專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中的探索實(shí)踐

王 龍, 尹玉芳, 王洛秋, 李書(shū)光, 黃柳賓, 李東霞

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院； 山東 青島 266580)

專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中的探索實(shí)踐

王 龍, 尹玉芳, 王洛秋, 李書(shū)光, 黃柳賓, 李東霞

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院； 山東 青島 266580)

針對(duì)目前理科實(shí)驗(yàn)班基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)課程中固定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上課、學(xué)生知識(shí)面狹窄、缺乏實(shí)驗(yàn)方法的融會(huì)貫通及實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)用能力,提出了基于理科實(shí)驗(yàn)班的專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。通過(guò)實(shí)施表明,專題教學(xué)模式改革提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和積極性,取得了一定的成效,為學(xué)校其他專業(yè)教學(xué)改革提供了參考和借鑒。

專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)； 理科實(shí)驗(yàn)班

目前,國(guó)內(nèi)大部分高校物理實(shí)驗(yàn)課程基本都采用了開(kāi)放式教學(xué)模式[1-3],按照不同專業(yè)的培養(yǎng)方案及學(xué)時(shí)要求,規(guī)定了學(xué)生至少完成的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)。我校劉華東副校長(zhǎng)在2013年提出了構(gòu)建“三三三”本科培養(yǎng)體系的目標(biāo)[4],理科實(shí)驗(yàn)班作為學(xué)校實(shí)行多元化培養(yǎng)模式之一,對(duì)學(xué)生科學(xué)研究素養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提出了更高的要求。理科實(shí)驗(yàn)班“基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)I、II”共72學(xué)時(shí),分2學(xué)期完成,要求學(xué)生在第3、4學(xué)期各完成8個(gè)獨(dú)立的固定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分屬于力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等,邏輯性、系統(tǒng)性不強(qiáng),具有一定程度的獨(dú)立性。相對(duì)獨(dú)立的8個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法兼顧理科實(shí)驗(yàn)班后續(xù)專業(yè)分流的需要[5]。每個(gè)項(xiàng)目4個(gè)學(xué)時(shí)的教學(xué)安排,能讓學(xué)生加深記憶,但卻使得部分學(xué)生停留在本實(shí)驗(yàn)操作基本細(xì)節(jié)上。通過(guò)后續(xù)的創(chuàng)新訓(xùn)練環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn),學(xué)生知識(shí)面狹窄,缺乏各種實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的融會(huì)貫通及各種實(shí)驗(yàn)技能綜合應(yīng)用能力,與理科實(shí)驗(yàn)班學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)有一定差距。

1 整體方案設(shè)計(jì)

在所開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上,進(jìn)行深入挖掘整合,將相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目串聯(lián)形成一個(gè)專題,探索專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,為后續(xù)理科實(shí)驗(yàn)班創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練打下良好的基礎(chǔ),有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維、實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)用創(chuàng)新能力,符合理科實(shí)驗(yàn)班通識(shí)基礎(chǔ)教育的寬口徑培養(yǎng)目標(biāo)。整個(gè)方案共分為3個(gè)環(huán)節(jié),如圖1所示:頂層專題設(shè)計(jì)、研究點(diǎn)(子專題)確定、考核設(shè)計(jì)。

首先,由教師根據(jù)目前開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、現(xiàn)有儀器配件等進(jìn)行專題實(shí)驗(yàn)的頂層設(shè)計(jì),即確定專題研究的大方向。教師課上著重串聯(lián)、梳理、總結(jié)與專題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,將專題布置給學(xué)生,由學(xué)生課下進(jìn)行相關(guān)調(diào)研。然后,在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)學(xué)生或?qū)W生自己根據(jù)相關(guān)調(diào)研,又或通過(guò)討論，提煉出個(gè)人的研究點(diǎn)子專題,自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)并實(shí)施,進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量并對(duì)比,分析各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍,得出相應(yīng)的結(jié)論,完成研究報(bào)告。教師從實(shí)驗(yàn)方案、研究報(bào)告2個(gè)層面對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核,其成績(jī)比例分別為40%、60%[6]。

圖1 專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體設(shè)計(jì)

1.1 專題設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)施

針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)的38個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,設(shè)計(jì)出適合理科實(shí)驗(yàn)班的實(shí)驗(yàn)教學(xué)專題,即研究大方向。以實(shí)驗(yàn)共性和差異性為切入點(diǎn),深入挖掘內(nèi)涵和聯(lián)系,形成一系列的實(shí)驗(yàn)研究專題,以某個(gè)物理量不同的測(cè)量方法、手段為切入點(diǎn),形成專題實(shí)驗(yàn),也可以將同一個(gè)物理量的不同測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,形成一個(gè)專題[7]。比如:在分光計(jì)實(shí)驗(yàn)中通過(guò)衍射光柵測(cè)量出汞燈或鈉光燈波長(zhǎng)；在光強(qiáng)分布實(shí)驗(yàn)中通過(guò)給定單縫的縫寬,可推出激光的波長(zhǎng)；光的等厚干涉中可以通過(guò)牛頓環(huán)的曲率半徑計(jì)算入射光的波長(zhǎng)；對(duì)于邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn),測(cè)量出可移動(dòng)反射鏡的距離變化量并數(shù)出條紋變化數(shù),也可以計(jì)算得出光源波長(zhǎng)。因此上述實(shí)驗(yàn)可形成一個(gè)關(guān)于波長(zhǎng)測(cè)量的專題[8],如圖2所示。

圖2 波長(zhǎng)測(cè)量專題

如此,原來(lái)固定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn),變成了波長(zhǎng)測(cè)量的專題，不再局限于單個(gè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容,而是串聯(lián)起來(lái)的有機(jī)整體——實(shí)驗(yàn)專題。波長(zhǎng)的測(cè)量本質(zhì)其實(shí)是頻率的測(cè)量,在數(shù)字示波器的使用實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行過(guò)信號(hào)頻率測(cè)量,而數(shù)字示波器是有帶寬的,對(duì)于光波頻率的測(cè)量是做不到的,但是通過(guò)類似簡(jiǎn)單的條紋計(jì)數(shù)操作能夠獲得數(shù)字示波器等精密儀器設(shè)備都不能測(cè)量的光波頻率,如果學(xué)生能體會(huì)到這一點(diǎn),無(wú)疑會(huì)增加學(xué)習(xí)的興趣。

對(duì)于另一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——熱敏電阻溫度特性及數(shù)字溫度計(jì)的設(shè)計(jì),學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)了解了利用熱敏電阻溫度特性及非平衡電橋設(shè)計(jì)數(shù)字溫度計(jì)的思想。同時(shí),在PN結(jié)物理特性研究實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)研究恒定弱電流的PN結(jié)電壓與溫度的輸出關(guān)系,可以設(shè)計(jì)出PN結(jié)數(shù)字溫度計(jì)。同樣,在穩(wěn)態(tài)法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)中,用到了銅和康銅組成的熱電偶測(cè)量溫度,其原理基于熱電效應(yīng)(塞貝克效應(yīng)),然后熱效率實(shí)驗(yàn)中又用到了半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)；氣體絕熱指數(shù)實(shí)驗(yàn)是基于AD590測(cè)溫,新式導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀用到了Pt100,熱敏電阻儀器配件中還提供了Cu50等,將以上實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái),形成一個(gè)溫度測(cè)量及溫度計(jì)設(shè)計(jì)的專題實(shí)驗(yàn),如圖3所示。可使學(xué)生認(rèn)識(shí)到目前實(shí)驗(yàn)室和生活中用到的各類溫度傳感器的測(cè)溫原理,結(jié)合所學(xué)電路理論、單片機(jī)知識(shí)完成一套完整的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì),并進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)溫,不僅可以為后續(xù)的創(chuàng)新應(yīng)用打下基礎(chǔ),而且可以達(dá)到學(xué)以致用、提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性的作用。

圖3 溫度測(cè)量數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)專題

類似的,針對(duì)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)II中的固定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,形成了如表1所示實(shí)驗(yàn)專題(左側(cè)為目前基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)II開(kāi)設(shè)的獨(dú)立的項(xiàng)目,中間為形成的專題實(shí)驗(yàn))。

表1 專題設(shè)計(jì)

表1(續(xù))

表1(續(xù))

教學(xué)中不再局限于單一實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容,不再是單一的物理規(guī)律的驗(yàn)證,而是注重引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散、靈動(dòng)跳躍思維,圍繞專題,把重點(diǎn)放在學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)上,鼓勵(lì)學(xué)生拓展研究?jī)?nèi)容,圍繞專題自行探究研究點(diǎn)[10]。

1.2 研究點(diǎn):子專題的確定

教師在課上主要串聯(lián)與頂層專題大方向相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,進(jìn)行梳理總結(jié),確定研究點(diǎn)。在教師的指導(dǎo)下,或者讓學(xué)生在課下調(diào)研的基礎(chǔ)上相互討論,也可以教師學(xué)生相互討論確定相應(yīng)的研究點(diǎn)。比如,溫度測(cè)量專題中,可以針對(duì)半導(dǎo)體類型熱敏電阻(聯(lián)系熱敏電阻數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn))、金屬類型熱敏電阻(Cu50、Pt100)進(jìn)行對(duì)比研究,也可以研究半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)(聯(lián)系熱效率實(shí)驗(yàn))、金屬的熱電效應(yīng)(銅、康銅做成的熱電偶,聯(lián)系穩(wěn)態(tài)法測(cè)量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn))的區(qū)別等,通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)量得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。拿出規(guī)定的時(shí)間開(kāi)放與專題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室,讓學(xué)生根據(jù)自己課外的時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室完成確定的研究?jī)?nèi)容,不僅包括教材中的必做內(nèi)容,而且要完成與內(nèi)容相關(guān)的子專題研究。

2 考核評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

整個(gè)考核分為方案考核和研究?jī)?nèi)容考核2部分。從研究方案的設(shè)計(jì)選擇、實(shí)驗(yàn)儀器組裝搭配、數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果及結(jié)論等,對(duì)學(xué)生的專題研究進(jìn)行綜合考核[11]。

其中方案考核分為實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、方案選擇、方案實(shí)施3個(gè)方面,如圖4所示,分別從方案設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性、選擇的合理性、實(shí)施的正確性3個(gè)方面對(duì)學(xué)生考核,這部分成績(jī)占總成績(jī)的40%。

圖4 方案考核

學(xué)生專題完成后,撰寫(xiě)2 000字左右的針對(duì)專題研究點(diǎn)的報(bào)告,報(bào)告內(nèi)容須體現(xiàn)“為何進(jìn)行此研究、如何設(shè)計(jì)的方案、數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果、結(jié)論”等,參考科技論文格式,成績(jī)占60%,這部分為研究?jī)?nèi)容的考核,如圖5所示。當(dāng)然,2部分成績(jī)所占的比例,可以根據(jù)專題的不同作適當(dāng)調(diào)整 。

圖5 內(nèi)容考核

3 專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及效果

以2014級(jí)理科實(shí)驗(yàn)班學(xué)生作為實(shí)施對(duì)象,在基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)II環(huán)節(jié),采用實(shí)驗(yàn)專題教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)安排采用小組形式,一周一次專題課,在本周的上午時(shí)間段拿出規(guī)定時(shí)間開(kāi)放專題相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室,由學(xué)生自由選擇進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室時(shí)間,指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)跟蹤指導(dǎo),根據(jù)調(diào)研進(jìn)行專題研究。理科實(shí)驗(yàn)班3個(gè)數(shù)理班,分為6～8個(gè)小組上課,每個(gè)小組6～8人,正常學(xué)期一般第2周開(kāi)課,每周一次專題課。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放,空間和時(shí)間都相對(duì)比較寬裕。

專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)思想的關(guān)聯(lián)及綜合應(yīng)用,培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散、跳躍、創(chuàng)新思維,鼓勵(lì)學(xué)生自己探索研究點(diǎn)、自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)配件、自行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。通過(guò)一學(xué)期的實(shí)施運(yùn)行,極大地提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和積極性,學(xué)生由原來(lái)的“等、靠、抄”(等教師講、靠教師教、照別人抄)變成了“查、鉆、思”(查閱調(diào)研資料、自己動(dòng)手動(dòng)腦鉆研、思考總結(jié)得到研究結(jié)論)[12]。學(xué)生通過(guò)調(diào)研,提出了許多有意義的值得研究的題目,有的已轉(zhuǎn)化為校級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。一學(xué)期下來(lái),學(xué)生共提交了36項(xiàng)專題研究,其中有26項(xiàng)題目被一致認(rèn)為是可進(jìn)行深入研究探索的,其中6項(xiàng)轉(zhuǎn)化為校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目。學(xué)生第一作者發(fā)表文章3篇、申請(qǐng)專利2項(xiàng)。目前尚需解決的問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)室條件不能滿足部分研究專題,受實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量精度限制,測(cè)量結(jié)果還不能上升到一定的科研水平。

4 結(jié)語(yǔ)

物理實(shí)驗(yàn)的宗旨是培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力,專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以學(xué)生為中心,使學(xué)生學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)榱酥鲃?dòng),拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵,強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的掌握。希望通過(guò)努力,使專題實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成為學(xué)校教學(xué)改革的亮點(diǎn),為其他專業(yè)的教學(xué)改革提供借鑒和參考。

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Exploration and practice of special subject experimental teaching in basic physics experiments

Wang Long, Yin Yufang, Wang Luoqiu, Li Shuguang, Huang Liubin, Li Dongxia

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Aiming at the fact that the students have narrow knowledge and lack the experimental methods and the comprehensive application ability in the fixed experimental items of basic physics experiment courses, a special subject experimental teaching mode is proposed. The practice shows that the reform on the special subject teaching mode has raised the students’ interest and enthusiasm in the experiment, and has achieved some good results, providing references for the teaching reform of other specialties in the university.

special subject experimental teaching; basic physics experiment; science experimental class

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.050

2017-02-04 修改日期：2017-04-06

中國(guó)石油大學(xué)(華東)青年教師教學(xué)改革項(xiàng)目(QN201623)；山東省教學(xué)改革項(xiàng)目(2015M022)；中國(guó)石油大學(xué)(華東)重點(diǎn)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(JY-A201616)

王龍(1981—),男,山東泰安,碩士，講師,主要研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).E-mail：wanglong@upc.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)08-0199-04