大学物理实验绪论课教学内容与方法改革探析

刘 璐 李端勇 张 昱 余雪里 祝 丹

（武汉工程大学湖北省物理实验教学示范中心 湖北 武汉 430205）

1 引言

物理学是自然科学的基础学科，也是一门实验科学，物理实验是其中的重要组成部分.大学物理实验在高等学校是理工科学生必修的课程，是对大学生进行科学基础训练的重要实验环节，是学习或从事科学研究的起步.而学习好大学物理实验是从实验绪论课开始，绪论课的教学内容和方法直接影响到学生对物理实验的兴趣、认知和探索.本文结合教学经验对绪论课的教学内容与方式进行了以下的改革探析.

2 激发超越榜样学生的兴趣

我校大学物理实验是学生在大学一年级第二学期开始学习，和基础化学类实验同步，是学生学习的第一个操作性质的课程.首次进入大学实验室，那么毋庸置疑，首先必须让学生明白实验室的规定、实验成绩的评定等学生关心的实际问题，但这种严肃的说教一般不得超过10min，就马上切换到请学生观看有人物的极美风景照，并通过PPT讲解这个照片的背景人物，是他们往届不远的学长，现在在外国求学，是一个不但成绩优异，而且人品超赞、真正品学兼优的学霸，老师们都保留了他（她）过往学习的片段，至现在仍有联系.这样便立即提起了学生极大的围观兴趣，这时候及时向学生分享该榜样学生对物理实验的认识，并结合教材向学生作如下的讲解.

2.1 实验室规定

进实验室学生衣着必须得体，手机须静音或关机；课堂采取考勤制，提前15min到实验室刷卡，迟到扣分，旷课零分；检查预习报告并签字，记入报告成绩；没有预习报告不得操作实验仪器，实验独立完成，获取实验数据二份，一份交老师签字留存，一份带回去进行数据处理；实验仪器归零或关闭，桌面保持整洁之后才视为实验结束；隔周同一时间集中收齐交实验报告.

2.2 课业任务

开设2个学期，每学期完成10个实验，每个实验都要完成包含有实验目的、实验原理、实验步骤、数据记录及处理、思考题的实验报告.学生还可以根据兴趣申请做设计性、创新性实验.每学期结束之前以班级为单位抽签实验项目进行考试.

2.3 实验成绩评定标准

学生的到课情况、实验操作情况以及实验报告完成情况记入平时成绩，10个实验的成绩为平时的平均成绩，占70%，抽签考试成绩占30%.学生上交报告和成绩上网查询间隔一周时间，批阅的报告及时发放给学生，以便学生明白评定情况、改正错误.

以上讲解有效地避免了高而冷的说教，有故事地传递了有规则的信息，现场看到有学生顿时将自己的脚从桌子框架上拿下踩放到地面上，实验结束了自觉地将坐凳放回原位，饮品、纸张等与实验装置无关的物品带出实验室，最后离开实验室的学生像榜样学生一样主动地关窗关电.良好的操行是实验课程的最好开端，为以后培养学生严肃认真的科学态度和实事求是的科学精神，提高学生的科学素质打下了基础.

3 误差理论和数据处理的基础知识讲解

误差理论和数据处理的基础知识是绪论课的精华，包含的实验科学知识有：有效数字、误差的基本概念、不确定度的基本概念、直接测量结果与不确定度的估算、间接测量结果与不确定度的关系、数据处理的常用方法、常用仪器的仪器误差等.通过观察教学效果，知道学生对这种大一统的教学内容讲解缺乏听课的耐心，喜好在遇到具体问题时再钻研，那么教师就要改变传统的教学方法，简介教学内容，向学生介绍知识结构，让学生掌握最相关的知识点的同时抛砖引玉，激发学生学习物理实验的兴趣.

3.1 活化应用数学知识增强对物理量的认识

物理实验中从绪论课开始都有复杂的公式推导，这让基础薄弱的学生有畏难情绪，基础好的学生也是不会灵活应用.解决这个问题，决不能采用“就汤下面”式的教学，而是要将知识划开式地引导，让学生达到听后有悟性，取得思维打开的效果.比如开始可以讲速度对时间的求导是加速度这个容易让人理解的数学活化应用，继而讲到极限与偏差，全微分与误差传递，不求深入，但求有全新的理解，让学生知道原来是这样，数学和物理紧密相连，数学不是孤立的，可以帮助我们理解物理概念，物理公式推导也不是晦涩难懂的，点到为止，给学生留下回味，使学生在以后的学习中尽量不生搬硬套，体会到知识活用不是口号，举一反三也不是难以企及，很多物理量的表示也能那么实际易懂.

3.2 不确定度基本概念的认识

不确定度概念是非常重要的概念，但学生容易一知半解，似乎懂了，但在以后的实验中又容易忽视，在对某一物理量表示时常常需要教师的提醒，所以在绪论课中对这个概念引入并且掌握尤为重要.我们可以从目测某学生的身高开始，把真值、误差、不确定度生动地讲明白.首先讲这位学生的身高是一个真值，客观存在，但是不易获得，我们通过目测可以表示一个范围出来，也就是有误差，有不能肯定的程度，就有不确定度，那么可靠程度就在一个区间里，如果我们在测量物理量或求得物理量时，在比较精密的测量仪器下相比目测更能体现物理量的不确定性，只是借助工具的区间表示范围会更小，更准确.通过这样讲解，学生更容易理解，更容易把知识点串起来，收到的教学效果也就很明显.

3.3 举例讲解与学生共同完成有代表性的数字表达式

尽管在绪论课教学中教师不断从提高学生对物理实验的认识、兴趣、方法上培养学生创新思维，但学生对测量误差、不确定度及数据处理的基础知识还没有全面掌握，将导致学生在以后实验中不能正确测量和处理实验数据，也不能合理计算所得结果，更不能得到接近真值的实验数据，所以教师选择有代表性的数字表达式举例讲解与学生共同完成这一教学环节特别重要.结合典型数字表达式讲解数值的舍入修约规则、有效数字的计算规则、有效数字和位数与不确定度的密切关系等，请学生分别上来做题，计算，判断正误，写出正确答案，因针对性极强，从而使学生掌握以下几点：

（1）怎样确定需要保留的有效数字和位数.

（2）有效数字在加减法运算中，结果最后一位与参与运算的各测量值中尾数位最高的（绝对误差最大的）取齐［1］.

（3）在乘除运算中，积或商的有效数字位数与参与运算的各数中位数最小的数相同［1］.

（4）一般情况下，x的自然对数lnx尾数部分的位数与x的有效数字位数相同［1］.

（5）不确定度的表示实际上是一定概率下的置信区间，采取“只进不舍”的入舍修约规则，平均值的有效数字最后一位应与不确定度确定的最后一位在同一数量级上保持一致［1］.

4 常用仪器工具介绍

物理实验是一门操作性的课程，实验中涉及到力、热、电、光各领域的仪器设备，在绪论课中不可能把这些都介绍完，而且介绍一遍教学效果也很不好.通常考虑是在各个实验科目中学习掌握相关仪器设备的操作取得的效果将更好，但是在下一个实验科目开始前，教师在绪论课有必要教会学生使用涉及到的常用仪器工具，比如万用表的使用，游标卡尺如何读数，仪器水平调节等，这些不论在教学上还是工程实践中以及在生活中都可能会用到的常用物的使用学习掌握，使学生有一个基本面的获得感，对以后学生由浅入深地使用仪器设备有一个良好的开端.

5 结语

大学物理实验的目的是让学生获得基本的实验知识，在实验方法、实验技能和实验数据处理等方面受到较为严格的训练.为此，绪论课的地位就显得十分重要.激发现届学生超越往届榜样学生的动力可以达到培养学生有良好操行的效果，误差理论和数据处理的基础知识讲解，让学生掌握最相关的知识点的同时抛砖引玉，激发学生学习物理实验的兴趣，常用仪器工具介绍不仅教会了学生使用基本的仪器、工具，还增强了学生面对复杂线路时跃跃欲试的信心，通过上述教学过程，进一步提高了绪论课的教学质量，收到了良好的教学效果.

1 李端勇，张昱.大学物理实验.北京：科学出版社，2014.06，9～28