淺談“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拓展”選修課建設(shè)經(jīng)驗(yàn)

芮云軍 楊迎

[摘 要] 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分學(xué)生表達(dá)出希望繼續(xù)深入實(shí)驗(yàn)研究的愿望，為此開(kāi)設(shè)了《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拓展》選修課進(jìn)行教學(xué)。該課程的開(kāi)設(shè)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力起到了積極的作用，同時(shí)教師在指導(dǎo)過(guò)程中，也提升了自己的教學(xué)水平和解決實(shí)際問(wèn)題的能力?？梢哉f(shuō)真正實(shí)現(xiàn)了師生的“教學(xué)相長(zhǎng)”，值得借鑒。

[關(guān)鍵詞] 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);拓展;創(chuàng)新實(shí)踐;教學(xué)相長(zhǎng)

[基金項(xiàng)目] 南京工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目（2019JXGG2011）;江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)（國(guó)家級(jí)）項(xiàng)目（20181029108X）

[作者簡(jiǎn)介] 芮云軍（1977—），男，江蘇丹陽(yáng)人，博士，副教授，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究;楊 迎（1987—），男，湖北隨州人，講師，博士，主要從事光學(xué)工程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）43-0265-02 ? ?[收稿日期] 2020-03-25

物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，對(duì)理工科學(xué)生來(lái)講，扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)踐探究能力是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要方面，而《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課程可以承載培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的功能。但是現(xiàn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容，特別是經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，大都是驗(yàn)證性的。強(qiáng)調(diào)動(dòng)手能力的培養(yǎng)，忽視創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)課體系按學(xué)科分類(lèi)，忽視各學(xué)科間的滲透和交融，已不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要[1]。

另外，工科學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)明顯偏少，學(xué)生只能進(jìn)行一些基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與操作，主要是進(jìn)行基本理論、基本方法、基本技能的“三基”系統(tǒng)訓(xùn)練。可以說(shuō)，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)剛剛被有所啟發(fā)，就“戛然而止”，非常不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。所以我們通過(guò)對(duì)《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拓展》課程的建設(shè)，積極進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣延續(xù)，更加勇于提出實(shí)驗(yàn)過(guò)程甚至生活中的物理問(wèn)題，積極思考，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新實(shí)踐能力;同時(shí)教師作為指導(dǎo)者，也要不斷學(xué)習(xí)，提高理論和業(yè)務(wù)水平，解決實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)師生之間的“教學(xué)相長(zhǎng)”。

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程改革的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的一些高校已經(jīng)進(jìn)行了積極的教學(xué)改革并且取得了不小的成果。復(fù)旦大學(xué)的呂景林教授等人以演示實(shí)驗(yàn)作為切入點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[2]。通過(guò)“物理演示實(shí)驗(yàn)拓展”“基礎(chǔ)物理建?！钡日n程，搭建學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力和創(chuàng)新思維的品質(zhì)。華東師范大學(xué)的尹亞玲教授等人采用“問(wèn)題教學(xué)”作為教師教學(xué)的主要形式，調(diào)動(dòng)學(xué)生提問(wèn)的興趣[3]。結(jié)合科學(xué)論文和課外探究，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和探究學(xué)習(xí)能力的最大激發(fā)。

對(duì)于國(guó)外高校，其物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，運(yùn)用科學(xué)方法論解決理論及實(shí)踐中問(wèn)題的能力[4，5]。俄亥俄州立大學(xué)和密西西比州立大學(xué)的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教材中，開(kāi)設(shè)“課外實(shí)驗(yàn)（home work）”“小項(xiàng)目研究性實(shí)驗(yàn)（short project）”，例如制作一個(gè)無(wú)線電發(fā)射裝置，一個(gè)直流電機(jī)或可變電壓電源。馬里蘭大學(xué)的科學(xué)教育中心曾編寫(xiě)過(guò)一本有關(guān)“自制儀器”的書(shū)籍，從簡(jiǎn)易天平到電流表等75種儀器的自制方法都作了詳細(xì)的介紹，指導(dǎo)學(xué)生自主探索和研究。

二、《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拓展》選修課建設(shè)

培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，除了教師教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變和教學(xué)內(nèi)容的更新外，還必須提供給學(xué)生探索和實(shí)踐的自由空間，給學(xué)生提供創(chuàng)新的舞臺(tái)。下面談?wù)勎覀兊慕虒W(xué)經(jīng)驗(yàn)。

1.搭建實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)

學(xué)生的“奇思妙想”能夠變成現(xiàn)實(shí)，依賴于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)。學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心專門(mén)開(kāi)辟出兩間大教室進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)。在拓展實(shí)驗(yàn)室里有各種實(shí)驗(yàn)工具，如電表、導(dǎo)線、螺絲刀、鉗子、電焊機(jī)、老虎鉗等。教室里配有黑板，投影儀，可以定期開(kāi)展小組討論和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)講解。其次，借助于信息技術(shù)，建立虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)于難以觀察的，復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬和數(shù)值計(jì)算，使之成為拓展實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。

另外，將學(xué)生歷年來(lái)在省、市各類(lèi)物理實(shí)驗(yàn)、光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的案例，編寫(xiě)成冊(cè)，供學(xué)生查閱。同時(shí)，這些競(jìng)賽作品也陳列在教室里，成為看得見(jiàn)、摸得著的“奇思妙想”的導(dǎo)火線，引領(lǐng)學(xué)生不斷開(kāi)拓創(chuàng)新。比如，同學(xué)通過(guò)往屆競(jìng)賽作品，“邁克爾遜干涉儀測(cè)量透明物體折射率”之后，設(shè)計(jì)出了能夠使物體的光程差發(fā)生連續(xù)變化，高精度測(cè)量的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，撰寫(xiě)了科技論文且申請(qǐng)了專利[6]?？梢?jiàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立，極大地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)作熱情和實(shí)踐能力。學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案正是在這里得到了有效實(shí)施。

2.教師創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)

需要指出的是，“激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力”在很大程度上需要指導(dǎo)教師的因材施教，與教師自身創(chuàng)新能力的提升。清華大學(xué)物理系在培養(yǎng)國(guó)家乃至全世界一流物理學(xué)人才和各行各業(yè)棟梁方面，進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐[7]。提出了“廣攬名師、營(yíng)造環(huán)境，因材施教、自由發(fā)展，體驗(yàn)探究、發(fā)掘興趣”的人才培養(yǎng)模式。

我院在《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拓展》選修課的教學(xué)上，將一線骨干教師組建教師團(tuán)隊(duì)。成員中大部分從事大學(xué)物理理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)接近20年，經(jīng)驗(yàn)豐富。很多教師還同時(shí)承擔(dān)自然科學(xué)的研究項(xiàng)目，對(duì)于激發(fā)學(xué)生興趣，探索未知世界有著自己獨(dú)到的見(jiàn)解;對(duì)文獻(xiàn)的收集，調(diào)研，項(xiàng)目的完成，進(jìn)度的規(guī)劃和相關(guān)論文的撰寫(xiě)，也有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。重要的是，教師團(tuán)隊(duì)采用“共同備課，定期研討”的形式，不斷開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)，推陳出新。

例如在靜態(tài)法測(cè)量金屬絲楊氏模量的實(shí)驗(yàn)改造中，有老師設(shè)計(jì)出利用光電池輸出電流的大小來(lái)計(jì)算金屬絲的伸長(zhǎng)量。因?yàn)楣怆娏髋c光照強(qiáng)度成線性關(guān)系，金屬絲的伸長(zhǎng)，導(dǎo)致與之相連的擋板發(fā)生移動(dòng)，從而光照強(qiáng)度線性變化。將經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)與光電技術(shù)聯(lián)系起來(lái)，將先進(jìn)科技成果應(yīng)用到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，擴(kuò)大了學(xué)生和教師的知識(shí)面。

3.學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的建設(shè)

《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拓展》選修課中，科技作品的完成者是學(xué)生，所以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，組建學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)非常關(guān)鍵。我們首先以“專業(yè)混搭”進(jìn)行學(xué)生組合，這利于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新，更有利于思維創(chuàng)新。不同專業(yè)學(xué)生，對(duì)器件的應(yīng)用有不同的理解，采用的方法也不同，所以在相互交流過(guò)程中，容易激發(fā)創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

例如，在分光計(jì)測(cè)量三棱鏡頂角的實(shí)驗(yàn)中，很多同學(xué)對(duì)“三個(gè)綠十字像”產(chǎn)生了好奇。物理專業(yè)的學(xué)生考慮畫(huà)出光路圖解釋上述原因，而機(jī)械工程專業(yè)的學(xué)生則利用“三個(gè)綠十字像”的相對(duì)位置測(cè)量，“定量”計(jì)算出三棱鏡三個(gè)角的具體度數(shù)[8]。所以不同專業(yè)學(xué)生的組合有利于取長(zhǎng)補(bǔ)短，思維創(chuàng)新，使合作更高效。另外，以“新老結(jié)合”的形式，在每個(gè)課題小組中，安排一名高年級(jí)同學(xué)，讓其參與實(shí)驗(yàn)研究。

三、總結(jié)

建設(shè)一門(mén)新課程，不但需要教師課前做好充分準(zhǔn)備，也需要學(xué)生的積極參與。我們從這幾年開(kāi)設(shè)《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拓展》選修課的實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)、教師團(tuán)隊(duì)、學(xué)生團(tuán)隊(duì)的建設(shè)同等重要，而在科技制作的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力，同時(shí)要求教師做好表率，提升教學(xué)水平和科研能力。實(shí)現(xiàn)師生“教學(xué)相長(zhǎng)”。

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