改進“實用型”大學物理實驗儀器 促進實驗教學質量提高

李景奎 崔金剛 田赫

摘? ? 要：物理實驗儀器的好壞直接影響學生完成物理實驗的效果，更會影響實驗課的教學質量。大學物理實驗儀器具有使用率高、儀器數量大和儀器損壞速度快等特點。自制和改進“實用型”物理實驗儀器是非常必要的，文章闡述了改進“實用型”大學物理實驗儀器的具體方法和步驟，提出“學生參與，教師主導”改進模式，有利于提高實驗儀器利用率和完好率，能夠從本質上提高學生實驗水平，提升實驗教師的業務水平，促進大學物理實驗教學質量提高。

關鍵詞：大學物理實驗;儀器改進;“實用型”;教學質量

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）04-0075-03

大學物理實驗是理工科院校的第一門基礎實驗課，是本科生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，物理實驗的知識、方法和技能是學生進行后續實踐訓練的基礎[1-2]。經過大學物理實驗教學的“洗禮”，能夠使學生受到系統的、嚴格的實驗技能和動手能力訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，更主要的是培養學生的思維能力和創新精神，以及分析和解決實際問題的能力。物理實驗儀器好壞直接影響學生完成物理實驗的效果，更會影響實驗課的教學質量[3]。高校經過多年的投入，物理實驗室現有儀器設備和實驗條件已經有了較大改善，建立了完善的力、熱、光、電等實驗項目，能夠滿足大學物理實驗基本教學需求。但有些儀器廠家生產的物理儀器設備，沒有經過長期實踐教學檢驗，難免在使用中存在各種缺陷或不足，嚴重影響了實驗效果。另外，大學物理實驗儀器使用率較高、儀器數量較多、儀器損壞速度較快，還存在部分實驗儀器效率低下，學生無法完成實驗等問題。隨著科技的發展，部分物理實驗儀器與教學內容相對過時，反映新技術的實驗不能及時得到補充[4]。傳統的物理實驗教學方法較為單一，這些與現代人才培養的要求不相適應，致使物理實驗教學質量不能得到明顯提高。要解決現有教學儀器不足和實驗儀器老化，以及部分儀器設備效率低下，學生無法短時間完成實驗等問題，需要教師自制和改進儀器設備，補充實驗教學。在教學中注入新的教學理念，通過改進“實用型”大學物理實驗儀器，促進物理實驗教學質量提高。

一、改進“實用型”實驗儀器方法步驟

物理實驗技術改進包括改進現有設備的使用功能、開發新的實驗方法和開拓新的實驗項目。改進實驗儀器是在認識該儀器基本理論和原理后，通過操作實驗設備對儀器的原有設計和操作進行反思，保持原有實驗設備設計方法和設計思想基礎之上對儀器進行局部改造。首先，對現有實驗儀器進行充分調研，采取網絡調查、師生座談、課堂反饋等方式與學生進行溝通，掌握學生對物理實驗教學的意見、態度，以及要求等情況。了解學生的實驗動手能力與物理知識掌握情況。需要對物理實驗項目發展進行充分調研，了解儀器發展過程，對改進“實用型”大學物理實驗儀器打下前期基礎。其次，研究分析現有儀器，了解現有儀器的優缺點，存在嚴重缺陷的進行重點研究，尋找不良儀器的代用品，充分利用現有儀器部件，變廢為寶，改進效率低下的實驗儀器，同時學習該領域先進理論知識，改進實驗教學設備，增強現有儀器的實用性和穩定性。最后，將新改進實驗設備應用到物理實驗教學中，在實踐教學中發現新設備的不足之處，聽取授課教師與學生的反饋意見，進一步改進儀器，完善儀器，最終完成新儀器制造，并進行推廣應用，具體研究方法及技術路線如圖1所示。

二、改進物理實驗儀器及實驗教學方法的具體實例

（一）“實用型”物理實驗儀器改進實例

液體粘滯系數測量實驗屬于大學物理實驗中一個基礎實驗。該實驗需要多次從蓖麻油中提起落針，原有儀器取針裝置設計較為死板，影響實驗操作，當落針在容器底部或距離落針移動線路較遠時，儀器自帶取針裝置很難提起蓖麻油中落針，導致部分學生很難在有限時間內完成實驗。原有儀器取針裝置是固定在容器一側的豎桿上，上下移動從底部提起液體中的落針，當落針在容器底部不處于取針裝置這一側時，該取針裝置就很難提起落針，并且該取針裝置只能安置一片磁鐵，磁性非常有限。自行設計的取針裝置如圖2所示，改進之處是：做一個長6cm，寬3cm，厚1.5mm的硬鐵片，中間部位平突起，呈拱形，將2片直徑為2～3cm強磁鐵用強力膠粘貼在一起，并用強力膠將其固定在拱形鐵片的一端，鐵片的另一端（手持部位）稍低、略窄，并打一個小圓孔，用長1m左右的線繩將取針裝置固定在粘度系數實驗儀上。該新型取針裝置可以從容器底部的任意部位、任意方向將液體中落針提到頂部，從而進行粘度系數實驗的測量。當取針裝置的磁性不強時，還可以增加磁鐵片的數量，增強取針裝置的磁性。該裝置設計簡單，方便操作，能夠縮短提起落針時間，提高學生實驗效率。

（二）實驗教學方法改進實例

全息照相是近代光學實驗中一個非常重要的實驗，其原理是以物理光學為基礎，整個實驗過程是通過干涉記錄，衍射再現來實現的。它需要良好的激光光源（如單橫模He—Ne激光器）、優質的感光底片（全息干板）和高度穩定的實驗裝置。如何利用現有簡單實驗設備，讓沒有實踐經驗的學生，在有限的課堂時間內拍攝出高質量全息圖是教師一直探索的問題。實驗中，學生調節光路時，常常反復調整、顧此失彼，難以完成實驗任務，也會出現拍攝成功率低，以及全息圖的衍射效率低等問題。在教學實踐中，通常使用米尺測量不同光學元件間的距離，計算物光和參考光光程，再調整物光和參考光光程，每挪動一個光學元件，都需要重新測量距離，實驗時間都浪費在測量距離這個環節上，實驗效率低下，嚴重影響學生學習積極性。改進方法則是采用線繩代替米尺靈活調整光程，不需要測距離，只需要利用線繩長度以物光為基準，調整參考光的光程，很快完成此步驟，有事半功倍的效果，具體光路圖設計如圖3所示，快速調節光路的方法為：（1）各元件的光軸與全息臺平行;（2）以物光為基準調整參考光的光程，使參考光與物光光程相等;（3）物光與參考光夾角在30～60度之間;（4）物光與參考光光強比1∶3～1∶5;（5）物與干板距離大約10cm;（6） 拍攝時關閉光源，全息干板有藥面一側迎著入射光;（7）曝光時間15s～1min;（8）沖洗全息干板設定顯影2～3分鐘，停影20秒，定影5分鐘。學生按照上述方法進行實驗，很快就能調整好光路，提高實驗成功率，學生獲得成就感，增加了學習大學物理實驗的興趣。

三、引導學生積極參與實驗儀器改進

在傳統應試教育背景下，中學物理的教學方法更多的是注重理論學習，不注重物理實驗教學，沒能通過動手實驗激發起學生的學習興趣，忽視了物理學是一門以實驗為基礎的學科，導致進入大學后，學生的動手能力較差，創新能力不足。而改進物理實驗儀器就是側重培養學生動手能力，鼓勵創新，給學生創造寬松自由的環境，潛移默化引導學生積極參與實驗創新和實驗探究。學生的創新能力不是與生俱來的，而是在后天的不斷學習和實踐中逐步養成的。在實驗儀器改進過程中，教師要積極引導學生參與，為學生創新活動提供優良平臺，也是貫徹落實教育部《關于全面提高高等教育質量的若干意見》的精神，滲透實踐育人理念。改進教學儀器，能夠提高原有物理儀器利用率，更好地為物理實驗教學服務。許多物理實驗如高溫超導、粘滯系數、橢圓偏振光、全息照相等實驗效率低下，需要改進儀器復雜環節，改進實驗部件，提高學生實驗效率。以物理系本科專業學生為主體，充分利用學生創新項目、光電設計競賽和本科畢業論文，使學生積極參與 “實用型”大學物理實驗儀器改進，以激發學生的學習積極性和主動性為目的，提高學生分析問題、解決問題的能力，實現“學生參與、教師主導”的教學模式。改進物理實驗儀器具有較強啟發性，不但能傳授學生物理知識，還能啟發學生思維，促進教與學的統一，從而提高大學物理實驗教學質量。改進的儀器設備最終服務于學生，引導學生參與教學儀器的改進，從本質上提高學生的動手能力，從根本上提升大學物理實驗水平。

四、建設新型實驗教師隊伍

大學物理實驗課程是理工科院校進行實踐教學的“第一課”，也是高校對大學生進行素質教育非常重要的環節，肩負著培養學生創新能力和實踐能力的重擔。實驗教師是大學物理實驗教學的主力軍，沖在物理實驗教學的“最前線”。實驗教師本身的素質和業務能力高低也會直接影響實驗教學的質量。隨著時代的發展，對實驗教師業務能力提出了更高的要求，改進物理實驗儀器已經成為現代實驗教師必備的基本能力。如果一名實驗教師不能在教學中改進實驗儀器，就不能通過創造性的思維對學生產生積極影響。實驗教師應當及時更新理論知識，提升實驗業務水平。在教學過程中，實驗教師發現實驗設備存在問題，就應該及時對實驗儀器進行升級改造，以滿足物理實驗教學需求。改進大學物理實驗儀器需要實驗教師進行主導，經過“實用型”大學物理實驗儀器改進的歷練，新時代的實驗教師應具備理論與實踐相結合的能力，具備講課、儀器維修、調試和計算機軟件的應用等各項能力，并能夠解決實驗教學中儀器損壞等突發事件的能力。高?！皩嵱眯汀贝髮W物理實驗儀器改進應形成常態化，促進實驗教師不斷成長和進步。改進效率低下的實驗儀器是一項具有綜合性質的工作，實驗教師只有積極地進行儀器改進，才能滿足大學物理實驗教學需求，取得滿意的實驗教學效果。在開發和改進儀器過程中，高校應全面提升實驗教師的業務水平，促進實驗教學質量的提高，培養具有儀器設計能力和維護能力的新型實驗教師隊伍。

五、結論與展望

隨著科技的進步，電子技術的發展越來越快，物理實驗教學儀器也向著集中化、智能化和自動化等方向發展，很多教學儀器不能完全滿足大學物理實驗教學的目的。改進物理實驗儀器能夠解決現有儀器不足和儀器老化，以及部分實驗儀器效率低下，學生無法完成實驗等問題，有利于提高實驗儀器利用率和完好率，提高學生實驗效率。如果改進實驗儀器后的教學實踐效果良好，還可以在大學物理實驗課程中推廣實施。在儀器開發改進過程中可以啟發學生思維，促進學生智能發展，實現教與學的統一，從本質上提高學生實驗水平，提升實驗教師的業務水平，促進大學物理實驗教學質量的提高。改進“實用型”實驗儀器在激發學生創新意識和提高學生綜合應用能力等方面會發揮更大作用。儀器改進過程能夠積極引導學生主動學習科學知識，掌握基本技能，提高科學素養，能夠培養學生認真嚴謹的科學態度，積極主動的探索精神。應該使“實用型”大學物理實驗儀器改進形成常態化，促進實驗教師不斷成長和進步，提高大學物理實驗的教學質量，使物理實驗教學從單一型向多元化發展。

參考文獻：

[1]? 徐麗琴，馬穎，劉筱燕，等.大學物理綜合性實驗教學效果的調查與思考[J].實驗科學與技術，2011，9（6）：103.

[2]? 吳登平.理工科學生對大學物理實驗需求的調查研?究——以某高校為樣本[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2015，69（7）：69.

[3]? 牛連平，王慶泉.大學物理實驗教學儀器的改進[J].?大學物理實驗，2015，28（1）：51.

[4]? 王雪燕，侯娟.淺談傳感器在大學物理實驗儀器使用? ? ? ? ?中存在的問題[J].大學物理實驗，2017，30（1）：57.

■ 編輯∕丁俊玲