如何在大学物理实验课程中培养学生的思维能力

戴占海 李凌燕 吕红英

摘要：本文探讨了在大学物理实验课程的教学中，如何将实验原理和实验过程相结合，通过探究实验现象的物理原因，培养学生的思维能力，使学生由被动地接受知识转变为主动地寻求知识，提高学生自主学习、分析问题和解决问题的能力.

关键词：大学物理实验；实验原理；探究；思维能力

中图分类号：G642.4 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）03-0024-04

无论是学生的学习活动，还是人类的一切发明创造活动，都离不开思维，思维能力是学习能力的核心.思维能力的训练是一种有目的、有计划、有系统的教育活动，对它的作用不可轻估[1-2].人的天性对思维能力具有影响力，但后天的教育与训练对思维能力的影响更大、更深[3-5].我国的高等教育注重知识和理论的传授，能力培养一直是一个薄弱环节.在大学物理实验中，存在着按部就班进行实验的弊端，学生按照实验步骤做完了实验，得到了实验数据，却没有太大的收获.这与在实验课上，轻视物理实验原理的讲解，不能引导学生用实验原理分析实验现象，是有极大关系的.本文以“分光计的调节”和“非平衡电桥测量热敏电阻的特性参数”两个实验为例，探讨在大学物理实验中，如何将实验原理和实验现象结合，培养学生的思维能力.

1 分光计的调节实验

分光计的调节一直是实验的难点，学生经常调着调着，一个十字像都找不到了.这种现象的发生，就是没有理解透彻实验原理，进而预测不了各个螺钉的调节会引起的物理现象.

在讲解原理时，首先使学生明确，分光计调整好的要求是：经过光学元件的光线构成的平面应与仪器的中心转轴垂直，即望远镜的光轴与分光计的中心转轴垂直，载物台中轴线与中心转轴重合.在视场中，十字叉丝的反射像出现在上交点位置（如图1）.

经过粗调后，將双面反射镜放置在载物台上（如图2）.使学生理解，这样放置的优点是：若要调节反射镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺钉2或3即可，而螺钉1的调节与反射镜的俯仰无关.旋转载物台，使平面镜的法线与望远镜光轴在同一直线上.首先通过控制变量的方式，向学生提问会引起的实验现象.假如载物台中轴线与中心转轴已经重合，即载物台平面已经水平，而望远镜的光轴与分光计的中心转轴不垂直，假如望远镜光轴偏高，则反射回来的十字像位于上叉丝的下方，情况如图3（a）示.引导学生思考，当将载物台旋转180°，反射回来的十字像也应该处于上叉丝的下方；并且两种情况下的十字像到上叉丝的距离相等.如图3（b）示.从而引导学生得出结论：如果调节了望远镜的高低螺钉，会使得在平面镜的正反两面看到的十字像往相同的方向移动同样的距离.

再向学生提问另一种情况：如果望远镜的光轴与分光计的中心转轴已经垂直，即望远镜已经水平，而载物台中轴线与中心转轴不重合，即平面镜的反射面和分光计中心转轴成一角度，若平面镜向观察者倾斜，则反射回来的十字像位于上叉丝的下方，如图4（a）示.引导学生思考，当将载物台旋转180°，反射回来的十字像应处于上叉丝的上方；并且两种情况下的十字像到上叉丝的距离相等.如图4（b）示.从而引导学生得出结论：如果调节了载物台的螺钉2或者3，会使得在平面镜的正反两面看到的十字像往相反的方向移动同样的距离.

学生明白了调节望远镜高低螺钉和调节载物台螺钉2、3对十字像的影响后，再来讲解各半调节法.在实际操作中，一般望远镜的光轴与分光计的中心转轴不垂直，载物台中轴线与中心转轴也不重合，学生在正反两面看到的十字像，在上叉丝的上下两侧，且到上叉丝的距离不等，如图5所示.各半调节法操作要点如下：先调节望远镜光轴高低调节螺钉使十字像与上部十字叉丝的间距减小二分之一，再调节载物台调平螺钉使十字像与上部十字叉丝重合，如图6（a）.然后将载物台旋转180°，用同样的方法调节另一面.在讲解时，要引导思考学生这样操作的原因.当学生调节望远镜筒高低螺钉使得M面看到的十字像上移一半时，假如此时将载物台旋转180°，观察N面的十字像，看到的十字像也会上移同样的高度，如图6（b）所示.而在M面，当学生继续调节载物台螺钉2，使得M面的十字像又上移一半，到达上交点O时，N面的绿十字像会下移同样的高度.这样一来，N面的十字像就回到了最初如图5（b）所示的位置.因此，经过对M面绿十字像的各半调节，M面的绿十字像在上交点，而N面的十字像还在最初的位置.在M面对望远镜高低螺钉的调节和对载物台螺钉的调节对N面的绿十字位置产生的影响互相抵消.接下来，当用望远镜高低螺钉和载物台螺钉3对N面的十字像进行各半调节时，虽然每一步操作都会对M面的十字像位置产生影响，但最终，类似上文所讲的原因，对M面的十字像位置的影响会互相抵消.当对两面都进行了各半调节操作后，两面的十字像都会处在叉丝的上交点.此时，望远镜光轴垂直于分光计中心转轴，载物台平面与中心转轴垂直.

通过上述教学过程，学生既能深刻理解原理，又能快速掌握调节方法，还得到了思维的训练.然后让学生自己边思考原理边对相应的螺钉进行调节，用理论指导实践，教师同时巡回指导，促进学生知识到能力的转化，提高学生实际解决问题的能力.学生在理解了这一原理后，在讲解三棱镜的调节时，就可以利用已有的知识，让学生自主思考三棱镜的调节方法.如：让学生思考，为何要按照图7所示摆放三棱镜？AB光学面反射的绿色十字像的位置由哪两颗钉决定？AC光学面反射的绿色十字像的位置由哪两颗钉决定？在这一步骤，还需要进行各半调节吗？如何调节，能够简单快速地将两个光学面的反射像都调整到上交点？通过这些问题，培养了学生的思维能力和解决问题的能力，将理论知识与实际物理现象结合，也提高了学生的实验兴趣.

2 非平衡电桥测量热敏电阻的特性参数实验

在非平衡电桥测量热敏电阻的特性参数实验中，学生在实验中，接好电路以后，发现调节滑动变阻器时，电流表的数值会有正负的变化.为了使学生理解实验现象背后的物理原理，教师要先进行相应的实验理论讲解.学生有相应的知识储备以后，再引导学生自己探究实验现象.在图8电路图中，R1和R2为定值电阻，Rx为热敏电阻，R3为滑动变阻器，G为电流表.实验的要求是当热敏电阻的阻值Rx随温度发生改变时，电流表的示数Ig也发生变化，利用数字万用表记录不同温度下对应的Ig，可得到热敏电阻温度计的定标曲线Ig-t；再反过来利用已记录的Ig，把热敏电阻换成电阻箱，通过调节电阻箱的阻值，使数字万用表显示相应的Ig，从而测出对应的Rx，得到Rx-t曲线，并根据数据组（Rx，T），由Rx=aecp（b/T）拟合得到具体热敏电阻的特性参数a、b.

3 结语

本文以“分光计的调节”和“非平衡电桥测量热敏电阻的特性参数”两个实验为例，讲述了在大学物理实验课的教学中，如何注重实验原理的教学，引导学生思考实验现象和实验原理的联系，促使学生积极动脑思考，培养学生的思维能力，促使学生由被动地接受知识转变为主动地寻求知识，提高学生自主学习、分析问题和解决问题的能力.教学实践证明，学生能更深刻体会物理实验的思想，觉得做完实验有更大的收获，教学反响好.

参考文献：

〔1〕刘艳萍，文秋芳，王建卿，等.国外大学生思维能力研究评析及启示[J].石家庄经济学院学报，2010，33（5）：133-136.

〔2〕林琳，沈书生.项目化学习中的思维能力及其形成轨迹[J].电化教育研究，2016（9）：22-27.

〔3〕曾志旺.基于实验探究教学，培育高阶思维能力[J].物理教学探讨，2017，35（3）：15-18.

〔4〕林勤.物理教学中培养高中生高阶思维能力的思考[J].物理教学探讨，2014，32（11）：1-5.

〔5〕金桂，黄小益，姚敏，等.在大学物理演示实验教学改革中培养学生的创新思维能力[J].物理通报，2014（5）：22-25.