大學物理實驗教學效果的若干方法和手段的探討*

錢霞

(聊城大學物理科學與信息工程學院 山東 聊城 252059;山東省光通信科學與技術重點實驗室 山東 聊城 252059)

1 大學物理教學的組成及作用

物理是研究物質結構、物質相互作用、自然界物體運動規律的一門學科，抽象性、高度模型化、高度理論性是它的顯著特點.同時，物理學是一個多方面的學科，是一個活的科學，不是一個死的科學，不是整天在公式里打滾的學科，是一門以實驗為基礎的自然科學，有著重大的實踐性與應用性.很多理論的誕生建立在實驗的基礎上，實驗糾正了人們很多錯誤的思想，證實和指引著理論，帶給人們理解物理學的直觀性和可操作性.

物理概念的本身也包含著物理實驗技能、物理研究方法的含義.同所有其他基礎學科一樣，物理學研究具有兩重性：一是在理論層面對物理學知識體系的構建與完善，主要包括理論推演、計算模擬、實驗檢驗等環節；二是在技術層面對已掌握的物理規律的挖掘與應用，主要包括與物理有關的專利設計、儀器制造、工業生產等，涉及航空、航天、醫學、電氣、工程、計算機等社會領域.在物理教育中，前者稱為物理教育的學術目的，后者稱為物理教育的社會目的[1].

大學物理是理工科專業學生的一門必修基礎課，是學習其他專業課程的基礎.大學物理教學的成功與否很大程度上會影響和決定學生對于物理知識的認知、理解和應用.大學物理課包括理論課和實驗課，物理知識的傳授主要通過課堂教學和實驗教學.在課堂教學上，主要以教師講授，學生聽課為主，學生通過聽講獲得理論知識.在理論課堂上，學生在聽教師講課時，沒有直觀的教具幫助，而是通過想象建立起物理原理、現象、過程和規律的合理圖像，通過大腦的建構，形成抽象的理論模型.在這過程中，記憶起了很重要的作用，也可以說，很多內容是以記憶的形式存儲在大腦中，而并沒有被深刻理解.實驗課則具有和理論課不同的特點.在實驗課上，學生直接接觸、理解并應用物理知識，實驗本身所具有的直觀性、可操作性等特點決定了實驗課與理論課的不同特點，它對物理教學的促進作用不可忽視，對培養學生的動手、理解并應用物理知識的能力有著不可否認的推動作用.

在很多高校,實驗課是培養學生實踐能力和初期科研素養唯一的途徑，提高實驗教學效果應該是各院校普遍需要重視的問題.本文將從知識的類型和學習的角度論述大學物理實驗教學的性質和特點，探討提高大學物理實驗教學效果的方法和手段.

2 大學物理實驗教學的性質及特點

教育心理學指出，知識是學生學習的最基本內容，通過知識的學習，學生獲得為了自身的生存和發展所必須的各種經驗，并在這一過程中逐漸形成各種態度和能力.知識不單單是對各種事物的了解，還包含了運用知識解決問題的技能.

關于知識的學習，在杜威的“做中學”(Learning by doing)理論中指出：人們應當 “從做事里面求學問”, 在做的過程中發現和發展自己，從 “做中學” 增添新的更有意義的經驗.教育必須建立在經驗的基礎上，教育就是經驗的成長和經驗的改造，學生從經驗中產生問題，而問題又可以激發他們去探索知識，產生新觀念.有教育功能的經驗，不同于“呆板的活動”(不能自主的機械動作)和“無恒的活動”(毫無目的，不顧將來結果的活動)，“把目的(即結果)與過程視為一件事”，活動的經驗是占用時間的，它的后一步就是完成它的前一步，后面的結果就表現出前面的目的，這種完整經驗使人掌握良好的行為模式(習慣)[2].根據建構學習觀點，知識的獲得不是一次性完成的，知識的獲得與知識的應用也不是絕對依次進行的.知識的學習可以分為知識的生成與理解、知識的整合和深化、知識的應用與遷移3個階段，所有階段的知識學習都遵循知識的雙向建構和雙向遷移的過程，往往是在應用的過程中被獲得、理解、深化和整合的，同時，學習者在學習過程中具有主動性[3].

根據杜威的“做中學”(Learning by doing)觀點，大學物理實驗恰好就是學生做而獲得經驗的過程，是經驗的成長和改造過程.實驗過程中學生反復主動學習與應用，遇到各種問題，通過舊經驗，帶著問題，解決問題，獲得新經驗，獲得學問.在實驗課堂上，實驗原理通常是書本上的、學生在理論課堂聽講得到的理論知識；實驗進行中，學生必須親自操作各種實驗儀器，要求學生必須學會掌握儀器的操作及使用方法；在記錄數據和分析數據時，學生必須學會運用數據運算分析方法；當學生得出實驗結論時，也必然又要用到課本中的理論來解釋實驗結果和實驗現象；完成實驗后，學生解決了問題，獲得了實驗能力和實驗技巧.從整個實驗過程中，可以看到幾種類型知識學習和遷移的體現.學生首先要利用書本上學到的間接知識，通過在實驗中親身體會，學到了直接知識；學生在實驗中直接體會、理解并應用帶有理論性色彩的顯性知識，但同時，他們親自動手實踐，也得到了隱性知識——實踐知識；在為了達到實驗目的、解決問題的過程中，學生一步步地把陳述性知識——實驗原理、儀器原理、運算規則，轉化成程序性知識——儀器的操作、數據的運算、實驗結果的分析，獲得最終的程序性知識——實驗能力.對于每一個學生，實驗的整個過程，從對實驗原理的理解、儀器的操作到原始數據的記錄及處理、結果的分析無一不反映他對陳述性理論知識的掌握程度，而利用程序性知識，成功的完成實驗,甚至不太成功的完成實驗又反過來會促進他對陳述性理論知識的理解與認知.通過實驗，學生把理論課堂上以記憶的形式存儲下來的知識在實驗課堂上提取、釋放和運用；通過實驗，學生把抽象的知識具體化；通過實驗，學生頭腦中的物理符號、物理概念有了確定的意義；抽象的概念和復雜的過程通過物理實驗直觀顯現，通過實驗，學生直接認識物理和物理的應用.

3 提高大學物理實驗教學效果的若干方法和手段

大學物理是理工科學生重要的基礎課，是學習其他專業課的基礎.在大學物理教學中，大學物理尤其是一門繁雜、抽象、建立在數學工具上、用各種數學公式來表達物理思想和物理過程的課程，這決定了學習這門課的難度，而大學物理實驗對物理教學的推進作用不可忽視.但是,由于各種主客觀條件限制，大學物理實驗教學中還存在很多問題，這種促進作用并沒有完全發揮.對于物理，當前相當多的大學生第一反應還是如何應對考試中的試題，頭腦中的物理是一個個抽象的概念和復雜的公式，并沒有真正理解到物理的含義、意義和重大的應用價值.所以，我們必須尋求提高大學物理實驗教學效果的有效方法和途徑.

現在很多高校強調實驗的復雜性、高難度性，強調設置多層次教學、開放式教學，但是往往要受到學時、實驗空間和師資力量的限制，而基礎性實驗也蘊涵了物理的強大含義，也可以引起學生對物理的興趣，在傳統教學中也可以開辟新途徑來提高大學物理教學效果.

首先可以利用知識的遷移性，深挖基礎性實驗，加強實驗內容與理論內容的緊密結合.由于受到學時的限制，大學物理的實驗個數是有限的，而理論內容卻很多，所以可以在實驗內容上合理編排，增加內容含量，增加體現物理思想和方法的實驗內容，運用物理科學發展中形成的先進思想和方法進行研究和探索，實驗的目的不止于得到實驗結果或結論，而更在于學會運用物理思想和物理方法.利用實驗之間及不同層次實驗之間的相互遷移，讓學生在遇到某原理、原則適用的背景時，能脫離學習原理、原則的背景而把握其實質，并能準確地運用原理、原則去學習新知識和解決新問題，把陳述性知識與程序性知識緊密聯系起來.

在教課中，要為遷移而教，要整合實驗內容，把各獨立的實驗內容整合起來，鼓勵學生把內容相關的實驗聯系起來，把某一實驗中學到的知識點運用到其他實驗中，加強知識聯系，相互分析、解釋、進行聯想；展現物理科學在其他專業領域的應用，使學生有意識地將物理知識應用到實踐中，解決實際問題；實驗的過程可以采用理論——實驗——應用——理論——實驗——應用的模式，讓學生認識到物理的理論性、實踐性、應用性，在應用中加深對物理的理解.比如，在進行偏振光的觀察和測量實驗時，增加“馬呂斯定律的驗證”和“圓偏振光和橢圓偏振光的獲取與檢驗”，加入“生活中的偏振現象觀察”等拓展性實驗內容，這樣即能使學生熟悉起偏器和檢偏器，又能對光的偏振有一個深入的認識，進一步了解了光的偏振在實際生活中的應用.

在大學物理實驗教學中，如果學生真正完成實驗并且確切領會實驗背后的含義，不但會獲取物理的知識，而且也會提高實踐能力.但是，在很多情況下，學生看不到實驗的意義，沒有興趣，這里面體現出教學方法中不合適的地方，教師要轉變教學的方法.根據杜威的“做中學”(Learning by doing)理論，實驗應該是學生主動地、探索性地、創造性地做而獲得經驗的過程，是經驗的成長和改造過程.所以,教師在教學中處于“主導”地位,學生按照講義或者教師的講解亦步亦趨模仿的模式要改進.在原有這種模式中，學生完全跟著教師的思路走，沒有進行積極的思考，沒有自己的理解與認知，關心的是實驗結果，然后才是實驗過程，探索更少，而最后對整個實驗的描述僅以實驗報告的形式完成，在編寫實驗報告時，原始數據是由學生自己親自獲得的，而其他部分，包括原理、實驗步驟等很大部分內容都是由學生抄寫完成，并且最終的實驗分析幾乎就沒有，這樣的實驗沒有達到促進學生深刻認識物理概念含義和物理過程意義的目的，更別說能夠形成自己獨有的對實驗的認識.所以一定要讓學生真正地“做并思考”，真正理解每一個實驗的含義.對某些實驗，可以讓學生獨立的查閱資料、搜尋實驗原理及需要遵守的規則，探索性完成實驗操作過程、數據分析，得出結果后，獨立利用理論課堂上學到的理論或通過互聯網等手段查找到的相應知識點對實驗結果進行分析解釋，最終，完成對整個實驗的理解，實驗結論也不應該全部為實驗報告的形式，而要采取小論文的形式或設計性方案的形式，要求學生不要一味抄寫而是要變成自己理解，有自己的認識和觀點；即便對于驗證性實驗，也要增加學生獨立思考和分析的環節；在課堂上不能完成的實驗環節可以在課下完成，這就可以打破學時和實驗空間的限制；為了使實驗結論更加科學，在數據處理時可以引入計算軟件，這樣的一些手段對于學生理清實驗頭緒、形成自己的分析和認識有著巨大幫助，對于進行研究性實驗、撰寫研究性論文也大有幫助.

在這里，我們以RLC電路特性實驗為例進行探討.這個實驗有很多的知識點，首先，電阻、電容、電感是生活中常用的器件，可是，學生對電容、電感的認識僅僅停留在課本中，對它們在直流電路和交流電路中的特性可以背誦下來，卻沒有深刻理解，所以，通過將電阻、電容、電感的不同組合，接入正弦穩態交流電源或者方波電源，可以構成各種RLC交流電路，在這些電路中，通過電阻、電感以及電容上的電流與加在它們上的電壓隨著時間或頻率的改變而改變，學生通過觀察這些實驗現象，就會對電容、電感有深刻的認識；另外，這些電阻、電容和電感的組合有著非常重要的應用價值，在很多電子線路中要用到這些元器件，所以，學生在了解了RLC電路的各種特性，比如諧振特性、暫態過程、幅頻特性、相頻特性等特性，就可以進一步理解這些電路在電子儀器比如收音機中的應用，這對于學生理解物理知識有非常大的促進作用；在RLC電路特性實驗的進行過程中，教師指導學生完成實驗，但在學習的過程中也要加強學生的主動性學習，比如自己連接電路，自己分析實驗結論.另一方面還要求學生課下查詢有關RLC電路的應用知識點，將實驗與應用結合起來，就會將該實驗課程的教學效果大大增強.

提高大學物理實驗教學效果以促進大學物理教學是非常有必要且有重大意義的，作為一名長期從

事大學物理實驗教學的教師，在這里談一下這些年對實驗教學的體會，希望能引起大家的共鳴.