新形勢下普通高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題與探索

王印磊

【摘 要】本文分析了當(dāng)前高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為突破口，結(jié)合實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式創(chuàng)新，提出了一系列的方法和建議，通過培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、邏輯思維能力、空間想象能力、創(chuàng)新能力及團(tuán)結(jié)協(xié)作能力等，使學(xué)生綜合能力得到提高。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)；物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)模式；綜合能力培養(yǎng)

中圖分類號： O4-4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0136-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.060

The exploration of physics experiment teaching problems in colleges under the new situation

WANG Yin-lei

（Department of Foundation Course， Shandong University of Science and Technology， Taian 271019， China）

【Abstract】This paper analyzes the existing problems in physics experiment teaching in colleges.To cultivate studentsinterest in learning as a breakthrough，combined with experimental preview，the experiment content and experimental teaching model innovation.A series of methods and suggestions are proposed，self-learning ability of students，logical thinking ability，spatial ability，the innovation ability and the ability to work together，improve studentscomprehensive ability.

【Key words】University physical experiment；Physical experimental teaching；Teaching mode；Comprehensive ability training of students

0 前言

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是我國高校理工科各專業(yè)必修的公共基礎(chǔ)課[1]，物理實(shí)驗(yàn)課程是大學(xué)生入學(xué)后的第一門實(shí)踐類課程，而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為一門必修基礎(chǔ)實(shí)踐課，是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)以后接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的開端[2]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高等教育結(jié)構(gòu)中一個(gè)重要組成部分，對大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、工程技術(shù)素質(zhì)、文化素質(zhì)以及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，具有不可替代的地位和作用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是貫穿于大學(xué)生學(xué)習(xí)生活全過程的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供了廣闊的活動空間和思維空間[3]。通過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識、方法和技能受到嚴(yán)格系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基本技能訓(xùn)練，為以后的專業(yè)實(shí)驗(yàn)和終生的科研工作打好基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力、探索精神和創(chuàng)新精神。

當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)越來越向綜合性、設(shè)計(jì)性、多學(xué)科交叉的方向發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不單純是物理學(xué)原理的實(shí)驗(yàn)，而是集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)及其他學(xué)科知識融合的系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)驗(yàn)還往往涉及物理學(xué)中多個(gè)原理、多個(gè)章節(jié)知識，因此物理實(shí)驗(yàn)的難度越來越高，對大學(xué)生提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，應(yīng)該說物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展對大學(xué)生的能力培養(yǎng)提供了難得的條件和機(jī)遇。如何調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，如何培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，充分發(fā)揮大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課在人才培養(yǎng)中的重要作用等等，筆者根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐總結(jié)出以下措施。

1 在教學(xué)過程中激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

興趣是學(xué)習(xí)最好的老師，興趣是影響學(xué)生技能形成的心理因素，也是學(xué)生取得成功的動力因素之一。因此，教師應(yīng)該從培養(yǎng)學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的興趣入手，引起他們對物理實(shí)驗(yàn)的重視，調(diào)動他們做好物理實(shí)驗(yàn)的積極性，才能提高我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和作用。

1.1 重視實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要注意對學(xué)生的引導(dǎo)和啟發(fā)，通過對經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)過程或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的描述激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容講解過程中要注意引入最新科學(xué)成果，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與當(dāng)今科學(xué)前沿相聯(lián)系，讓學(xué)生即能領(lǐng)略到科學(xué)研究的最新成果，又可以讓學(xué)生知道我們實(shí)驗(yàn)的重要意義。例如在學(xué)習(xí)邁克爾遜干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，把當(dāng)前利用干涉儀探測引力波的最新進(jìn)展引入課堂。美國和歐洲兩個(gè)引力波項(xiàng)目組2017年9月27日宣布，兩個(gè)項(xiàng)目下屬的3個(gè)探測器首次共同探測到引力波這種“時(shí)空漣漪”，愛因斯坦廣義相對論關(guān)于引力波的預(yù)言得到了證實(shí)。激光干涉引力波天文臺（LIGO）就是利用邁克爾遜干涉儀的基本工作原理來測量由大質(zhì)量恒星和黑洞的引力引起的“時(shí)空漣漪”，由于激光干涉儀能夠非常精確地測量時(shí)空伸縮波動產(chǎn)生的極其微小光程差，也就是引力波引起的微小的空間伸縮使兩個(gè)臂的長度的變化，通過測兩束光產(chǎn)生的干涉條紋，計(jì)算出引力波的參數(shù)，邁克爾遜干涉儀還被應(yīng)用于尋找太陽系外行星的探測中。通過在課堂中引入對當(dāng)今物理學(xué)最新進(jìn)展的介紹激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等新的教學(xué)手段調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過多媒體動畫演示相關(guān)的物理現(xiàn)象，既直觀易懂又可以引起學(xué)生極大的興趣和熱情。利用網(wǎng)絡(luò)中相關(guān)的圖像和視頻資料，讓學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前通過網(wǎng)絡(luò)提前學(xué)習(xí)，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，開拓學(xué)習(xí)視野。在實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)中借助一些簡單的教學(xué)模具，讓學(xué)生們對物理學(xué)原理及相關(guān)的物理現(xiàn)象有一個(gè)直觀印象，激發(fā)他們認(rèn)真觀察和深入思考的興趣。

1.2 創(chuàng)新教學(xué)模式

要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入新理念，創(chuàng)新教學(xué)模式。當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備日益數(shù)字化、集成化、模塊化， 這往往造成很多的實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)構(gòu)功能都被“隱藏”起來。實(shí)驗(yàn)操作也變得相對簡單，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)按幾個(gè)開關(guān)、轉(zhuǎn)動幾旋鈕就能出結(jié)果。表面上看做物理實(shí)驗(yàn)簡單了，這種情況一是造成學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)參與度過低，二是造成學(xué)生錯誤的認(rèn)為實(shí)驗(yàn)簡單就盲目的認(rèn)為實(shí)驗(yàn)本身就是簡單的，忽略了實(shí)驗(yàn)所包含的深層次、重要的物理原理和重要內(nèi)容。我們知道一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的得出需要大量的理論支撐，并且中間還需要各種推導(dǎo)和計(jì)算。因此，如果給學(xué)生一種僅僅轉(zhuǎn)動幾個(gè)旋鈕就得出結(jié)論的簡單印象，那么我們的物理實(shí)驗(yàn)就失去了培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要作用。為了解決這個(gè)問題，我們必須創(chuàng)新教學(xué)模式。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備提高實(shí)驗(yàn)的難度，要求學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)設(shè)備不能簡簡單單會用就行，要打開實(shí)驗(yàn)設(shè)備的“黑匣子”，以問題為導(dǎo)向大膽地“解刨”設(shè)備，把實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程摸清，把實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能及使用方法理解掌握。通過這種教學(xué)方法，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大幅提高，由過去做實(shí)驗(yàn)只是簡單的測量幾個(gè)數(shù)據(jù)，變?yōu)橐耘d趣為學(xué)習(xí)動因，以研究問題為導(dǎo)向，以科學(xué)探究為過程的新的學(xué)習(xí)模式。

2 以學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)作為我們工作的核心

愛因斯坦說過教育就是當(dāng)一個(gè)人把在學(xué)校所學(xué)全部忘光之后剩下的東西，這其實(shí)就告訴我們，我們的教育真正目的是培養(yǎng)學(xué)生的能力，而不是讓他們記住多少書本上的知識。為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，我們需要把每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都當(dāng)做是一個(gè)系統(tǒng)工程，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程嚴(yán)格把關(guān)，以最大程度地實(shí)現(xiàn)我們的培養(yǎng)目標(biāo)。

2.1 結(jié)合實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力

自學(xué)能力是一個(gè)人極為重要的能力，這種能力在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中也必須具備的。由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原因，在實(shí)際教學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)與物理理論課的內(nèi)容往往不能“同步”，經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的原理在理論課教學(xué)中還沒有學(xué)習(xí)，而實(shí)驗(yàn)卻需要運(yùn)用的情況。學(xué)生必須提前學(xué)習(xí)并掌握相關(guān)的理論知識，這就要求學(xué)生堅(jiān)決摒棄“等、靠”的思想。知識不能被動地等著老師講，要調(diào)動起學(xué)習(xí)的積極主動性，為了一個(gè)問題的解決，要主動調(diào)整自己的方方面面。在學(xué)習(xí)中必須沉下心來，認(rèn)真仔細(xì)閱讀相關(guān)資料，遇到不明白的問題仔細(xì)思考并想方設(shè)法解決，直到徹底弄明白。通過預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以大大提高分析問題、解決問題的能力，提高自主學(xué)習(xí)能力，也培養(yǎng)了戰(zhàn)勝困難的毅力，初步形成了良好的學(xué)習(xí)和研究習(xí)慣，對于將來的個(gè)人發(fā)展也是極其重要的。

為了使學(xué)生更好的做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，工作中我們對每一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目都設(shè)計(jì)了預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)報(bào)告中圖文并茂，設(shè)計(jì)有大量的背景介紹、圖片、實(shí)驗(yàn)原理及操作規(guī)范等等，對實(shí)驗(yàn)所涉及的時(shí)代背景，需要解決的重大問題，所運(yùn)用的理論知識進(jìn)行全面的、系統(tǒng)的介紹，并對預(yù)習(xí)效果進(jìn)行考查。通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告可以督促、掌握學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，對于預(yù)習(xí)不合格的要限時(shí)達(dá)標(biāo)完成。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維能力和空間想象能力

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中我們應(yīng)該結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，例如我們在做聲速測定的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)知道駐波在波節(jié)處彈性勢能最大，但是如何理解呢？我們要鼓勵學(xué)生深入思考，我們以橫波為例進(jìn)行研究，通過分析曲線的切線斜率我們發(fā)現(xiàn)在波節(jié)處的切線斜率k=limΔx→0■最大，所以不難看出形變量Δy最大，所以就不難理解波節(jié)處的彈性勢能最大的原因了。又例如在學(xué)習(xí)復(fù)擺實(shí)驗(yàn)中分析它的振動周期與轉(zhuǎn)動軸距離質(zhì)心距離關(guān)系時(shí)，已知T=2π■，在求解周期T的最小值時(shí)我們可以利用不等式a2+b2≥2ab的關(guān)系求出當(dāng)a=h 時(shí)周期最小，也可以用高等數(shù)學(xué)中求導(dǎo)的方法推導(dǎo)出來。通過嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)來找到物理問題的答案，培養(yǎng)了學(xué)生的邏輯思維能力。

物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)就是理論結(jié)合實(shí)際，學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及其它資料時(shí)，對于實(shí)驗(yàn)儀器各個(gè)組成部分的位置形狀、功能作用，在大腦中有了自己的想象，這種在大腦中產(chǎn)生物體模樣的過程就是空間想象能力。當(dāng)學(xué)生接觸到真實(shí)的物體時(shí)，對比實(shí)物可以驗(yàn)證或糾正自己的想象，不斷反復(fù)的練習(xí)可以使學(xué)生的空間想象能力得到極大的鍛煉和提高。我們在做實(shí)驗(yàn)之前必須對實(shí)驗(yàn)操作在腦海中進(jìn)行不斷地“演練”，清楚實(shí)驗(yàn)操作嚴(yán)密邏輯順序，理解操作所產(chǎn)生的現(xiàn)象及現(xiàn)象產(chǎn)生的原因等等。通過對實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生的邏輯思維能力和空間想象能力得到極大提高，這也是我們學(xué)習(xí)新知識、掌握新本領(lǐng)所必須具備的非常重要素質(zhì)。

2.3 培養(yǎng)學(xué)生動手操作和解決實(shí)際問題的能力

物理實(shí)驗(yàn)是理論與實(shí)際的相互印證、相互檢驗(yàn)、相互統(tǒng)一。就目前學(xué)生實(shí)際情況來說，普遍存在實(shí)驗(yàn)操作能力相對比較薄弱的問題。對于大部分學(xué)生來說，他們的很多知識往往只是從書本上學(xué)習(xí)的，基本上沒有操作經(jīng)驗(yàn)。很多學(xué)生存在實(shí)驗(yàn)原理很清楚但是不會操作，甚至于無從下手的情況，來到儀器面前畏前畏后，久而久之對物理實(shí)驗(yàn)課產(chǎn)生畏難情緒，甚至產(chǎn)生恐懼心理，使物理實(shí)驗(yàn)課淪為聽聽課、看一看、旋動幾個(gè)按鈕出結(jié)果走過場的形式。這其中有沒有掌握實(shí)驗(yàn)儀器使用方法的原因，但也與學(xué)生動手能力差有很大關(guān)系。動手能力是一個(gè)人非常重要的一種能力，如何從頭腦中的理念和思路變成實(shí)實(shí)在在的現(xiàn)實(shí)，這是一個(gè)很復(fù)雜的過程，既需要“心靈“，也就是我們對于要做的工作清清楚楚，要有方法；也需要”手巧”，也就我們要有把思路變成現(xiàn)實(shí)，要有技巧。這種能力光靠聽、說、看是無法掌握的，必須親自動手實(shí)踐經(jīng)過反復(fù)嘗試、反復(fù)修正才能逐步提高。只有多給學(xué)生提供動手操作的機(jī)會，不斷地提高他們動手解決問題的能力，對于學(xué)生以后的個(gè)人發(fā)展是極其重要的。

2.4 通過對物理問題的深入探究和拓展，努力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才已成為社會對高校教育提出的迫切要求[4]。創(chuàng)新是事物發(fā)展過程中的量變與質(zhì)變過程，而物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠很好的體現(xiàn)這一過程[5]。問題意識是思維能力的動力，是創(chuàng)新思維形成的基石[6]，大學(xué)生思維敏捷，求知欲強(qiáng)，易于接受新鮮事物，富有上進(jìn)心和探索精神。因此我們要高度重視和鼓勵學(xué)生提出問題，借助物理實(shí)驗(yàn)這個(gè)平臺讓大學(xué)生的大膽提出問題并勇于實(shí)踐。在工作中我們不能急于求大、急于求成，要從一個(gè)小想法、一個(gè)小嘗試，從實(shí)驗(yàn)過程的點(diǎn)點(diǎn)滴滴慢慢積累。例如在牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑的實(shí)驗(yàn)中，通過讀數(shù)顯微鏡觀察到了一個(gè)個(gè)規(guī)則的等厚干涉圓環(huán)，規(guī)則的圓環(huán)說明干涉點(diǎn)距離平板玻璃的距離都是相同的。并且Δ=2d+■。我們可以鼓勵學(xué)生進(jìn)一步就探究如果平板玻璃不平會怎樣？同學(xué)們通過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d不相同時(shí)，如果平板玻璃某處出現(xiàn)凹陷的現(xiàn)象，那么通過讀數(shù)顯微鏡觀察到的干涉圓環(huán)將向外凸；如果平板玻璃的某處出現(xiàn)凸起，則觀察到的干涉環(huán)將向里面凹。通過對這個(gè)問題的深入探究，同學(xué)們由此聯(lián)想到可以利用牛頓環(huán)對元件的平面平整度進(jìn)行檢測，并可以做出各種創(chuàng)新設(shè)計(jì)。又比如我們將邁克爾遜干涉儀與楊氏彈性模量實(shí)驗(yàn)儀器相結(jié)合測量動鏡移動的距離，并利用光杠桿進(jìn)行測量和校對等等。

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，就要求我們不能停留在實(shí)驗(yàn)的本身，要創(chuàng)設(shè)問題，要“再往前走一步”，鼓勵學(xué)生深入思考拓展思路。在創(chuàng)設(shè)問題情境時(shí)根據(jù)課程體系的層次，在教學(xué)方法上遵循“誘導(dǎo)性、適度性、梯度性、新異 性”原則[7]，由淺入深循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。另外在一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)開發(fā)階段讓學(xué)生參與進(jìn)來，這樣使學(xué)生能夠完整地了解一個(gè)科研課題從立項(xiàng)到實(shí)施的全過程，能夠使學(xué)生接觸與掌握學(xué)科發(fā)展前沿信息和動態(tài)變化。

2.5 培養(yǎng)學(xué)生的交流溝通與人協(xié)作的能力

這也是我們?nèi)瞬排囵B(yǎng)的一個(gè)重要內(nèi)容。一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組就是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)會與人溝通與人協(xié)作。有許多實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)人就能完成的，需要幾個(gè)人的密切配合。通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生學(xué)習(xí)與人溝通的能力，學(xué)習(xí)以積極心態(tài)對待沖突和矛盾，擯棄固執(zhí)己見或回避問題的錯誤思想。通過實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)讓學(xué)生學(xué)會換位思考，能夠打破以自我為中心的思維模式，嘗試從對方的角度和立場考慮問題；通過實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)讓學(xué)生學(xué)會用心傾聽別人的意見，并及時(shí)反饋問題，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)做出調(diào)整和改進(jìn)。

3 結(jié)束語

毋庸置疑，物理實(shí)驗(yàn)對于學(xué)生的綜合能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用，如何使它起到真正的作用，始終是擺在我們面前的一個(gè)重要課題。我們必須要勇于改革，一切改革活動都是向現(xiàn)存規(guī)則的挑戰(zhàn)，有目的、有意識地加強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革，這既是重大的理論問題，又是非常艱苦的實(shí)踐問題[8]。我們必須站在為社會培養(yǎng)更多更好的建設(shè)人才的思想高度，不斷地研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的新問題，及時(shí)找到解決問題的方法，不斷地改善我們的工作，才能更好的發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力中的重要作用。

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