声速测量实验中思政融入和教学的改革探讨

曹京晓，李秋泽，李新忠，巩晓阳

（河南科技大学物理工程学院，河南 洛阳 471000）

0 引言

自2016年“十三五”发展规划提出以来，国家各部门编制、印发一系列科技创新政策文件，向人们发出“创新支撑社会经济可持续发展”的导向[1-3]，从科技领域到投资领域，从营商领域到加工贸易领域等。这使得全社会各行各业对创新的渴求越来越迫切。然而创新需要人才的支撑，需要拥有坚实基础理论、具有较强基本能力的各专业合格的高素质工作者。这一发展导向对全国高等教育提出了更高的期望和要求，推动高等教育不断创新发展，出现新理念、新方法和新的教学设计。

大学实验物理是高校理工科各专业的一门能力要求很强的实践性基础课程，是学生进入大学后受到系统实验方法和实验技能训练的重要基础。通过大学实验物理课程的训练，学生的独立实验能力、分析与研究的能力、理论联系实际解决现实问题的能力及创新能力都会得到有效的提高。同时学生的科学实验素养也会得到培养和提高。然而传统的大学实验物理教学方式差强人意，简单描述如下：

（1）上实验课之前，学生预习相关实验物理内容，书写实验预习报告；

（2）上课时，教师讲解实验物理的相关实验目的、实验器材及实验原理，介绍部分实验仪器的使用方法，说明实验的主要内容，强调实验过程中的注意事项。学生根据自己的预习情况和教师的讲解及提示，按照实验内容的要求完成相关数据测试。

（3）实验课结束之后，学生按课程要求完成实验报告中数据及数据处理部分内容，并对实验结果进行分析和讨论，写出实验总结，从而完成实验报告并提交报告给教师批改。

从传统的实验教学方式可知，它存在的主要问题分析如下：

（1）由于缺少学习兴趣和学习激情，学生实验课前的预习效果并不是很好。即使实验教材上有的实验设计里包含与实验相关的电子课件或讲解视频等学习资料，极少有学生通过扫描实验教材上的二维码了解实验原理和实验内容。大部分学生还是倾向于传统的学习方式。他们仅仅将实验教材上与实验相关的内容，例如实验目的、实验器材、实验原理等抄写到实验报告纸上来完成实验课程的预习。由于上实验课之前预习缺少分析和思考的过程，学生到实验室上课时针对性和目的性不强，常有一知半解的情况。

（2）教师在实验课的教学过程中，往往流程化地讲解实验目的、实验器材和实验原理，甚至演示实验过程中的每一步操作，启发式的提问和交互式的讨论较少，这直接影响了学生上实验课的热情，阻碍学生自主解决问题的能力的发展。有一部分学生实验课期间动手操作环节较少，一发现问题就向教师询问。甚至有学生缺乏对实验内容的整体把握，每完成一部分实验内容就询问教师接下来做什么。由此可见，传统的实验课堂教学很难实现通过实验训练有效提高学生独立思考的能力和解决实际问题的能力。

（3）尽管课堂上教师要求学生在课后提交的实验报告中应对实验结果进行分析和讨论，但是学生在完成实验报告的过程中，重点关注的是实验数据及数据处理部分。至于实验结果如何、误差是否满足要求，学生通常很少做出说明，进而很少有相应的思考和分析。从本质上来说，学生对实验结果的分析和自我评价、对经验教训的反思总结恰恰是实验课程能力训练的核心部分。

鉴于以上原因，在国家对创新的迫切要求和期待下，结合应用型本科院校发展及光电子科学与技术专业培养目标，兼顾学生的特点，引入对分课堂的教学理念[4]，我们对声速的测量实验进行教学改革尝试，以期激发学生的学习兴趣和探索热情，达到实验教学育人于实践的培养目标。本文中，我们从课堂教学内容、教学方法以及课程思政三个方面的探索和尝试进行说明：

1 关于声波的介绍

作为知识拓展，要求学生自行查阅资料了解声波及其特点。声波是纵波，分为次声波、声波、超声波。人的耳朵是听觉器官，即声音传感器。一般人能够听到振动频率在20Hz-20kHz范围的声波。频率高于20kHz的声波称为超声波。虽然超声波无法引起人们的听觉反应，但它具有波长短、易于定向发射等优点。声速测量实验中声波的频率选在超声波段（40kHz）。建议学生在完成实验数据测试之后把信号的频率调至20Hz-20kHz范围内，测试一下自己的耳朵对声音高低的感觉灵敏度。这一建议很大程度上激发了学生的学习兴趣和探索热情，实验参与的积极性很高，课堂气氛异常活跃。有学生实验结束后激动地说他能听到 19kHz的声波；也有学生失望地说自己只能听到15kHz的声波了，频率再高就听不见了，今后要保护好自己的听力……我们告知学生课堂听力测试结果粗糙，只是在一定程度上反映了个人听力情况，要想知道真实听力需到医院做听力检查。同时，让学生明白：科学是严谨的。只是在不同的环境和不同的情况下，人们对测量精度的要求不同。

2 实验目的的导入

关于声速测量实验的实验目的的介绍，向学生强调：实验数据测量完成不是最终的目的。最终的目的是通过声速的测量实验学会并熟练使用功率函数信号发生器（1Hz-106Hz）和双踪示波器[5]。要想达到这个目的，严谨务实的态度非常重要。课堂采用开放的教学方式：建议学生在教师讲解的基础上通过在线查阅资料、分组讨论操作实践中需要注意的事项。学生自愿组队、查阅资料、积极讨论。从不了解仪器原理到熟练掌握操作方法，让学生体验到满满的成就感。

3 发射换能器和接收换能器的介绍

发射换能器和接收换能器是声速测量实验中使用的关键仪器。它们工作的基本原理是逆压电效应和压电效应。逆压电效应和压电效应是某些固体电介质由于结晶点阵的特殊结构所产生的现象。代表性的压电晶体有（SiO2）石英、电气石、酒石酸钾钠（NaKC4H4O6· 4H2O，又称为洛瑟尔盐）、钛酸钡（BaTiO3）等[6]。为了使学生更好地理解压电效应和逆压电效应，同时作为知识拓展，向学生介绍有线电话的工作原理：一端电话机将声信号转变成电信号（利用晶体的压电效应）；电信号在电缆中传输；另一端电话机将接收到的电信号转变成声信号（利用晶体的逆压电效应）。通过知识拓展的引入，学生更清晰地理解抽象的物理原理，明白物理原理在现实生活中的应用。

在此基础上，我们向学生指明：尽管当今社会人们沟通交流不再需要大量有线电话，但是随着5G技术的发展及人工智能产业兴起，压电材料在智能手机、VR、AR装备和传感器件领域的应用也将越发突出。建议学生以发展的眼光充分理解声速测量实验中的关键仪器，为以后学习使用更精密复杂的实验仪器做准备。

4 课程思政元素的融入

作为大学物理实验课程的课程思政建设尝试，我们从声信号的产生切入，向学生介绍了人类通信的发展。通信从声—电—声的信息传递到电的信息传递，继而发展到光—电—光的信息传递，人类的终极目标是全光通信。这一终极目标基于人类对通信品质的迫切渴求，又以人类强烈的好奇心作为推动。

进一步引导，我们向学生介绍美国发明家和企业家──“电话之父”亚历山大·贝尔及美国新泽西州的贝尔实验室，使学生了解发明家背后的故事和独特的人格魅力，领悟探索创新的真谛，激励学生保有好奇心和创新精神以及对未来的信心，享受物理之美的熏染[7-9]。

5 总结

鉴于传统大学实验物理课程教学中学生预习效果差强人意、学习兴趣不高、缺乏对实验的思考和分析等问题，我们以声速测量实验为例，进行了大学物理实验课程教学改革尝试，主要方面总结如下：

（1）从声波的介绍入手，提醒学生注意用耳卫生，保护自己的听力，激发学生好奇心和探索欲；

（2）以开放的教学方式导入实验目的，增强学生团体协作的能力和解决实际问题的能力；

（3）从通信的角度向学生介绍发射换能器和接收换能器及其工作原理，使学生明白技术的发展离不开基本理论的支撑，并切实体会到专业知识学习的重要性。通信的发展、技术的进步离不开众多科学家和工程师的努力，他们独特的人格魅力和永不止步的创新和探索精神对学生更是一次精神的洗礼；

（4）从课堂效果来看，听力测试的建议很好地激发了学生的好奇心和探索欲望，而通信方面的知识拓展增强了学生的学习动力；

（5）“电话之父”和贝尔实验室的引入使学生深刻体会到改革创新和技术发展的诱惑与魅力，明确了努力的方向。

尤其需要指出的是，教学效果得到了提高。学生对我们声速测量实验课程的教学改革尝试评价很高，录小视频、拍照发微信朋友圈谈论上课体会。学生们的积极参与和肯定也激励我们进一步地尝试大学物理实验课程思政融入课堂及教学改革创新。