模塊化物理實驗教學的方式與策略*

丁 東 莊云飛 何英秋 李海軍 張曉春

(華北科技學院理學院 河北 廊坊 065201)

1 引言

大學物理實驗是面向高校理工科學生開設的一門通識性基礎課程.該課程覆蓋面廣，是對學生進行科學實驗基本技能訓練的開端，在培養學生初步掌握實驗科學的思想，掌握實驗研究的基本方法，提高學生分析、解決問題能力和創新能力等方面具有其他課程不可替代的地位和作用[1～3].

當前，在一般普通本科院校大學物理實驗課的開設和教學環節中還或多或少存在一些不足.在課程的設置上，有的院校一直沿用傳統上的按力學、熱學、電磁學、光學和近代物理學等順序排課，還有由于教學資源的匱乏導致被動的隨機排課等.自高考制度改革以來，很多省高考大綱和考試內容的側重點都不一樣，這就導致同一專業、同一班級來自不同省份的學生物理基礎不盡相同，也使得傳統排課方式或者隨機排課方式不能照顧到所有的學生.在教學方法上，通常教師采用一貫的“注入式”教學方法，即教師依次講解實驗目的、實驗原理、實驗方法和實驗步驟，然后學生按部就班地重復實驗流程、記錄實驗數據、處理實驗結果和誤差分析.這種教學模式雖然可以使學生很快掌握實驗內容、采集到預期的實驗數據，但同時也可能導致學生誤認為實驗就是重復書上的實驗內容和步驟，從而導致對實驗課程漸漸失去學習興趣，甚至會出現不認真聽課、偽造實驗數據、抄襲實驗報告結果等被動學習狀態.

如何在大學物理實驗課上激發學生學習興趣，提高學生學習積極性和主動性，進而培養學生自主學習能力，是當前高校物理實驗教學改革的重點內容[4～6].本文結合教學實踐，對大學物理實驗課的課程設置和教學方式進行研究和總結，探討模塊化物理實驗教學的方式與策略.

2 大學物理實驗模塊化課程設計

為了解決學生實驗基礎的差異性問題和提高教學資源的合理優化，建議大學物理實驗課程實施模塊化教學.我們這里考慮設置3個實驗模塊：基礎性實驗模塊、綜合提高性實驗模塊和設計研究性實驗模塊.

2.1 基礎性實驗模塊

基礎性實驗模塊目的是使學生掌握物理實驗中基本的實驗方法和正確處理實驗數據的初步能力.掌握常用物理量的一般測量方法，比如長度、時間、質量、加速度、力、角度、熱量、溫度、電阻、電流強度、電壓、電動勢、頻率或周期等物理量的測量.了解常用儀器的性能，并掌握使用方法，比如游標卡尺、螺旋測微計、天平、秒表、溫度計、直流電表、檢流計、電位差計、數字萬用表、信號發生器、通用示波器、讀數顯微鏡、直流穩壓電源等.能夠利用測量儀器對基本物理量進行測量和結果表示，包括直接與間接測量結果的表示、測量誤差的估計(平均絕對誤差、儀器誤差、標準偏差等).可參考的具體實驗項目，如基本測量、示波器的使用、牛頓環測透鏡曲率半徑、電表改裝與校準、光學基礎實驗等.

2.2 綜合提高性實驗模塊

綜合提高性實驗是在學生初步掌握了基本物理實驗方法的前提下，綜合考慮多領域知識點的交叉融合，尤其是應用兩種以上實驗方法或技術的實驗項目.包括扭擺法測量物體轉動慣量、液體粘滯系數的測定、氣體比熱容比的測定、密立根油滴法測定電子電荷、邁克爾孫干涉儀的調節和使用、聲速的測量等.例如，在聲速的測量實驗中，綜合應用轉換法、共振干涉法和相位比較法等測量方法；在密立根油滴法測定電子電荷實驗中，需要綜合應用力學平衡法控制油滴、圖像法或最小二乘法處理實驗數據.綜合提高性實驗模塊旨在啟發學生綜合運用物理實驗方法，培養學生分析和解決實際問題的能力，進而提高學生科學實驗能力.

2.3 設計研究性實驗模塊

設計研究性實驗模塊是由教師提出實驗方向和實驗要求，學生根據具體的實驗條件構思實驗目的、設計實驗方法和實驗步驟，在教師的指導下通過獨立操作最終完成具體的實驗過程.要求學生掌握基本的實驗技能并能夠綜合運用多種實驗方法完成一定量的綜合提高性實驗項目，這是對學生科學實驗素養、自主創新意識、分析問題和解決問題能力的進一步鍛煉和提高.比如，動力學綜合設計性實驗、多普勒效應綜合實驗、自組微波光學實驗等.

3 教學方式與策略

在大學物理實驗課程的教學過程中，結合模塊化課程設計，我們提出階段性啟發式教學方法.啟發式教學在激發學生自主學習熱情、提高學生學習興趣等方面是一種有效的教學方法.早在我國古代，思想家、教育家孔子就十分重視啟發式教學，提出了“不憤不啟，不悱不發”的教學思想，意思就是說：“不到他努力想弄明白而得不到的程度不要去開導他，不到他心里明白卻不能完善表達出來的程度不要去啟發他.”對教師來講，在把已有知識傳授給學生并且鼓勵學生運用所學知識去解決實際問題時，首要任務就是調動學生學習的主動性，通過積極引導激發學生求知欲(或學習需求)，使學生在學習過程中意識到對某方面知識的欠缺，達到力求獲得提高的一種心理狀態.

針對不同的模塊化課程以及學生在不同模塊化教學過程中的知識儲備，采用由淺入深的方式不斷啟發學生思考，使學生既能體會到通過自身努力學會了一些物理實驗知識和方法的成就感，又有對更為復雜問題求解的困惑，對大學物理實驗課程的學習時刻保持“饑渴”狀態.啟發式教學需要教師了解學生學習基礎，實驗過程中要恰當地設問、積極地引導并掌控好課程的進度.這就要求教師不斷學習，只有具備了深厚的理論知識和豐富的實踐經驗，才能更好地組織課堂發揮啟發式教學方法的優勢.

3.1 基礎性實驗模塊的啟發策略

基礎性實驗模塊的教學注重學生基本實驗能力的培養，包括學生觀察能力和動手能力、學習基本的實驗方法和技能等.因此，該階段啟發式教學應簡單明了，可采用實物演示法和直接提問法.例如，在基本測量實驗中，首先讓學生觀察米尺、千分尺和游標卡尺等長度測量儀器的基本結構和最小分度值，討論和學習直接測量結果的誤差和測量結果的表示方法.在學生掌握了直接測量結果的表示后，啟發學生如何測量間接測量量，比如形狀規則物體的體積.以測量圓柱體體積為例，要求學生用千分尺測量圓柱體的直徑、用游標卡尺測量圓柱體的高，在學生寫出體積公式后，啟發學生思考以下問題：

(1)為什么需要多次測量圓柱體的直徑和高；(2)間接測量結果應該如何表示；(3)測量結果平均值的有效數字該如何取舍；(4)測量值的標準偏差該如何計算.

通過啟發式教學指導學生類比前面已經學過的直接測量量的測量方法、誤差分析和結果表示，學會間接測量量的實驗處理方法.

3.2 綜合提高性實驗模塊的啟發策略

綜合提高性實驗模塊的教學重點是對學生分析問題和解決問題能力的培養.該階段采用問題教學方式啟發學生獨立思考，在學生已經掌握了一定的基礎知識和基本實驗方法的基礎上，引導學生積極主動地探索實驗過程中遇到的問題并進一步給出具體解決思路，從而激發學生的學習主動性，提高學生學習效果.

例如，在扭擺法測量物體轉動慣量實驗中，通過學習塑料圓柱體和金屬圓筒轉動慣量的測量，啟發學生思考如何測量金屬細桿的轉動慣量.有的學生可能會用夾具固定好金屬細桿，并思考如何調整光電傳感器和金屬細桿的位置進而重組實驗裝置.甚至可能會有學生直接把金屬細桿放到載物圓盤上，在發現金屬細桿無法固定時自然就會修正錯誤并尋找正確的實驗方法.學生通過自己動手安裝好金屬細桿后，實驗裝置可能會存在一些問題，比如光電傳感器高度不合適、夾具未夾在金屬細桿中心等，出現這些問題都很正常，這個時候，教師不要急著給學生糾正錯誤，可以采用問題教學啟發學生思考：

(1)當擺動金屬細桿開始測量時，如果計時燈一直不亮，問題可能出現在哪里并且該如何解決；

(2)如果實驗值和理論值存在較大偏差，可能的原因是什么？

這樣，學生在實驗過程中，遇到類似的問題就會主動地尋找問題的原因，通過進一步調整實驗裝置或糾正操作上的錯誤而解決實驗中出現的各種具體問題.最后，教師總結實驗過程中學生可能遇到的各種問題及問題的解決方法.這樣，既培養了學生分析和解決問題的能力,又鍛煉了學生的動手能力.

3.3 設計研究性實驗模塊的啟發策略

設計研究性實驗模塊的教學注重學生創新能力的培養.鼓勵學生通過主動思考善于發現問題，設計并提出合理可行的科學實驗方案.例如，在微波光學實驗中，可以嘗試僅通過介紹實驗裝置，結合學生對光學理論知識的學習和基本實驗技能的掌握，啟發學生通過主動思考組裝儀器，設計可行的實驗項目：如反射實驗、棱鏡折射實驗、駐波法測量波長、單縫衍射、雙縫干涉、偏振實驗、勞埃德鏡及觀察布儒斯特角等.再比如，在分光計測光柵常數實驗中，當學生提出望遠鏡中二級光譜線亮度太低而無法讀取數據時，教師可以通過對分光計儀器構造的講解和光路的分析，啟發學生分別在光源、光路和望遠鏡這3部分尋找可能的原因.要充分調動學生主觀能動性，使學生積極主動地探索問題的解決途徑，提出合理可行的解決方案.為了獲得足夠清晰的光譜線，學生通過對儀器反復調解和實踐可能找到以下原因及相應的解決辦法：

(1)平行光管狹縫太窄導致光強太弱，解決辦法是適當調節狹縫寬度以增加入射光強度；

(2)光譜線或分劃板模糊不清，解決辦法是調節望遠鏡鏡筒位置和目鏡焦距；

(3)背景光太強，通過實踐學生發現用書或幾張紙遮擋住外部光線，用手指適當遮住一小部分望遠鏡鏡筒可以有效減小背景光的影響進而提高光譜線的清晰度.

問題是思維的起點，發現問題是創新的前提.在課堂教學中，要通過啟發學生主動提出問題，讓學生成為課堂教學的積極參與者，這樣不僅能使學生的創新思維得到發展，而且還能激發學生學習的積極性.

4 結束語

綜上所述，大學物理實驗模塊化課程設計與階段性啟發式教學不僅有利于促進學生對物理實驗知識的理解，提高學生的學習興趣，而且有助于學生發現問題、解決問題和創新能力的培養.將啟發式教學靈活應用于大學物理實驗課堂，只要師生共同努力，相信一定可以培養出具有良好科學素養和創新能力的高素質人才.