大學物理實驗教學改革的探討與實踐*

檀姍姍 黃 蕊 孫宗利 翟永安 張君霞 彭增偉

(華北電力大學科技學院 河北 保定 071051)

物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式、相互作用及其轉化規律的學科.它的基本概念、基本理論滲透在自然科學的各個領域，應用于生產技術的許多部門，是自然科學和工程技術的基礎.在人類追求真理、探索未知世界的過程中，物理學展現了一系列科學的世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質世界的基本認識、人類的思維方式和社會生活，是人類文明的基石，在人才的科學素質培養中具有重要的地位.

物理學本質上是一門實驗科學.物理概念的建立、規律的發現都以嚴格的科學實驗為基礎，并通過實驗來證實，因此物理實驗在物理學的發展過程中起著重要的和直接的推動作用[1].在大學物理實驗課程中開設的實驗, 有的在物理學和科學的發展史上發揮過重要里程碑的作用，有的實驗所涉及的設計思想、實驗方法和實驗技術正在現代科學技術和國民經濟建設中發揮著重要的作用.通過學習某些前沿領域中的近代物理實驗，可以開闊學生的眼界，激發學生的創新意識，培養學生使用新設備、新儀器及應用新技術的能力.

1 國內物理實驗教學現狀

1.1 教學模式的不同

根據各高校的實際情況，國內物理實驗教學模

式基本可以分為兩種.

1.1.1 教師負責固定實驗的教學模式

這種教學模式在綜合類院校，特別是缺少專門物理實驗教師的高校比較常見，一般是物理任課教師在負責大學物理課程教學任務的同時，也負責學校所有必修物理實驗學生的大學物理實驗課程的教學任務.基本的教學流程為：第一，教師講解實驗，講解內容包括實驗原理、儀器介紹、儀器使用注意事項和演示操作4個部分.第二，學生做實驗，學生按照教師演示的實驗操作，結合實驗原理完成實驗.第三，完成實驗報告，根據每一個實驗的要求，結合自己測量獲得的實驗原始數據，完成實驗報告.這種教學模式優缺點參半，優點是教師負責固定的實驗，可以游刃有余地把握所負責實驗的各個環節，不管學生在實驗過程中出現什么問題，都可以根據往常積累的經驗和儀器的特性及時解決，而且這種模式也有利于儀器維護和維修，同時提高學生的實驗效率，保證絕大部分學生在規定的時間內完成實驗.缺點是由于學生的不固定性，教師沒辦法進行教學改革和學習效果的跟蹤，且容易使學生養成課前不認真預習(甚至不預習)的習慣，絕大多數學生都是聽教師講完后一邊看書一邊做實驗，所謂做實驗就是測數據，至于實驗的真正目的是什么，為什么要這么做，學生根本不愿去思考.另外，教師對實驗成績的評定也主要是以數據或報告為主，對實驗過程的評價稍顯欠缺，這也是導致學生重結果、輕過程，甚至為了成績而去偽造數據的重要因素.

1.1.2 教師跟班制的教學模式

與教師負責固定實驗的教學模式不同，教師跟班制由一名教師負責若干自然班級或若干實驗組一學期全部的實驗課程.實驗項目的選取、實驗前儀器的準備、實驗室的調配等都由該教師有針對性地安排[2].每位教師要負責10個左右的實驗，任課教師不僅需要熟練掌握這些實驗，同時還需要不斷補充與之相關的新的實驗方法與手段，這樣一來，跟班制教學對任課教師提出了更高的要求，同時對實驗室的調配、交接及實驗器材的維護也提出了新的挑戰.這種教學模式，要求每位教師針對所帶學生的所學專業特點、學生的理論基礎知識掌握程度，對一學期的實驗課程做出合理的統籌規劃，把彼此孤立的實驗結合成一個整體.同時，也要求教師認識所帶實驗教學班的每一個學生，根據每堂課每個學生的表現，深入了解他們對大學物理實驗這門課的認知程度，從而制訂出最優的教學方法.學生熟悉并了解任課教師的教學方法后，可以隨時根據自己實驗中出現的問題與老師進行溝通交流，更深入地理解掌握各個物理實驗，加強各實驗之間的聯系，提高自己的實驗素養.

1.2 教學方法的差別

1.2.1 教師講授式

教師講授模式是大部分高校實驗室采取的實驗教學法.教師講解實驗原理、實驗儀器和實驗操作步驟，學生按照固定模式完成實驗，記錄原始數據，課下再計算數據處理及誤差分析.完成整個實驗的過程中，學生都在按照教師的要求及教師的操作步驟完成實驗，這樣的傳統教學方法不能培養學生學習實驗的積極性和主動性，在激發學生的自主創新能力方面更顯得捉襟見肘.

1.2.2 多元化教學法

多元化教學法對實驗教師的要求高于教師講授式.多元化教學法要求教師準確定位各個實驗的難易程度，并將各個實驗與日常生活的契合度作出分析.在講解實驗時，可以靈活引入與實驗相關的多媒體素材，且可以使用各種不同的教學軟件和平臺，更完美地將實驗呈現在學生面前.比如，可以通過翻轉課堂達到學生課前自學實驗的目的[3].比如在“楊氏彈性模量的測量”這個實驗中，在望遠鏡中找到標尺的像是這個實驗的關鍵，由于講解過程中，學生看不到望遠鏡中呈現出的圖像，這種情況下，教師講解費時費力，但學生接收度很低，甚至大部分學生不知所云.導致學生在調整儀器過程中，會花很長時間才能找到標尺的像，很多學生都不可能在規定的時間內完成實驗，最后就變成惡性循環，編數據，抄數據.鑒于這樣的情況，教師可以事先錄制一個簡短的視頻，把望遠鏡目鏡中的視野清晰直觀地錄到視頻中，同時把調整儀器的方法、要點，步驟，以及可能出現的現象等，都一一反映在視頻中.學生課前預習時，除了預習書本上的理論知識，還要觀看視頻，課上學生調節儀器時，對儀器調節已經有一個基本的了解，操作起來才會有較高效率，也會對實驗有較深刻的認識.

1.3 課程考核方式的不同

1.3.1 平時成績+期末成績

開課之前，物理實驗室會根據實驗室現有的儀器設備制定出本學期需要學生完成的物理實驗內容，并提前制定學生實驗成績的分布比例.比如，實驗滿分為100分，在計劃學時內，學生根據教師的要求完成8個實驗，每個實驗分數設定為10分，剩余20分以考試的形式完成.由實驗教師制定實驗題目，要求學生獨立操作完成，并在考試時間內做出相關的數據處理，教師根據學生的操作和數據處理結果，給出考試分數，這種考核方式是大部分院校的課程考核方式.

1.3.2 指定實驗+設計性實驗

這種考核方式的最終分數由指定的幾個實驗分數和學生設計性實驗兩部分組成，比例要按照實際情況來定[4].關于設計性實驗的設定，教師可以根據學生平時學習的情況，給出實驗題目，讓學生通過查資料的方式，用日常生活中可以找到的物品作為實驗器材，獨立設計出一套完整的實驗方案，并完成.實驗操作過程可以錄成視頻交予教師查閱，同時學生可設計并完成一份完整的報告，包括原理、方法、步驟和數據處理、誤差分析，或者讓學生寫一份完整的調研報告，如果能鼓勵學生以自創小論文或自創實驗工具的形式將自己設計的實驗進行發表和展示更佳.這種考核方式對學生的創新思維和創新能力要求較高，在培養學生獨立思考能力和動手能力方面能起到很好的作用.

2 在實際教學中進行的實驗教學改革

2.1 教學模式的改革

我校的大學物理實驗為全院的理工科專業學生開設，分兩個學期，分別在大一后半學期和大二前半學期.大學物理實驗在前幾年一直采用的是教師負責固定實驗的教學模式，在2020年新冠疫情的大背景下，為了方便組織和聯系學生，也為了促進教學與實驗的結合統一，提高學生實驗學習的系統性和積極性，針對2019級學生，物理教研室將2019-2020-2學期的大學物理實驗課程轉為線上開展，同時，一改教師負責固定實驗的教學模式，轉為教師跟班制的教學模式.在2019-2020-2學期大學物理實驗開課之前，物理教研室的教師們作了充分的調研與準備工作，多次開會討論修訂教學大綱、制定教學計劃，審定教學設計、制定讓學生宅在家就可以操作的物理實驗內容.2020-2021-1學期，疫情得到有效控制，教師和學生返回學校，返回課堂.針對大學物理實驗，物理教研室的教師們經過開會討論，決定仍然采用教師跟班制的教學模式.結合大學物理所授內容和實驗室實際情況，通過開展教師集體備課活動，發揮團隊優勢，物理教研室的教師們制定了合理的實驗方案、實驗室維護及調配方案等系列內容，來解決此次教學改革面臨的種種挑戰.

2.2 教學方法的改革

15～18級學生的實驗課堂采取的教學方式是教師講授式，以教師講解實驗原理和演示實驗為主，教師講完后，學生按照教師的要求按部就班完成實驗并測得原始數據即可離開實驗室進行課下數據處理和實驗報告的撰寫.

針對2019級學生，2019-2020-2學期的大學物理實驗課程在線上開展，由于居家實驗帶來的不便，只能讓學生就地取材，設計若干個與大學物理內容相關的實驗，比如拉脫法測液體表面張力系數、固體表面的浸潤和疏水性質的實驗觀測等.教學方法采取的是線上教學的方式，與在校完成實驗教學不同，居家實驗教學過程中，教師會詳細講解每個實驗涉及到的原理，并對自己預先做的實驗以圖片或視頻的形式展示給學生，并對學生居家操作實驗給出適當建議.在這種大背景下，對學生設計實驗和動手操作能力提出較大挑戰.盡管如此，本學期大部分學生都能夠較好完成實驗.

2020-2021-1學期，學生返校以后，經過教研室討論，一致認為往年采用的教師講授式不能激發學生的實驗積極性，在采取教師跟班制教學模式的同時，鼓勵各位教師在講解實驗時，適當在課前選用教學軟件或教學平臺給學生發布實驗預習信息及與實驗相關的多媒體素材.在教學過程中，教師們用到的教學軟件和平臺有釘釘、課堂派、中國大學MOOC等.針對不同實驗，制作和搜集了不同的多媒體素材，包括圖片、視頻等.圖1是講解邁克爾孫干涉實驗前，預先拍攝的實驗儀器圖，圖2為邁克爾孫干涉實驗儀接收屏上的干涉圖樣，圖3是講解密立根油滴實驗前，預先拍攝的儀器顯示屏中看到的油滴圖像，圖4是講解楊氏彈性模量測量實驗前，預先拍攝“三點一線”圖，圖5為望遠鏡中看到的標尺的像.

圖1 邁克爾孫干涉實驗儀

圖2 邁克爾孫干涉圖樣

圖3 密立根油滴實驗拍攝圖

圖4 楊氏模量測量“三點一線”圖

圖5 望遠鏡中看到的標尺像

2.3 課程考核方式的改革

15～18級學生的實驗課程考核方式相同，最終成績的計算公式為：實驗分數=緒論部分測試(滿分100分)×0.2+單次實驗成績(滿分10分)×8.這種考核方式要求物理教研室在學期初就選定本學期要做的8個物理實驗，并對每個實驗分數的配比做出統一規定，雖然在給分時，也是預習、操作、實驗報告3個部分的結合，但多數情況下，教師都是根據學生的實驗報告給出最終分數.

2019-2020-2學期，19級學生居家實驗，實驗總成績的計算公式為：實驗分數=緒論部分測試(滿分100分)×0.2+單次實驗成績(滿分10分)×8，雖然公式與之前的實驗成績計算公式相同，但學生的每一個實驗要交兩個作業，一部分是實驗操作視頻，視頻中要求學生拍攝完整的實驗操作過程并進行相應的解說，另一部分是本次實驗的實驗報告，實驗報告由學生自己設計，但也應該包括實驗原理、實驗內容、實驗原始數據的測量、數據處理及實驗總結.單次實驗分數更看重學生拍攝的實驗操作視頻.2020-2021-1學期，19級學生返回學校，有了上學期新式實驗課程考核方式的基礎，經過教研室開會研討，決定制定新的課程考核方式，首先從制定實驗的方向進行改革，由原來的制定8個固定實驗改為指定實驗+設計性實驗的方式，指定的6個實驗為密立根油滴實驗、剛體轉動慣量的測量、示波器的使用、聲速的測量等.設計性實驗包括插針法測量水的折射率和單擺測重力加速度.考核方式也更靈活，特別在考核設計性實驗時，學生設計的實驗方案、實驗可行性和實驗操作是關鍵給分點.在這種考核方式下，更能激發學生的自主創新能力，在培養學生動手能力方面也大有益處.

3 實驗教學改革成果

表1是華北電力大學科技學院15級學生到19級學生兩個學期的實驗成績數據.

表1 15～19級上、下學期物理實驗成績分布表

從表1可以得到以下結論：

不論哪一級的學生，優秀、良好和中等3個分數段所占比例都是第二學期要高于第一學期，這個結果是在意料之中的.學生從第一學期開始接觸物理實驗，并不熟悉物理實驗的整個流程和各個實驗教師的要求，因此對物理實驗的關注度不夠，學習物理實驗的相關原理和操作積極性不高，且物理實驗成績不是采取集中考試的形式判定，而是由各個物理實驗分數疊加的總和構成，以上原因使得學生在第一學期對大學物理實驗的重視程度有所欠缺，直接導致整體成績不理想.有了第一學期的經驗教訓，學生在第二學期，對物理實驗會有新的認識，對自己也會有較高的要求，不管是在聽老師講解的過程中，在實際操作中，還是在課后完成實驗報告時，都比較認真，這也是第二學期整體成績比第一學期好得多的根本原因.

對于19級學生，在教學模式方面，采用的是教師跟班制的教學模式，在教學方法方面，采用的是多元化的教學方法，在課程考核方式方面，更注重學生的自主創新能力和動手能力.雖然由于疫情的原因，第一學期的物理實驗由教師確定實驗題目，安排學生在家就地取材進行，但由數據也可看出，優秀和良好的占比率也要比之前任意一屆高出許多.第二學期返校以后，每位教師的教學靈活性更高.每次上課前可以隨時抽查學生的課前預習情況，很好地解決了以往學生不預習的情況.實驗講解過程中，教師可以根據自己所帶學生的理論課學習情況，將每個實驗用到的理論原理知識和實驗很好地結合起來，講解實驗的過程，也是復習和鞏固理論知識的過程.與此同時，結合各種多媒體素材也更能調動學生對實驗的學習積極性.學生在獨立操作時，教師可以根據每位學生的表現給予及時的指導、糾正和建議，從而使學生的實驗完成得更順利.課下，學生也會根據自己實驗老師對每一個實驗提出的要求，撰寫實驗報告，不會因為不同實驗由不同的教師負責，對學生的要求不同而導致學生寫報告時有手足無措的情況發生.在緊抓實驗各個環節的前提下，整體實驗成績確實有了很大的提高.

4 總結

物理實驗課是高等理工科院校對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端.物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法和手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，是培養學生科學實驗能力、提高科學素質的重要基礎.因此，在進行大學物理實驗教學時，一定要結合學生的綜合素養、各學校的具體情況，選擇合適的物理實驗教學模式，采用多元化的教學方法、靈活的課程考核方式，讓學生從物理實驗課程中，能真正有所收獲，比如獨立實驗能力、分析與研究能力、理論聯系實際的能力以及創新能力等的培養.同時，大學物理實驗在培養學生嚴謹的治學態度、活躍的創新意識、理論聯系實際和適應科技發展的綜合應用能力等方面具有其他實踐類課程不可替代的作用.