工科为主型大学物理实验教学改革探索

胡 冰,邓加军,王文杰,李社强,陈 雷

(华北电力大学,北京 102206)

工科为主型大学物理实验教学改革探索

胡 冰,邓加军,王文杰,李社强,陈 雷

(华北电力大学,北京 102206)

物理实验作为物理教学的重要内容,对学生能力的培养具有非常重要的作用。针对华北电力大学物理实验教学的具体情况,提出了以下改革措施。开创了分层次教学的“四阶段”教学模式,相应地开设四门课程;完善物理演示实验室和开设物理演示实验课。

物理实验;教学改革;研究性实验;演示实验

1 物理实验教学的重要性

所有工科专业为主的大学都会开设“物理实验”这门必修公共基础课程,但是很多学校和学生对物理实验这门课程并不是非常重视。这和我们国家许多年来从小学到大学的教育都注重对学生的理论教学而忽视实验动手能力的培养有很大的关系。学生的动手能力一直是我国教育中的短板,中国学生的“高分低能”现象也不是现在才出现的。

物理学是一门实验科学[1],理论和实验都是研究物理的手段,终极目标是找到物质运动和变化的规律。中国物理教育的奠基人叶企孙先生指出:“本系自最浅至最深之课程,均为注重于解决问题及实验工作,力戒现实高调及虚空之弊”“科目之分配,理论与实验并重,重质而不重量”。周光召先生在1999年10月说:“为什么本世纪最重要的物理学发现又恰恰在德国的土地上发生?”他归纳为三点,而第一个特点就是德国人非常重视实验和实验数据的分析。纵观历年来的诺贝尔物理学奖,大部分都属于物理实验发现类。这些都说明了物理实验教学在大学物理教学中是非常重要的,是与理论教学并重的。物理实验课作为面向全体理工科大学生的第一门系统的、完整的实验课,肩负着让学生受到严格的、系统的实验技能训练,掌握科学实验的基本知识、方法的重任,对培养学生的动手能力、科研创新能力是必不可少的[2]。

2 实验教学的建设、特色创新

目前我校的物理实验教学和一些名牌大学相比还是比较落后的,所以我校提出必须进行物理实验教学改革,在“211工程”、校教务处和北京市教改项目的大力支持下建立物理实验教学中心。目前实验教学中心正在积极建设中,教学改革也如火如荼地进行着。为了更好的进行改革,我们对几所高校的实验教学示范中心进行了调研,比如南京大学和东南大学国家级实验教学示范中心[3,4]、中国石油大学(北京)北京市实验教学示范中心[5]等。针对我校的具体情况,借鉴以上教学示范中心的经验,提出了以下物理实验教学改革举措。

2.1 分层次教学模式

20世纪80年代初,大学物理实验室在全国高校中率先进行实验课程体系和教学方法的改革,改变了物理实验作为理论课程延伸的做法,提出了物理实验是一门培养学生创新能力的独立课程,开创了按学生能力培养的分层次实验教学模式。我校开创了“实验能力的预备训练-实验基本能力的培养-综合实验能力的训练-科学研究能力的培养”四阶段的教学模式。在这个教学模式的指导下相应的开设四门物理实验课程,分别是预备物理实验、大学物理实验(1)-基础性实验、大学物理实验(2)-综合性实验、研究性物理实验。分层次的实验教学便于各个不同的院系进行选择组合,实验内容的普适性使得效率得到极大提高。下面简单介绍一下这四门课程的具体授课方式和授课对象等。

(1)预备物理实验。这门课程是为大学一年级的理工科新生开设的选修课。由于我国各地教育资源不均衡,有些地方高中的实验条件有限,导致有些大一新生物理实验基础薄弱,甚至没有受到过系统的实验训练。为此,开设了这门集补课、体验、自主、开放为一体的选修课,为这部分大一新生提供补课机会,为以后物理实验课程的学习打下坚实的基础。预备物理实验课开设8个实验项目,学生自由选做4个实验,比如,用天平测物体密度、电磁学实验中的常用基本仪器、薄透镜成像及其焦距的测定、液体比热容的测定等。这些实验相关的物理知识主要是学生中学时学过的。学生自由选做实验项目,自由选择上课时间,上课前在大学物理实验教学管理系统中进行电子教案预习,网上完成预习报告。为了避免过去学生写预习报告一味抄书的现象,网上预习报告采取教师预设好几个问题、学生回答的方式。能够回答出这几个问题,学生对这个实验的原理等也就基本掌握了。上课时采取教师讲解、教学视频录像辅助、研究生辅导的方式。学生课后网上递交报告,教师网上打分,期末成绩系统自动生成。

(2)大学物理实验(1)-基础性实验。这门课程是为全校理工科学生开设的必修课,主要目的是培养学生的基本物理实验能力。大学物理实验(1)开设3学时的实验绪论课和8个固定实验项目,比如静态法测量金属丝的杨氏弹性模量、转动惯量的测定、示波器的使用、液体粘滞系数的测定等。学生自由选择上课时间,课前网上递交预习报告,上课采取教师讲解和辅导、教学视频录像辅助的方式。考核方式是绪论课笔试占10%,预习报告、实验过程考察、数据处理及结果讨论占80%,期末抽测一个实验占10%(期末抽测的目的是为了让学生期末时对这学期所做的实验进行复习回顾)。

(3)大学物理实验(2)-综合性实验。这门课程是为大部分理工科学生开设的必修课,主要目的是培养学生的综合物理实验能力和创新研究意识。在这门课上,学生完成8个实验项目,其中4个是教师限定的必做项目,4个是学生自由选做项目。学生从12个实验项目中根据自己的专业相关性和兴趣选择4个。实验项目包括利用霍尔效应测磁场、分光计的调整及三棱镜折射率的测定、密立根油滴法测定电子电荷、迈克尔逊干涉实验等。授课方式与大学物理实验(1)基本相同,不同的是学生在完成了8个实验中教师规定的基本实验内容后,可以在8个实验中选1-2个感兴趣的做拓展实验。拓展实验内容教师不作规定,学生自己思考。比如惠斯通电桥测电阻这个实验,利用线式和箱式惠斯通电桥测电阻是基本内容,学生拓展实验可以考虑用惠斯通电桥测温度、利用惠斯通电桥做报警器等。学生可以在任何实验室开放的时间段来做拓展实验,也可以和相应实验的指导教师进行讨论。拓展实验做的好的学生会在期末成绩中得到加分,没做拓展实验的学生期末成绩不能得优。拓展实验的施行突破了老师规定什么学生做什么的陈旧模式,鼓励学生自己独立思考,培养了学生的创新研究意识。

(4)研究性物理实验。这门课程在下面专门介绍。

2.2 学生主导型研究性物理实验

研究性物理实验课程是在我系原有的创新物理实验课的基础上改进的一门选修课。课程主要面向具有一定实验训练基础的创新班、实践班和一些有深造愿望、成绩优秀的高年级本科生。该课程通过实验教学与科学研究的有机结合,培养学生的创新意识和科研能力,使学生初步了解科学研究思维方式和方法,提高学生的就业适应面和竞争力[6-7]。

基于课题型的研究性实验教学新模式可以缩短实验课程训练和科学研究之间的距离,在设置实验内容上注意具有一定的物理前沿性,和本系学科方向相结合,充分利用系里已有的科研设备设置相关的实验选题。在仪器购置时尽量避免购置纯教学的仪器,购置一些可以开展一定科研工作的仪器装置,这将是一个教学和科研相互促进的良性循环。比如,利用我们已有的高真空的材料制备系统,设计出制备薄膜和纳米材料的实验项目,例如氧化锌纳米材料的制备等;利用可达到4K的闭循环低温制冷系统、SR830锁相放大器、电磁铁(磁场小于2T)等,设计出一系列测量新材料(比如半导体材料)电学和光学性质的实验项目,例如反常霍尔效应的研究、巨磁阻效应的研究等。学生的创新能力和研究能力必须在实践中摸索体会,为了激发学生主动学习、主动探索的积极性,研究性物理实验课程首先提出确立学生实验主导地位,使得学生通过本课程学习获得一整套科学研究方法的训练,包括查阅文献、资料,提出实验课题,准备实验设备,设计实验方案,完成实验,写作研究论文,进行答辩。这种教学模式使教学活动始终以学生为主体,使学生从知识的被灌输者成为知识的主体构建者。

2-3个学生组成一组从实验室提供的若干个开放性的实验课题中选择一个,参考老师列出的相关文献,学生自己找出些研究性的课题进行研究,学生可以跟老师讨论其可行性,并进行开题报告。课程时间虽每周1次,但实验室全天向学生开放。课题小组可以利用实验室通用、开放的实验设备平台自行搭建实验系统,在教师的指导下完成实验。评价环节则采用论文答辩形式,根据课题新颖性、内容的丰富度、对课题原理理解的深度以及表达能力进行综合评分。通过课题实验提供的科学研究训练,很多同学都认为大有收获:提高了学习的主动性和积极性,增强了实际动手能力和团队协作能力,启发了科学研究意识与思维,培养了基本的科研实验能力。

对于做出优秀成果的学生,鼓励他们在学术期刊发表论文,参加各种创新创业项目、实验竞赛等。近三年来,我校学生利用从物理实验课中提炼出来的成果参加北京市大学生物理实验竞赛,获得二等奖和三等奖达到十多项。

2.3 物理演示实验

从历史上讲,物理演示实验应该是随堂的,教师讲什么紧接着演示什么。但是由于大学招生规模扩大、课堂容量增大、上课教室多且分散、演示仪器少等诸多原因,随堂演示实验越来越少,甚至完全消失。为了能够更好的为学生演示有趣的物理现象,近几年来,国内高校都非常重视对物理演示实验室的建设。我校的演示实验室自2005年建设以来已经具有力、热、光、电、近代物理五个系列的几十个实验项目,但是实验项目还不够丰富,正在继续增加实验项目和开设物理演示实验课程。

物理演示实验课程是面向全校理工科和文科学生开设的一门选修课。该课程以对实验现象的观察、思考、定性或半定量分析为主,不深究严格的物理理论,不要求对实验结果做出准确的定量分析,以便充分展示演示实验的趣味性和在描述物理概念上的直观性、易接受性,使理工科的学生能够加深和巩固对已学物理概念的理解,对尚未学到的物理知识能建立一个直观的、定性的物理概念,以激发学生求知探索的欲望,提高实验动手能力和科技创新能力。文科的学生通过观察神奇的物理演示现象,聆听老师对相应物理知识的介绍,能够更容易地理解物理、了解自然科学,了解科技进步对人类文明的贡献。该课程有利于文科生增加科技背景,全面提高综合素质。

物理演示实验课程授课方式是在演示实验室上课,教师先演示实验现象,再讲解产生这个现象的物理原理,最后组织学生讨论。授课过程中配以视频和实物投影,方便学生更清楚的观察实验现象。考核方式是闭卷笔试加小制作或小论文。小制作小论文以设计、改进实验为主,旨在开拓学生的知识面,锻炼他们的动手、动脑能力,在实验综合思考能力上有个飞跃,从而调动他们的学习积极性和创造力。

3 结 论

针对我校物理实验教学的具体情况,为了更好地建设物理实验教学中心,提出了以下教学改革措施。一方面,施行分层次教学,开创“实验能力的预备训练-实验基本能力的培养-综合实验能力的训练-科学研究能力的培养”四阶段的教学模式。在这个教学模式的指导下开设四门物理实验课程,分别是预备物理实验、大学物理实验(1)-基础性实验、大学物理实验(2)-综合性实验、研究性物理实验。教学方式从传统的力、热、电、光分块教学转化为分层次、分阶段的新的教学体系。另一方面,完善物理演示实验室和开设物理演示实验课程,使理科生加深物理概念的理解,文科生提高科学素养。

[1] 葛惟昆.教学的平台探索的基地求知的乐园 [J].物理与工程,2014,24(3):3-8.

[2] 苏芳珍,杨能勋,朱小敏.大学物理实验精品课程建设与实践[J].实验室研究与探索,2009,28(3): 91-93.

[3] 南京大学物理实验教学中心http://jfx.nju.edu. cn/syzx/phylab/,2015-02-02.

[4] 东南大学物理实验中心,http://phylab.seu.edu.cn/,2015-02-02.

[5] 吴平,陈森,张师平.“现代物理实验”课程研究型教学探索与实践 [J].物理与工程,2014,24(3): 14-17.

[6] 徐晶,王国余.大学物理实验分层次教学与创新能力的培养[J].大学物理实验,2013,26(2):94-96.

[7] 朱湘萍,熊文元.用科研项目推进大学物理实验教学改革的研究与探索[J].大学物理实验,2011,24 (3):110-112.

Teaching Reform Exploration of Physics Experiment Course of Technological University

HU Bing,DENG Jia-jun,WANGWen-jie,LIShe-qiang,CHEN Lei
(North China Electric Power University,Beijing 102206)

As a part of physics teaching,physics experiment has an important effect on improving and developing the ability of students.The innovativemethods are proposed according to the situation of physics experiment teaching at North China Electric Power University.On the one hand,four courses are set up based on the teaching pattern ofmultiple layers.On the other hand,the physics demonstration laboratory is established and the course of physics demonstration experiment is set up.

physics experiment;teaching reform;research-based experiment;demonstration experiment

G 642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.035

1007-2934(2015)06-0117-04

2015-07-24

2014年北京高等学校教育教学改革项目(2014-ms114);华北电力大学中央高校基本科研业务费(JB2014106)