聲速測量實驗中思政融入和教學的改革探討

曹京曉，李秋澤，李新忠，鞏曉陽

（河南科技大學物理工程學院，河南 洛陽 471000）

0 引言

自2016年“十三五”發展規劃提出以來，國家各部門編制、印發一系列科技創新政策文件，向人們發出“創新支撐社會經濟可持續發展”的導向[1-3]，從科技領域到投資領域，從營商領域到加工貿易領域等。這使得全社會各行各業對創新的渴求越來越迫切。然而創新需要人才的支撐，需要擁有堅實基礎理論、具有較強基本能力的各專業合格的高素質工作者。這一發展導向對全國高等教育提出了更高的期望和要求，推動高等教育不斷創新發展，出現新理念、新方法和新的教學設計。

大學實驗物理是高校理工科各專業的一門能力要求很強的實踐性基礎課程，是學生進入大學后受到系統實驗方法和實驗技能訓練的重要基礎。通過大學實驗物理課程的訓練，學生的獨立實驗能力、分析與研究的能力、理論聯系實際解決現實問題的能力及創新能力都會得到有效的提高。同時學生的科學實驗素養也會得到培養和提高。然而傳統的大學實驗物理教學方式差強人意，簡單描述如下：

（1）上實驗課之前，學生預習相關實驗物理內容，書寫實驗預習報告；

（2）上課時，教師講解實驗物理的相關實驗目的、實驗器材及實驗原理，介紹部分實驗儀器的使用方法，說明實驗的主要內容，強調實驗過程中的注意事項。學生根據自己的預習情況和教師的講解及提示，按照實驗內容的要求完成相關數據測試。

（3）實驗課結束之后，學生按課程要求完成實驗報告中數據及數據處理部分內容，并對實驗結果進行分析和討論，寫出實驗總結，從而完成實驗報告并提交報告給教師批改。

從傳統的實驗教學方式可知，它存在的主要問題分析如下：

（1）由于缺少學習興趣和學習激情，學生實驗課前的預習效果并不是很好。即使實驗教材上有的實驗設計里包含與實驗相關的電子課件或講解視頻等學習資料，極少有學生通過掃描實驗教材上的二維碼了解實驗原理和實驗內容。大部分學生還是傾向于傳統的學習方式。他們僅僅將實驗教材上與實驗相關的內容，例如實驗目的、實驗器材、實驗原理等抄寫到實驗報告紙上來完成實驗課程的預習。由于上實驗課之前預習缺少分析和思考的過程，學生到實驗室上課時針對性和目的性不強，常有一知半解的情況。

（2）教師在實驗課的教學過程中，往往流程化地講解實驗目的、實驗器材和實驗原理，甚至演示實驗過程中的每一步操作，啟發式的提問和交互式的討論較少，這直接影響了學生上實驗課的熱情，阻礙學生自主解決問題的能力的發展。有一部分學生實驗課期間動手操作環節較少，一發現問題就向教師詢問。甚至有學生缺乏對實驗內容的整體把握，每完成一部分實驗內容就詢問教師接下來做什么。由此可見，傳統的實驗課堂教學很難實現通過實驗訓練有效提高學生獨立思考的能力和解決實際問題的能力。

（3）盡管課堂上教師要求學生在課后提交的實驗報告中應對實驗結果進行分析和討論，但是學生在完成實驗報告的過程中，重點關注的是實驗數據及數據處理部分。至于實驗結果如何、誤差是否滿足要求，學生通常很少做出說明，進而很少有相應的思考和分析。從本質上來說，學生對實驗結果的分析和自我評價、對經驗教訓的反思總結恰恰是實驗課程能力訓練的核心部分。

鑒于以上原因，在國家對創新的迫切要求和期待下，結合應用型本科院校發展及光電子科學與技術專業培養目標，兼顧學生的特點，引入對分課堂的教學理念[4]，我們對聲速的測量實驗進行教學改革嘗試，以期激發學生的學習興趣和探索熱情，達到實驗教學育人于實踐的培養目標。本文中，我們從課堂教學內容、教學方法以及課程思政三個方面的探索和嘗試進行說明：

1 關于聲波的介紹

作為知識拓展，要求學生自行查閱資料了解聲波及其特點。聲波是縱波，分為次聲波、聲波、超聲波。人的耳朵是聽覺器官，即聲音傳感器。一般人能夠聽到振動頻率在20Hz-20kHz范圍的聲波。頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波。雖然超聲波無法引起人們的聽覺反應，但它具有波長短、易于定向發射等優點。聲速測量實驗中聲波的頻率選在超聲波段（40kHz）。建議學生在完成實驗數據測試之后把信號的頻率調至20Hz-20kHz范圍內，測試一下自己的耳朵對聲音高低的感覺靈敏度。這一建議很大程度上激發了學生的學習興趣和探索熱情，實驗參與的積極性很高，課堂氣氛異常活躍。有學生實驗結束后激動地說他能聽到 19kHz的聲波；也有學生失望地說自己只能聽到15kHz的聲波了，頻率再高就聽不見了，今后要保護好自己的聽力……我們告知學生課堂聽力測試結果粗糙，只是在一定程度上反映了個人聽力情況，要想知道真實聽力需到醫院做聽力檢查。同時，讓學生明白：科學是嚴謹的。只是在不同的環境和不同的情況下，人們對測量精度的要求不同。

2 實驗目的的導入

關于聲速測量實驗的實驗目的的介紹，向學生強調：實驗數據測量完成不是最終的目的。最終的目的是通過聲速的測量實驗學會并熟練使用功率函數信號發生器（1Hz-106Hz）和雙蹤示波器[5]。要想達到這個目的，嚴謹務實的態度非常重要。課堂采用開放的教學方式：建議學生在教師講解的基礎上通過在線查閱資料、分組討論操作實踐中需要注意的事項。學生自愿組隊、查閱資料、積極討論。從不了解儀器原理到熟練掌握操作方法，讓學生體驗到滿滿的成就感。

3 發射換能器和接收換能器的介紹

發射換能器和接收換能器是聲速測量實驗中使用的關鍵儀器。它們工作的基本原理是逆壓電效應和壓電效應。逆壓電效應和壓電效應是某些固體電介質由于結晶點陣的特殊結構所產生的現象。代表性的壓電晶體有（SiO2）石英、電氣石、酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6· 4H2O，又稱為洛瑟爾鹽）、鈦酸鋇（BaTiO3）等[6]。為了使學生更好地理解壓電效應和逆壓電效應，同時作為知識拓展，向學生介紹有線電話的工作原理：一端電話機將聲信號轉變成電信號（利用晶體的壓電效應）；電信號在電纜中傳輸；另一端電話機將接收到的電信號轉變成聲信號（利用晶體的逆壓電效應）。通過知識拓展的引入，學生更清晰地理解抽象的物理原理，明白物理原理在現實生活中的應用。

在此基礎上，我們向學生指明：盡管當今社會人們溝通交流不再需要大量有線電話，但是隨著5G技術的發展及人工智能產業興起，壓電材料在智能手機、VR、AR裝備和傳感器件領域的應用也將越發突出。建議學生以發展的眼光充分理解聲速測量實驗中的關鍵儀器，為以后學習使用更精密復雜的實驗儀器做準備。

4 課程思政元素的融入

作為大學物理實驗課程的課程思政建設嘗試，我們從聲信號的產生切入，向學生介紹了人類通信的發展。通信從聲—電—聲的信息傳遞到電的信息傳遞，繼而發展到光—電—光的信息傳遞，人類的終極目標是全光通信。這一終極目標基于人類對通信品質的迫切渴求，又以人類強烈的好奇心作為推動。

進一步引導，我們向學生介紹美國發明家和企業家──“電話之父”亞歷山大·貝爾及美國新澤西州的貝爾實驗室，使學生了解發明家背后的故事和獨特的人格魅力，領悟探索創新的真諦，激勵學生保有好奇心和創新精神以及對未來的信心，享受物理之美的熏染[7-9]。

5 總結

鑒于傳統大學實驗物理課程教學中學生預習效果差強人意、學習興趣不高、缺乏對實驗的思考和分析等問題，我們以聲速測量實驗為例，進行了大學物理實驗課程教學改革嘗試，主要方面總結如下：

（1）從聲波的介紹入手，提醒學生注意用耳衛生，保護自己的聽力，激發學生好奇心和探索欲；

（2）以開放的教學方式導入實驗目的，增強學生團體協作的能力和解決實際問題的能力；

（3）從通信的角度向學生介紹發射換能器和接收換能器及其工作原理，使學生明白技術的發展離不開基本理論的支撐，并切實體會到專業知識學習的重要性。通信的發展、技術的進步離不開眾多科學家和工程師的努力，他們獨特的人格魅力和永不止步的創新和探索精神對學生更是一次精神的洗禮；

（4）從課堂效果來看，聽力測試的建議很好地激發了學生的好奇心和探索欲望，而通信方面的知識拓展增強了學生的學習動力；

（5）“電話之父”和貝爾實驗室的引入使學生深刻體會到改革創新和技術發展的誘惑與魅力，明確了努力的方向。

尤其需要指出的是，教學效果得到了提高。學生對我們聲速測量實驗課程的教學改革嘗試評價很高，錄小視頻、拍照發微信朋友圈談論上課體會。學生們的積極參與和肯定也激勵我們進一步地嘗試大學物理實驗課程思政融入課堂及教學改革創新。