基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)思考

丁啟禹

隨著時(shí)代的前進(jìn)，我們的教育認(rèn)識(shí)不斷與國(guó)際接軌，教育體系更加重視學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)，尤其是創(chuàng)新思維培養(yǎng)。在高等學(xué)校各科教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立自主地學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)能力已成為教學(xué)的新目標(biāo)。

高等學(xué)校大學(xué)物理課程大綱明確指出：大學(xué)物理課程在為學(xué)生系統(tǒng)地打好必要的物理基礎(chǔ)、培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀、增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)等方面，具有其他課程不能替代的重要作用。大學(xué)物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的科學(xué)。在大學(xué)物理教學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用是深遠(yuǎn)的。物理實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，勇于實(shí)踐的科學(xué)精神，對(duì)科學(xué)理念的執(zhí)卓追求。物理實(shí)驗(yàn)與思維相結(jié)合，還可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)現(xiàn)象的觀察分析能力，善于動(dòng)手實(shí)踐的操作能力，精于想象構(gòu)造的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，有著其它課程無(wú)法比擬的作用，對(duì)于他們今后從事任何一項(xiàng)學(xué)習(xí)和工作都是非常有益的。

1 了解實(shí)驗(yàn)觀察的目的性

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，我們用于尋找事實(shí)、驗(yàn)證理論的科學(xué)實(shí)踐主要是通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)來(lái)完成的。如何徹底完備的研究觀察方法和實(shí)驗(yàn)方法的理論，充分發(fā)揮和利用觀察方法和實(shí)驗(yàn)方法的作用，對(duì)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)是有著極其重要的作用。物理實(shí)驗(yàn)觀察可以分為直接觀察與間接觀察。直接觀察是直接通過(guò)感官考察客體的方法。例如：在物理實(shí)驗(yàn)中，用直尺測(cè)量物體的長(zhǎng)度時(shí)，觀測(cè)者利用直尺的刻度與物體的被測(cè)邊緣相比較，得出測(cè)量值，但是測(cè)量的數(shù)據(jù)與觀測(cè)者的視覺(jué)，習(xí)慣有關(guān)，常?？偸怯衅蠡蚱〉内厔?shì)。在薄透鏡焦距的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，為使各光學(xué)元件的主光軸重合，常用的共軸調(diào)節(jié)的方法，一般是先粗調(diào)后細(xì)調(diào)；粗調(diào)時(shí)主要是用眼睛觀察，使物、屏和光源、透鏡中心大致在一條直線上；而細(xì)調(diào)時(shí)也是用眼睛觀察成像的清晰度進(jìn)行判斷的。由此可見(jiàn)，直接觀察在物理實(shí)驗(yàn)中是必要的，它直觀、生動(dòng)，易于掌握，但是它又有很大的局限性，常常受到外部事物的影響。間接觀察是人們借助于一定的儀器，觀察客體的方法。例如：在物理實(shí)驗(yàn)中，伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)，可以用指針式的電表來(lái)測(cè)量，也可以用數(shù)字式電表來(lái)測(cè)量，如果用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)可以直接讀取數(shù)值，避免用指針式電表讀數(shù)時(shí)產(chǎn)生的讀數(shù)誤差。在用自由落體測(cè)定重力加速度實(shí)驗(yàn)中，可以使用光電門接數(shù)字毫秒計(jì)，測(cè)量物體通過(guò)兩點(diǎn)間的時(shí)間差，避免手動(dòng)計(jì)時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差。由此可見(jiàn)，間接觀察擴(kuò)大了感官觀察的范圍，能在實(shí)驗(yàn)中提供更加準(zhǔn)確的觀察結(jié)果。

2 注重實(shí)驗(yàn)的理論性

物理實(shí)驗(yàn)觀察要以物理理論為依托。在物理實(shí)驗(yàn)中，我們的觀察不僅是對(duì)外部信息的接受，還有對(duì)信息的理論處理過(guò)程。例如：在用牛頓環(huán)測(cè)量球面的曲率半徑的實(shí)驗(yàn)中，我們用讀數(shù)顯微鏡觀察明暗相間的同心圓時(shí)，根據(jù)理論我們知道這是一種光的等厚干涉，中心是暗紋，透鏡的曲率半徑與入射光的波長(zhǎng)和N級(jí)同心圓的直徑有關(guān)。由此可見(jiàn)，物理觀察一定要與物理理論相配合，這樣觀察才能有的放矢，起到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證理論的作用。所以，我們要求學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前，要先對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)習(xí)，了解理論內(nèi)容，理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。此外，?shí)驗(yàn)觀察要用科學(xué)的語(yǔ)言來(lái)表述。物理學(xué)有自己特有的語(yǔ)言表述，例如物理學(xué)中的距離和位移、速度和速率，質(zhì)量和重量等。所以，這就要求學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中，對(duì)物理的概念、定理要有深刻的理解和熟練掌握，以便在實(shí)驗(yàn)觀察中能運(yùn)用科學(xué)準(zhǔn)確的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述對(duì)象。理論是物理學(xué)的核心，強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗(yàn)的作用，但決不能忽視理論對(duì)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)作用。

3 保證觀察實(shí)驗(yàn)的客觀性

物理實(shí)驗(yàn)觀察要保持客觀性。辯證唯物主義認(rèn)為觀察是具有客觀性的，是主觀與客觀相統(tǒng)一的過(guò)程。在物理實(shí)驗(yàn)中，觀察是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，為了保證觀察的客觀性，首先，要以正確反映客觀事物本質(zhì)的理論為指導(dǎo)。這種理論不僅包含正確的物理原理理論，還包括物理實(shí)驗(yàn)理論。例如：物理實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量，被測(cè)物體的真值和測(cè)量值之間總是存在一定的差異，這種差異稱為誤差。實(shí)驗(yàn)中不能完全的消除誤差，只能盡量減小誤差。其次，物理實(shí)驗(yàn)的觀察中要盡量使用先進(jìn)的技術(shù)和儀器。例如：在實(shí)驗(yàn)中起重要作用的時(shí)間的測(cè)量，可以用光電門或傳感器接計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，這樣可以更加準(zhǔn)確地記錄下時(shí)間的變化，提高觀察的客觀性。最后，物理實(shí)驗(yàn)要求嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度。盡量不要把主觀期盼加入到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，要實(shí)事求是，嚴(yán)肅認(rèn)真地觀察，保證觀察的客觀性。

4 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的全面性

在物理學(xué)中，物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)展出了一系列的特有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。

依據(jù)測(cè)量目的和手段的不同，物理實(shí)驗(yàn)可以分為定性實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)。定性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的某種屬性。定性實(shí)驗(yàn)是定量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提。例如：利用氦氖激光發(fā)生器演示楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)或菲涅爾圓盤實(shí)驗(yàn)，觀察光的干涉或衍射圖樣，從而了解光的波動(dòng)性。定量實(shí)驗(yàn)可以精確測(cè)定屬性的量值。例如：長(zhǎng)度和固體密度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)或用分光計(jì)測(cè)量折射率實(shí)驗(yàn)等，主要是測(cè)定一些物理量值。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)手段是否直接作用于被研究對(duì)象，物理實(shí)驗(yàn)可分為直接實(shí)驗(yàn)與模擬實(shí)驗(yàn)。直接實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)儀器直接干預(yù)對(duì)象的條件下觀測(cè)對(duì)象所輸出的信息。大部分實(shí)驗(yàn)都屬于直接實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)的理論驗(yàn)證性強(qiáng)，可以加強(qiáng)對(duì)物理定理和公式的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。模擬實(shí)驗(yàn)是一種間接實(shí)驗(yàn)，先設(shè)計(jì)出反映對(duì)象屬性的模型，然后用實(shí)驗(yàn)手段作用于模型，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)了解對(duì)象的性質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。模擬實(shí)驗(yàn)又可以分為物理模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。物理模擬是根據(jù)相似理論，構(gòu)造出與對(duì)象相似的物理模型，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)了解對(duì)象變化的物理過(guò)程。例如：用風(fēng)洞研究高速湍流氣體對(duì)物體的作用，常用于飛行器的檢驗(yàn)；用大氣模擬儀來(lái)模擬顯示今后幾年的地球大氣變化情況。實(shí)際上，用氣墊導(dǎo)軌研究牛頓定律，也是物理模擬實(shí)驗(yàn)，我們用它來(lái)研究無(wú)摩擦情況下物體的運(yùn)動(dòng)。數(shù)學(xué)模擬是在對(duì)象與模型之間在數(shù)學(xué)方程或數(shù)學(xué)模型相似的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)求解來(lái)研究對(duì)象性質(zhì)的一種模擬實(shí)驗(yàn)。例如：航天技術(shù)中對(duì)飛船和衛(wèi)星的運(yùn)行軌道的計(jì)算；自然界中的混沌現(xiàn)象的模擬。數(shù)學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著越來(lái)越重要的作用，它可以演示一些在現(xiàn)有條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，如原子的核裂變和核聚變，天體運(yùn)行演示等，在學(xué)到了相關(guān)的知識(shí)的同時(shí)，也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，在遠(yuǎn)程教學(xué)模式中，用計(jì)算機(jī)軟件制作的物理實(shí)驗(yàn)課件也起著非常重要的作用。

綜上所述，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理的理論實(shí)踐基石，是了解自然、把握自我、探求真理的基本手段。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與物理理論教學(xué)相比，更應(yīng)該隨著時(shí)代的發(fā)展、科技進(jìn)步而不斷的創(chuàng)新。我們要深刻地研究和探討物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，以唯物主義哲學(xué)理論為指導(dǎo)，充分利用現(xiàn)代化教育理論和技術(shù)，發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性、探索性等特點(diǎn)，強(qiáng)化物理實(shí)驗(yàn)的教育與培養(yǎng)功能，為培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)而努力。

（作者單位：大慶廣播電視大學(xué)網(wǎng)站管理中心）