在物理實驗教學中培養大學生的科學精神

張 璇 韓 哲 黃洪云

唐山學院基礎教學部 河北唐山 063000

大學物理實驗課程是學生在大學階段學習其他實驗課程的基礎，在物理實驗課程的學習過程中培養用嚴謹的思維和科學的實驗理念解決理論問題，培養學生的實驗能力和創新精神，教會學生用科學精神面對未來的學習和挑戰。科學精神是一個傳統的概念，其內涵概括起來應該有以下幾點：一是不斷追求真理，勇于超越前人的創新精神；二是尊重客觀規律，嚴謹求實的精神；三是互助友愛，緊密團結的協作精神；四是刻苦鉆研，默默付出的奉獻精神。科學精神是人們在學習和科學研究活動中必須具有的品質，科學精神也是科學研究活動取得重大突破和成就的精神源泉。

1 引入物理學史培養大學生的科學精神

物理學史本身就是一部閃耀著哲學光輝的學科，包含豐富的教育思想和理念的著作，在物理實驗課程當中引入物理學史的物理實驗課程改革的重要內容，以實現物理學史對學生科學精神培養方面的教育意義和價值。如光電效應實驗是近代物理重要的實驗項目之一，在講授此實驗時引入光電效應發現的歷史背景，一定頻率入射光照射金屬表面會有光電子逸出，最早是在1887年德國物理學家赫茲發現的，但當時他不能解釋的現象是當紫外線照射金屬表面更易發生光電效應；哈爾瓦克在1859年做了一系列實驗證明了光電子逸出金屬表面起作用的是紫外線，且金屬表面逸出的肯定是負電荷；在前人工作的基礎上德國物理學家勒納德通過磁偏轉法證明了光電效應的重要性質光電子數目隨光的強度增加而增加，可是光電子的動能只與光的頻率有關，與光的強度無關，并在1905年獲得了諾貝爾物理學獎。通過光電效應實驗及相關理論的發展過程和不斷完善，同學們追求真理，勤奮學習，具備不斷超越前人的創新精神。

驗證牛頓第二定律的實驗中，介紹相關的物理學家牛頓，牛頓雖然不是一名實驗者，但他善于思考問題，他像愛因斯坦一樣在腦海里進行實驗過程，他會非常專注地想一件事情很久，直到得出理想的答案為止，正如牛頓所說：“把問題擺在面前，然后開始等待，一直等到出現第一縷曙光，接著漸漸變得清晰，最后豁然開朗。[1]”一直困擾牛頓的一個問題就是“物體的運動是什么力維持的？”他在伽利略的自由落體運動定律和開普勒的天體運動定律的基礎上，集中精力研究、思考，廢寢忘食地刻苦鉆研，終于在1666年，牛頓創立了牛頓運動三定律，這些定律除了能解釋日常生活的許多現象之外，還為微積分的發明和地球引力的發現創造了必要條件，1684年讓·皮卡爾精確地計算了地球的半徑和質量，在此基礎上，牛頓利用物體運動三定律和重力方程式準確計算了行星運動的真實軌跡[2]。

物理學家和物理學史是物理實驗教學的一部分，是重要的教學資源，學生通過學習物理學史會更深刻的了解偉大的物理學家伽利略、牛頓、愛因斯坦、居里夫人[3]……，但真正觸碰學生精神的是物理學家們的精神，他們不屈服于權威，努力探索追求真理，勇于創新，為實證自己的想法緊密合作，嚴謹求實，他們為了國家的科學研究和社會進步甘愿奉獻一切。

通過物理學史的引入和學習，學生會更深刻理解重大科學成就和研究成果的背后，是無數科學家追求真理創新、堅貞不屈的毅力、艱苦卓絕的奮斗。通過物理學史培養大學生不畏懼困難、勇于登攀、渴望真理、嚴謹求實、通力合作和勇于獻身的科學精神。而現在的大學生在學習生活中遇到困難就會生畏，缺乏堅韌不拔的精神和毅力，通過物理學史的學習，使他們增強克服困難的信心和主動學習的精神并激發愛國熱情。

2 引入哲學思想培養大學生的科學精神

物理實驗課程設置的實驗項目就是檢驗相關理論，由于科學技術的不斷進步，總會有現有理論不能解釋的現象，面對這樣的選擇我們能做的就是堅持實事求是，如學生做改裝電流表的實驗時，根據測量改裝表的內阻計算分流電阻的阻值，能按照老師的要求正常操作，但測量的實驗數據常常有很大誤差，要求學生逐一排除實驗儀器，找到實驗誤差所在；實證改裝電流表存在問題，誤差的根源在于實驗用改裝表內阻值測量不夠精準或分壓用電阻箱阻值不夠精準，而電阻箱阻值不夠精準的原因是由于實驗室溫度、濕度影響和設備長期閑置。通過具體實例告訴學生要堅持實事求是，尊重客觀規律，去追求客觀真理。

學生要堅持實事求是的思想去對待物理世界，同時也要讓學生深刻意識到物理世界的對立統一，如質量和能量、引力和斥力、波動性和粒子性。同時物理世界充滿了相對性，如對不同的參考系物體的運動狀態是不一樣的，物理定義、規律的相對性，如驗證機械能守恒定律，它是動力學中的基本定律，即任何物體系統如無外力做功或外力做功之和為零，系統內又只有保守力做功時，則系統的機械能保持不變。所以學生要學會從不同的角度看問題，看問題的角度不同會得到不同的結論，教會學生在絕對和相對的對立統一關系中了解發展的動力源泉、根本內容和實在過程，并在此基礎上嚴謹求實、開拓創新。

3 教學改革培養大學生的科學精神

3.1 應用網絡教學平臺

物理實驗課的上課環節分為課前預習、課上實驗、課后作業及答疑、結課考核，隨著互聯網技術的高速發展，把這些高科技教學手段應用到物理實驗課的各個環節，可以達到事半功倍的效果。

物理實驗上課前要求學生對實驗進行充分的預習，并寫好預習報告，如果學生預習的參考資料匱乏，預習困難，原因在于對實驗中用到的儀器設備一無所知，而且參考課本上實驗設備的描述和圖片是抽象模糊的，很難達到預習的理想效果，為了解決預習環節遇到的種種問題，我們開通了網絡教學平臺，在這個平臺上傳3D視頻，學生通過視頻了解復雜實驗設備的基本結構、工作原理、使用方法、注意事項等，這樣學生會對相關實驗設備的應用了如指掌，為課上實驗做好理論和應用基礎，同時學生會心情愉悅、信心滿滿地去上課，將會取得更好的實驗效果和教學效果。

學生課上實驗主要是以操作為主，操作過程中學生會出現問題，操作基本完成后，不會急于告訴學生問題所在，而是以小組形式集中討論操作過程中出現的問題，要求每個學生各抒己見，并評選最佳小組，以培養學生的團隊合作精神和集體榮譽感。討論結束后，學生發現的問題是否正確，需要自己來驗證，要借助于網絡平臺的仿真實驗平臺和MOOC平臺，學生根據視頻演示實驗找到自己操作過程中的錯誤和不當之處，集中總結并糾正，在課上集中改正操作，并獲取正確的實驗數據，若時間不允許學生糾正或重做實驗可以在下次上課之前的開放實驗環節完成，所以借助于網絡學習平臺學生更精準地掌握每個實驗和相關實驗設備的原理及使用，為以后的實驗過程做好理論基礎和應用基礎，同時培養學生的語言表達能力、團隊合作精神、集體榮譽感。

實驗項目完成之后，要求學生課后對實驗數據進行不同方法的處理、誤差計算及相關誤差分析，有部分學生也會存在相關問題，要求老師及時指導和解答，此時我們會借助微信公眾號，實現了與學生隨時通信，及時解決問題，充分利用課余時間，實現翻轉課堂。老師除了通過微信平臺上傳實驗教材、實驗報告、相關圖片等，最重要的是學生在課后實驗數據的處理過程中遇到問題，可以通過語音、圖片、視頻及時與老師和同學交流溝通，老師可以對同學們存在的共性問題集中解答，從而實現老師學生的合作交流，提高學生的嚴謹求實精神、團結合作精神，同時學生可以通過微信平臺隨時查閱資料、交流、提問，這樣學生能充分利用碎片化的時間和課余時間，使學生能精確掌握所學知識，能及時解決問題，實現翻轉課堂，同時增強了學生的自信心和奉獻精神。

大學物理實驗網絡教學平臺，除了上傳相關實驗的理論知識，相關儀器設備的應用及原理的3D視頻，MOCC視頻，開通微信公眾號，加深學生對理論知識和實驗的理解，利用平臺給學生提出問題、設計相關實驗項目，要求學生進行交流、合作；利用平臺查閱相關資料，完成問題、加深了學生對所學內容的理解，可以更牢固地掌握基本原理和實驗方法；在設計實驗中學以致用，課后討論解決問題，利用碎片化的時間完成課堂反轉，提高教學效果和效率，提高學生學習的興趣，增強他們的自信心和解決問題的能力。

3.2 進行開放實驗

開放的實驗項目主要有兩部分，一是課上實驗存在問題，通過討論之后沒有糾正，或者實驗有項目操作過程比較煩瑣，課上時間無法做到游刃有余，比如說分光計實驗測定三棱鏡的頂角最難的地方就在分光計的調試和使用上，大部分學生經過課下預習和課上實驗不能很好地把握，需要課下反復調試，學生熟悉之后會對學生提出新的要求，如分光計課上要求學生測量三棱鏡的頂角，開放實驗學生更加熟悉分光計的使用之后，要求學生測量三棱鏡的折射率，這樣的實驗項目會定期對學生開放，來解決課上遺留的問題，同時也加深了對實驗理論的理解和對實驗儀器的熟練使用，以達到更好的學習效果；另一部分是開放設計性實驗，由于實驗學時和上課時間的限制，每個學期課只開設一個設計性實驗，為了培養學生思維和獨立解決問題的能力，充分利用實驗室資源，在網絡教學平臺給同學們提出設計性實驗的要求，通過小組查閱資料和集體討論，完成相關的設計性實驗項目。目前設計性實驗主要在光學平臺上完成，實驗項目有自組望遠鏡、測量凸透鏡焦距、平行光的產生與檢驗、偏振光的產生與檢驗；通過開放實驗學生的思維能力、動手能力、解決問題的能力會大幅提升，在此基礎上組織學生參加校級物理實驗競賽和省級、國家級的物理實驗比賽，每一項比賽都是設計性實驗，且由小組合作完成，這正是21世紀高科技信息時代對人才提出的新要求，團結協作精神是時代的需要，我們必須在物理教學倡導與他人合作的科學精神[4]，實行實驗室開放，參加各級實驗競賽，鼓勵學生根據現有的實驗條件進行設計研究，實現團結協作克服困難；同時可利用互聯網技術實現不同專業、不同學校間大學生的團結協作，高校學生的相互協作有利于更好地發揮個人才能，更容易取得個人成功。

3.3 改革考核方式

物理實驗課為考查課，一般考核方式都非常簡單，比如寫一篇學習心得或完成一份實驗報告等，這樣限制了學生學習的積極性，所以要提高學生的積極性，要對大學物理實驗課程考核方式進行改革。把學生的實驗能力、操作能力和解決問題的能力作為主要的考核指標，新的考核方式摒棄掉了一份實驗報告來決定學生最終成績的片面的考核方式。參加考核的學生抽簽實驗操作，限時完成，當場打分，操作成績會占總成績的40%；另外進行的是一個多元化的考核方式，實驗中的每個環節都會占考試成績的一定比例，如預習實驗10%、課上操作10%、課上討論10%、課下數據處理10%、開放實驗10%、實驗競賽10%，這樣每個環節都不會被忽視，學生也會盡力做最好的自己，提升學生在學習環節中的主體作用，提高了學生實驗探索精神、數據處理能力、思維能力、數據分析能力和創新能力。同時考核的好多環節是以小組的形式合作完成的，這樣增強了學生互相交流的信心和團隊合作精神，這是新時代科學精神的基本要求，為學生將來工作中的合作和交流提供基礎保障。

結語

物理學與哲學有著密切相關的關系，物理學曾被稱為自然哲學，也就是物理學是哲學的一部分，牛頓運動三定律和萬有引力定律都來源于牛頓的哲學巨著《自然哲學的數學原理》[5]；通過物理學史的學習，學生知道許多物理學的新理論與哲學思想有解不開的淵源，同時物理學理論又反作用于相關哲學思想，物理學的發現給哲學思想提供重要論證依據，而哲學則為物理學指明了前進的方向，如能量守恒定律發現的基礎是康德哲學，同時能量守恒定律是康德哲學成為辯證唯物主義的重要依據，所以將物理學史和哲學思想引入物理實驗課程是由它們之間密切的關系決定的，這樣能讓學生了解相關物理理論的源頭，使學生融會貫通地學習，才能做到應用自如，還能更好地掌握科學知識，從而更加有效地服務人類和社會。物理實驗是研究物理理論、定律的重要手段，長期以來物理實驗輕視了學生實驗操作能力、實驗思想、創新思維等各方面能力，重視物理實驗教學，研究改革并有效實施合理的物理實驗考核方案，對培養學生追求真理不斷創新、實事求是不斷求證、團結協作無私奉獻的時代精神都有重要意義。