一種大學物理設計性實驗教學模式探索

趙朝軍 韓娟 邱文旭 智春艷 劉金秋

摘?要：本文分析了傳統的大學物理實驗教學模式存在的問題，針對性地提出了一種設計性大學物理實驗教學模式，通過該教學模式的實施，能夠激發學生學習大學物理實驗的興趣，同時促進了學生動手能力和創新能力的提高，將逐步實現應用型本科實驗教學的改革和創新。

關鍵詞：大學物理實驗;設計性實驗;教學模式

中圖分類號：O41??文獻標識碼：A

1?緒論

傳統的大學物理實驗教學過程分為三個環節，如圖1。首先，教師給學生講解實驗原理、實驗目的、實驗儀器及實驗步驟等內容。其次，教師集合學生，按照實驗步驟給學生詳細演示實驗操作過程。最后，學生觀察完實驗操作步驟后，按照教師的演示步驟進行實驗。由此可見，傳統的教學模式主要是以教師為主體，學生為客體，實驗課教學模式過于“理論化”，實驗操作過程過于程序化，這種實驗教學難以調動學生的積極性，抑制了學生的創新思維。另外，傳統的大學物理實驗課程驗證性實驗及經典物理實驗內容偏多，設計性實驗不足。這種知識體系下的實驗教學，難以促進學生進一步深入學習的興趣，也在一定程度上不能最大限度地提升學生的創新能力。因此，需要對傳統的大學物理教學實驗模式進行大膽創新，進一步提高課堂教學質量。

2?設計性實驗教學模式

本文提出一種大學物理設計性實驗教學模式[1]如圖2。首先，教師提出設計實驗[2]名稱，班級學生進行分組，每組學生針對實驗名稱，并結合實驗室現有的儀器，自己通過閱讀論文，查閱資料，網上搜集數據等形式確定設計實驗方案，并撰寫實驗方案報告。當所有分組的學生完成實驗方案后，教師組織學生進行分組討論。

圖2?設計性實驗教學模式

如果相關分組的同學實驗方案[3]可行，則進入實驗室，利用實驗室現有的儀器，參考預先設計的實驗方案，進行實驗操作，完成實驗后，進行實驗數據處理。如果相關分組的同學實驗方案不可行，則該組同學需要重新設計實驗方案，待分組討論合理后，方可進入實驗室按照實驗方案操作實驗[4]。

等待所有組別同學完成實驗且處理實驗數據后，每個組做好整個實驗進程的PPT，進行分組答辯。答辯過程中，任意同學可以進行答辯環節提問。待整個答辯流程結束后，教師根據學生的實驗方案，實驗操作及實驗報告和答辯環節的綜合表現給出最后的總評成績。

3?設計性實驗教學模式實例

例如測量定值電阻阻值的設計性實驗教學中，學生先進行分組，分組后每個小組設計實驗方案，通過收集學生設計的實驗方案，匯總后有多種實驗方案。

第一個小組學生提出用伏安法測定值電阻的阻值，學生設計了實驗電路，先利用實驗室現有的儀器連接好電路，設計好記錄數據的表格，接著按照設計的實驗步驟進行實驗，每次實驗記錄電壓表的示數和電流表的示數，多次測量多組數據。當學生測量完數據后，緊接著進行數據處理。這時授課教師給該組學生分配一項任務，討論實驗數據的處理方法，該組學生進行激烈討論，提出的數據處理方法有列表法和作圖法[5]，經過授課教師的指導，該組學生選擇了作圖法進行數據處理，但作圖法結合了計算機軟件，使得處理數據更加快速、高效。

當該組學生完成電路設計及數據測量和數據處理步驟后，授課教師給學生提出幾個問題，一是如果實驗室只提供電流表而不提供電壓表，如何測量未知電阻的阻值[6]。授課教師要求該組學生進一步討論，最好能夠設計出電路圖。二是如果實驗室只提供電壓表而不提供電流表，如何測量未知電阻的阻值，授課教師引導學生進一步討論。

第二個小組學生提出用直流電橋法測定值電阻的阻值。在用該方法測定值電阻時，第二小組的同學又提出兩種方法。第一種按照設計的電路圖連接好電路，電路中滑動變阻器用分壓式連接，滑動觸頭兩邊對應的電阻記為R1和R2，電阻箱記為Rs，未知電阻記為Rx，檢查電路無誤后，設置不同的R1R2的數值，利用直接法的公式Rx=R1R2Rs計算未知電阻的阻值，最后將多個Rx的值求平均值，計算出待測電阻的阻值，緊接著交換未知電阻Rx和電阻箱Rs的值。第二種方法利用箱式電橋，連接好外圍電源，外接電流表，在箱式電橋中設置R1R2的數值，利用直接法公式Rx=R1R2Rs計算待測電阻的阻值，共測三次。第二小組同學在用自己搭建好的電路測試未知電阻時，閉合開關后出現若干故障。比如電流表的指針未偏轉，比如電流表的指針發生偏轉，比如電源出現報警，這時授課教師不要急于為學生解決存在的問題，可以提示學生可能存在的原因，該讓學生自己根據電路圖及實物電路查找問題，這樣鍛煉了學生的動手實踐能力，又提升了學生對電路的分析[7]能力。

當學生完成了整個實驗的電路設計及電路連接和測量實驗數據后，授課教師引導學生對實驗電路中經常存在的故障及解決方法進行總結，并反思自主設計實驗教學[8]過程中的教學方法。一是要注意電路中是否存在短路現象，當存在此現象時，應該立刻關閉電源，重新回歸到實驗的電路圖，認真分析電路的串、并聯方式及分析清楚電路中的結點，主要是要分析清楚電流的流向。二是要注意電路中是否存在斷路現象，當存在此現象時，學生也應立即切斷電源，認真分析電路圖，檢查電路連接，必要時利用歐姆表等儀器判斷電路中具體位置是否存在斷路現象。這個過程中，有小組學生提出利用歐姆表判斷電路中具體的斷路位置存在一定的困難，這時授課教師應該從最基本的理論講起，給學生講解該方法的原理，接著為學生親自演示操作的方法，最后為學生設置一定的實際問題，讓學生利用學到的原理及方法解決對應的實際問題。三是要注意連接電流表時電流表串聯在電路中，而電壓表要并聯在電路中。四是要注意連接滑動變阻器時分清楚滑動變阻器的連接方式是分壓式還是限流式，要熟悉滑動變阻器的分壓式連接電路和限流式連接電路，大部分的學生對滑動變阻器的限流式連接比較清楚，但是對分壓式連接不一定清楚明白，所以授課教師要將分析滑動變阻器的分壓式連接作為重點內容，詳細地為學生分析電流的流向，讓學生能夠熟練掌握滑動變阻器分壓式的連接。四是要注意連接電路時要斷開開關。在實驗課的教學過程[9]中，授課教師發現有些學生連接電路時電源依然打開，這樣在連接電路過程中存在一定的安全隱患。五是要在電路連接完成后，測量前要先估測一下所需要的電壓表或電流表的量程，所選擇的電壓表或者電流表的量程不能過大或者過小。