，把無標(biāo)準(zhǔn)答案的題目納入考試范圍；平時成績考核加入學(xué)生平時上課的分組討論，以及小課題報告等環(huán)節(jié)。

3 兩個問題的討論

3.1 關(guān)于大學(xué)物理實驗與理論教學(xué)內(nèi)容的同步

關(guān)于大學(xué)物理實驗與理論教學(xué)內(nèi)容同步的問題，大家有不同的認識。比如：“同步不是指大學(xué)物理實驗和理論教學(xué)內(nèi)容的時間上嚴(yán)格接近，比如在同一周或兩周內(nèi)”，“同步也不是一定要理論教學(xué)內(nèi)容先行，然后才是實驗教學(xué)環(huán)節(jié)”。有的時候，個別實驗內(nèi)容適當(dāng)超前相應(yīng)的理論教學(xué)內(nèi)容，還會促使學(xué)生去自學(xué)相關(guān)理論內(nèi)容，了解實驗背景、實驗設(shè)計思想、實驗測試需要解決的問題等方面，受到的鍛煉可能會更多，這和學(xué)生解決具體工程問題一樣，是由問題導(dǎo)向去解決問題。當(dāng)然，該問題，可繼續(xù)探索和討論，在持續(xù)的教學(xué)過程中不斷統(tǒng)一認識。

同時，對于實驗班的大學(xué)物理實驗與理論的融合教學(xué)，可以通過融合教學(xué)團隊的溝通，考慮部分實驗內(nèi)容由實驗和理論老師共同完成，比如波爾共振實驗，這樣，對于對應(yīng)內(nèi)容的大學(xué)物理實驗與理論的教學(xué)都大有裨益。

3.2 關(guān)于驗證性實驗的探究式教學(xué)

在大學(xué)物理實驗的教學(xué)內(nèi)容中，除了有涉及實驗內(nèi)容、操作環(huán)節(jié)、物理概念多的綜合性實驗外，還有部分內(nèi)容屬于經(jīng)典實驗的驗證性教學(xué)，比如夫蘭克—赫茲實驗、密立根油滴實驗、靜電場模擬實驗。對于驗證性實驗，近年來一直在試行探究式教學(xué)，這就要求任課老師要有很好的教學(xué)設(shè)計，將討論式互動教學(xué)方法貫穿于實驗開始到結(jié)束的全過程。

實驗前，指導(dǎo)教師講解有關(guān)實驗要求和實驗原理，通過討論式互動方式，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)生更好地理解和掌握實驗要求和實驗原理；實驗過程中，進行儀器調(diào)整方法的討論，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題并找到解決問題的方法；實驗課結(jié)束前，對實驗結(jié)果進行討論，讓學(xué)生學(xué)會正確分析和處理實驗結(jié)果；最后，對實驗原理、方法和測試手段在工程實際中的應(yīng)用作一些介紹和討論，加深學(xué)生對實驗的印象，提高對實驗課的興趣。

比如在夫蘭克—赫茲實驗的教學(xué)中，有幾個問題就需要和學(xué)生展開充分的討論，學(xué)生才會有較大的收獲。①該實驗的產(chǎn)生背景，使學(xué)生懂得在物理學(xué)的發(fā)展過程中，驗證一種理論一般需要兩個不同領(lǐng)域的實驗驗證。②為什么要用電子轟擊？而不用其他粒子轟擊？③預(yù)期的實驗曲線是什么？④夫蘭克—赫茲管中真空度的要求。該問題的討論會涉及大學(xué)物理中平均自由程的概念。因此，對于這個驗證性的實驗，通過這種探究式的教學(xué)模式后，學(xué)生會串接起很多物理概念，對于工程應(yīng)用也有很好的了解(比如真空鍍膜、電子管等)。

4 結(jié) 語

介紹了電子科技大學(xué)物理實驗中心至2016年來開展的“大學(xué)物理實驗與理論融合教學(xué)”的探索工作。經(jīng)過2年的教學(xué)實踐，建立了教學(xué)教研團隊，取得了融合教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和考核方式等方面的經(jīng)驗，受到了來自3個學(xué)院實驗班同學(xué)的普遍歡迎。但與此同時，也存在需要繼續(xù)改進的問題，比如：①加強實驗設(shè)備的硬件保障；②加快更新實驗項目；③完善教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計。

由于實驗儀器臺套數(shù)的限制，以及貫徹因材施教的原則，“大學(xué)物理實驗與理論融合教學(xué)”的教學(xué)模式比較適用于實驗班的教學(xué)實踐，對于大面積的普通班教學(xué)難以實施，但可以借鑒融合教學(xué)過程中的一些好的做法、好的理念，也為普通班本科生實踐教學(xué)環(huán)節(jié)做出積極的貢獻。