《大學(xué)物理實驗》課程研究性教學(xué)模式與實踐探索

楊小紅++李海++王念萍

摘要：本文在有限的計劃學(xué)時內(nèi)，在人數(shù)眾多的低年級學(xué)生中開展研究性教學(xué)實踐，具有可操作性較強、受益面較廣的特點。該教學(xué)模式使大學(xué)物理實驗課程真正成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的課程載體，有效實現(xiàn)創(chuàng)新能力的滲透式培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗；創(chuàng)新能力；實踐探索

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2018）02-0143-03

一、引言

大學(xué)物理實驗課程是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接觸的第一門比較系統(tǒng)的實驗課程，其在培養(yǎng)學(xué)生動手能力、分析和解決問題能力方面發(fā)揮著重要的作用，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主實驗和獨立思考，形成主動性探究科學(xué)問題的能力[1]。有鑒與此，我校大學(xué)物理實驗教研室的老師結(jié)合多年實踐教學(xué)經(jīng)驗，以大學(xué)物理實驗課程為載體，在有限的計劃學(xué)時內(nèi)，探索如何在傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗教學(xué)中適當(dāng)引入研究元素，建立自主探究的研究性教學(xué)模式，在面向?qū)W生人數(shù)眾多的低年級學(xué)生中開展研究性教學(xué)活動，培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力和科研能力，提高其實驗素養(yǎng)，使大學(xué)物理實驗課程成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的課程載體，有效實現(xiàn)創(chuàng)新能力的滲透式培養(yǎng)。

二、我校大學(xué)物理實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀

我校大學(xué)物理實驗課程的實驗室配備、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及學(xué)習(xí)方式、課程考核方式現(xiàn)狀如下。

1.實驗室現(xiàn)有設(shè)備基本能滿足實驗內(nèi)容的要求，課程要求必做的實驗?zāi)茼樌_展。

2.教學(xué)內(nèi)容難度一般，在計劃學(xué)時內(nèi)，教和學(xué)的任務(wù)都不重，大部分實驗?zāi)芴崆巴瓿?，但所開設(shè)的大學(xué)物理實驗內(nèi)容驗證性偏多，而研究性、探索性不足。

3.在教學(xué)方式上，教師大多采用“課堂講解+詳細(xì)實驗演示”的方式，即便是設(shè)計性實驗，能夠給到學(xué)生自主研究探索的時間和空間都非常有限，使得學(xué)生獨立思考能力、動手能力及創(chuàng)新能力得不到培養(yǎng)。

4.學(xué)習(xí)方式上，學(xué)生課前預(yù)習(xí)時間普遍較長且預(yù)習(xí)效果不佳。在實驗操作方面，學(xué)生雖具備一定的獨立實驗?zāi)芰?，但對于教學(xué)任務(wù)以外的實驗內(nèi)容嘗試積極性不夠。實驗數(shù)據(jù)處理方法及實驗報告撰寫缺乏新意，創(chuàng)新能力不足。

5.課程考核方式主要以“實驗操作+實驗報告撰寫情況”進(jìn)行考核。而對實驗前的預(yù)習(xí)、實驗操作過程中學(xué)生的探索精神及創(chuàng)新能力、實驗報告中的創(chuàng)新能力等未得到充分體現(xiàn)。

綜上所述，在教學(xué)內(nèi)容難度不大，教學(xué)學(xué)時相對寬松，而學(xué)生又具備一定的獨立實驗?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上，通過改變教師的教學(xué)方式、學(xué)生實驗教學(xué)三環(huán)節(jié)中的學(xué)習(xí)方式及課程考核方式，在傳統(tǒng)大學(xué)物理實驗課程中增加新內(nèi)容、新方法和新手段，開展研究性教學(xué)，將創(chuàng)造性培養(yǎng)滲透到實驗教學(xué)的各個環(huán)節(jié)尤為必要。

三、《大學(xué)物理實驗》課程研究性教學(xué)模式

1.在教學(xué)內(nèi)容方面，從實驗現(xiàn)象觀察、拓展應(yīng)用、理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬等方面適度增添研究性、探索性元素，改變大學(xué)物理實驗內(nèi)容驗證性偏多，而研究性、探索性不足的現(xiàn)狀。在保證學(xué)生基本實驗技能得到培養(yǎng)提高的同時，以現(xiàn)有實驗為載體，適度對實驗項目進(jìn)行拓展，在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗去探索一些可進(jìn)一步思考的問題。例如，在測量液體粘滯系數(shù)實驗中學(xué)生會提出以下問題，即“小球剛從液面下落即開始計時，對實驗測量結(jié)果是否有影響？”在用邁克爾遜干涉儀測量光波的波長實驗中可增加一研究性問題“如何測量家用保鮮膜的厚度？”這些內(nèi)容新穎、難度適中的研究性問題既以原有實驗為基礎(chǔ)，又與實際生活相貼近，無疑能增強學(xué)習(xí)趣味性，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和創(chuàng)新能力。教學(xué)內(nèi)容以提出的研究性問題為載體，以課程內(nèi)容和學(xué)生自身的知識為基礎(chǔ)，使學(xué)生將學(xué)習(xí)、研究、實踐有機結(jié)合起來，充分發(fā)揮學(xué)生的主動探索、主動思考、主動實踐的能力。

2.在教學(xué)方式上，改變“粉筆+黑板”的以教師講解為主、學(xué)生按步就班的實驗教學(xué)方式，建立以學(xué)生自學(xué)為主、教師指導(dǎo)為輔的教學(xué)方式。

在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以通過我們的大學(xué)物理實驗網(wǎng)絡(luò)課程平臺，獲得課程教學(xué)PPT，觀看課堂教學(xué)視頻，并進(jìn)行教學(xué)資料及相關(guān)文獻(xiàn)查閱，以開闊眼界，拓寬學(xué)生思路，給學(xué)生開“窗口”，從而培養(yǎng)學(xué)生的主動探索和思考能力。學(xué)生具備高質(zhì)量的實驗預(yù)習(xí)，才能為研究性教學(xué)的順利開展奠定基礎(chǔ)，可以說，高質(zhì)量的實驗預(yù)習(xí)是順利開展研究性教學(xué)的關(guān)鍵。

在實驗教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生理解每一個實驗的基本原理，重點介紹實驗的設(shè)計思想，使學(xué)生理解理論和實驗之間的聯(lián)系[1]。實驗操作過程中確立以學(xué)生自學(xué)為主、教師指導(dǎo)為輔的教學(xué)方式。在教學(xué)中增添研究性教學(xué)內(nèi)容給實驗教學(xué)裝“接口”，以便與學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)相銜接，與實際應(yīng)用相聯(lián)系。教學(xué)采用提問式、啟發(fā)式等課堂互動教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生就所發(fā)現(xiàn)的問題自己規(guī)劃和決定具體的實驗條件、設(shè)計實驗方案進(jìn)一步解決問題。每次實驗課結(jié)束前預(yù)留一定時間，讓學(xué)生討論實驗中出現(xiàn)的問題、遇到的困難，以及隨后如何進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

實驗結(jié)束后要善于給學(xué)生留“缺口”，讓學(xué)生自己課后進(jìn)行補充、推導(dǎo)、數(shù)值模擬等創(chuàng)造性地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和撰寫實驗報告。鼓勵學(xué)生將實驗中的所思所感以及研究性問題的探究過程、結(jié)論用研究報告的形式撰寫，提高實驗報告撰寫質(zhì)量。

3.在學(xué)生學(xué)習(xí)方式上使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，以研究者的角色完成實驗操作三環(huán)節(jié)。學(xué)生的預(yù)習(xí)要從查文獻(xiàn)資料開始，進(jìn)而制定實驗方案和實驗步驟，準(zhǔn)備一些生活中易得的簡單實驗器材等，預(yù)習(xí)內(nèi)容更加充實，目的明確，大大提高了預(yù)習(xí)質(zhì)量。在實驗操作過程中，學(xué)生不再是按照教師的演示按步就班地模仿，而是能夠充分發(fā)揮主觀能動性，自己發(fā)現(xiàn)問題，創(chuàng)設(shè)問題情境，利用實驗平臺進(jìn)行組裝、調(diào)試實驗系統(tǒng)、觀察實驗現(xiàn)象直至完成實驗。學(xué)生自主性選擇空間增大，其主動性、積極性得到提高。由于某些問題情景和學(xué)生原有認(rèn)知不符合，由此引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，喚起學(xué)生的積極思考，激發(fā)其內(nèi)在的驅(qū)動力，使其自覺地充當(dāng)問題的探索者，真正參與到學(xué)習(xí)活動中，從而使其成為學(xué)習(xí)的主體，最終達(dá)到掌握知識、發(fā)展能力、培養(yǎng)思維的目的。在實驗報告撰寫方面，學(xué)生能夠以一個研究者的角色把實驗過程中研究探索的問題結(jié)合語言文字、圖表、理論分析、軟件數(shù)值模擬等方式進(jìn)行闡釋，得出研究結(jié)論。endprint

4.在課程考核方式上建立形成性評價機制，加大對學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力及學(xué)習(xí)過程的評價，注重學(xué)生創(chuàng)新能力考核。學(xué)習(xí)的過程是一個能力培養(yǎng)的過程，課程考核方式既要注重學(xué)習(xí)過程，又要注重學(xué)生整個課程的學(xué)習(xí)效果。教學(xué)評價應(yīng)力求多元化，在課程考核方面，建立形成性評價機制，加大對學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評價力度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。從形成性評價的角度來看，主要依據(jù)學(xué)生平時預(yù)習(xí)質(zhì)量、實驗操作過程中討論的參與度，研究性問題的提出及探索過程中所表現(xiàn)出的合作精神、創(chuàng)新精神；實驗報告撰寫質(zhì)量及在探究研究性問題過程中所表現(xiàn)出的創(chuàng)新能力等方面多元評價學(xué)生，加大對學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力及學(xué)習(xí)過程的評價力度。

四、《大學(xué)物理實驗》課程研究性教學(xué)實踐

下面我們以兩個具體的實踐教學(xué)案例闡釋具體的實踐教學(xué)過程。

第一個研究性問題是在“用邁克爾遜干涉儀測光波波長”實驗中開展的。教師在實驗網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)布了研究性課題“如何用運用邁克爾遜干涉儀測量薄膜的厚度”。學(xué)生在預(yù)習(xí)階段就需要查找相當(dāng)多的資料，在此基礎(chǔ)上擬好實驗方案，給出詳細(xì)的實驗原理、實驗步驟并準(zhǔn)備好相關(guān)的待測物品，學(xué)生準(zhǔn)備了白光手電筒（白光光源）、千分尺、TO-220無孔透明云母片、手機貼膜、冰箱用PE保鮮膜等實驗器材。在實際操作過程中，學(xué)生首先完成用邁克爾遜干涉儀測量光波的波長，學(xué)會實際操作和運用邁克爾遜干涉儀，掌握等傾干涉條紋調(diào)節(jié)方法和技巧之后，再適當(dāng)調(diào)整實驗裝置，利用白光等厚干涉進(jìn)行薄膜厚度的測量研究[2]。并與用千分尺直接測量的薄膜厚度進(jìn)行對比，分析兩種儀器測量的優(yōu)缺點。整個實驗過程中，學(xué)生會將實驗現(xiàn)象拍照，數(shù)據(jù)處理和實驗報告的撰寫能較好地分析運用邁克爾遜干涉儀進(jìn)行薄膜厚度測量的優(yōu)勢。學(xué)生報告結(jié)果發(fā)現(xiàn)“PE保鮮膜和手機屏幕貼膜的厚度要大于直接測量的值，這是因為使用千分尺測量時會對薄膜兩側(cè)直接接觸的區(qū)域進(jìn)行擠壓，造成所測值小于正常情況下的薄膜厚度。而且因為PE保鮮膜較手機屏幕貼膜柔韌性強，易拉伸，所以受擠壓后更易發(fā)生形變，使最終測量結(jié)果誤差更大”。并由此得出用邁克爾遜干涉儀可準(zhǔn)確求出薄膜厚度很小且折射率已知的薄膜的厚度，具有數(shù)據(jù)處理步驟簡單、準(zhǔn)確度高的優(yōu)點[3]。該實驗的理論探索和儀器準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)處理在課外完成，裝置搭建和數(shù)據(jù)測量則在課內(nèi)完成。

第二個研究性問題是在“落球法測液體粘滯系數(shù)”實驗中開展的。本實驗中小球下落的最初階段作加速運動，只有在重力、浮力及粘滯阻力三力平衡后才做勻速運動，而在實驗過程中很難觀察到小球是否已經(jīng)做勻速運動，為了保險起見，指導(dǎo)老師會提醒學(xué)生要預(yù)留一段距離才開始計時，那這段距離到底有多長？是否必要呢？學(xué)生在實驗過程中發(fā)現(xiàn)此問題，老師則引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，并設(shè)計實驗對該條件的必要性進(jìn)行探索。由學(xué)生自主地進(jìn)行各種研究活動，包括形成問題、提出假設(shè)、提出模型、進(jìn)行實驗、觀察、測量，對觀察結(jié)果或?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋、評價和交流等，教師只做組織引導(dǎo)。整個實驗過程就是學(xué)生在教師有目的、有組織的指導(dǎo)下的發(fā)現(xiàn)過程。部分同學(xué)課后還查找相關(guān)資料進(jìn)行理論推導(dǎo)[4]，還有部分同學(xué)利用Matlab軟件描繪出小球下落速度——時間曲線以及位移——時間曲線[5]。同學(xué)們各自發(fā)揮自己的優(yōu)勢，所撰寫的實驗報告形式多樣，內(nèi)容豐富，圖文并茂，理論分析、數(shù)據(jù)模擬與實驗數(shù)據(jù)結(jié)論相輔相成，嚴(yán)謹(jǐn)而又充實。

五、結(jié)語

實踐表明，在有限的計劃學(xué)時內(nèi)，我們的研究性教學(xué)模式在人數(shù)眾多的低年級學(xué)生中開展可操作性較強，受益面較廣。隨后的調(diào)查問卷反饋表明學(xué)生查找資料以及整合資料的能力得以提升；實驗過程中主動性、積極性提高；觀察能力、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及解決問題的能力增強，也更加會多元地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析討論問題，撰寫科研型論文的能力得到加強，《大學(xué)物理實驗》課程研究性教學(xué)模式與實踐教學(xué)改革成效顯著，使大學(xué)物理實驗課程真正成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的課程載體，有效實現(xiàn)創(chuàng)新能力的滲透式培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁文耀，陳武喝.基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的自主性實驗教學(xué)改革探討[J].實驗室研究與探索，2012，31（8）：289-291.

[2]漆建軍，馬文華，肖華.基于線陣CCD的邁克爾遜干涉儀測量金屬絲的彈性模量[J].實驗室研究與探索，2010，29（1）：19-23.

[3]楊修文，石義杰，路素彥.邁克爾遜干涉儀測量薄膜的折射率與厚度[J].鄖陽師范高等?？茖W(xué)校校報，2008，28（3）：26-27.

[4]曹春梅，甄釗.落球法測液體粘滯系數(shù)實驗的理論分析[J].物理與工程，2013，23（2）：39-41.

[5]楊浩，朱基珍，禤漢元.落球法測液體粘滯系數(shù)小球運動過程MATLAB描繪[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，2011，22（1）：70-73.endprint