大學物理實驗教學改革的探討與建議.pdf

管理觀察 Management Observer 總第 608 期 第 9 期 2016 年 3 月 下旬出版 82 大學物理實驗教學改革的探討與建議 沈希雅，王斌斌，竺江峰 ( 浙江海洋學院，浙江 舟山 3 1 6 0 0 0 ) 摘要：本文針對大學物理實驗課現(xiàn)狀，分析了當前存在的一些弊端，闡述了大學物理實驗改革的必要性。 從激發(fā)學生學習興趣和提高學生在課堂上的主動性出發(fā)，在教學內(nèi)容、教學方法以及考評制度上提出了 改革的幾點建議。 關鍵詞：大學物理實驗 教學改革 多媒體 考核 作者簡介： 竺江峰（1 9 6 1 - ），男，籍貫：浙江寧波，職稱：高級實驗師，研究方向：大學物理實驗教學。 21 世紀是人才競爭、教育競爭的時代，亟需有穩(wěn)固 的基礎知識、扎實的專業(yè)技能、具有創(chuàng)新意識的人才， 而大學物理實驗教學是高等院校理工科學生的必修課， 是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)。 由于師資水平和教學環(huán)境的限制，現(xiàn)如今大部分高 校的大學物理實驗教學都還是“教師主導”的傳統(tǒng)課堂 模式。在課堂上，教師演示完整的實驗過程，學生不需 要進行自主思考，只需機械式地模仿，使實驗變成了一 種形式化，記憶性的過程。一定程度上，這限制了學生 的思維創(chuàng)新，造成了學生對老師的依賴心理。 為了實現(xiàn)大學物理實驗教學培養(yǎng)“應用型”人才的 教學目標，對大學物理實驗教學進行改革的關鍵是提高 教學質(zhì)量的和完善期末的考核體系。 一、引入多媒體資源，激發(fā)學生興趣 獲取實驗數(shù)據(jù)， 撰寫實驗報告是實驗課的最終結果， 也是實驗課的重要組成部分。相對而言，對實驗的預習 環(huán)節(jié)的重視不夠。 從提高學生的素質(zhì)和能力的角度來看， 實驗的預習環(huán)節(jié)非常重要。 現(xiàn)在學生在預習上課要講授的實驗項目時，一來可 以根據(jù)教材上的內(nèi)容介紹，二來可以根據(jù)在學校網(wǎng)站上 發(fā)布的預習提綱和實驗示范報告。學生可以通過閱讀教 材上關于實驗原理，實驗步驟以及實驗儀器結構的相關 介紹等基本知識結合預習提綱來對下次課要進行實驗進 行思考，充分發(fā)揮他們在學習中的主體作用 3。 但由于學生課業(yè)繁重，學校教學資源有限等原因， 學生往往不能在實驗課之前接觸到實驗器材。這樣紙上 談兵的實驗預習， 往往會造成學生對預習環(huán)節(jié)缺乏興趣， 而大大影響了實驗預習的效果。為了讓學生對預習內(nèi)容 建立起生動具體的形象，引入多媒體資源是行之有效的 辦法。即在學校網(wǎng)站上逐步上傳一些教學資源 7，比如 拍攝的一些教學視頻，實驗項目的動畫模擬視頻等。這 對于實驗教學來說也是一種全新的授課方式。 另外，學校也可以在網(wǎng)站上建立網(wǎng)絡虛擬實驗室。 虛擬實驗是利用多媒體、仿真軟件和虛擬現(xiàn)實來模擬實 驗的環(huán)境和操作過程，實驗者可以像在真實的環(huán)境中一 樣完成各種實驗項目。與實驗室一些設計精密、價格昂 貴的儀器相比，學校只需很少的投入，就可以緩解教學 資源不足的問題。對學生而言，虛擬實驗無疑是富有吸 引力的，這極大地激發(fā)了學生對大學物理實驗的學習興 趣，提高了教學的效率 4。 除了三線擺等必修的實驗課程之外，虛擬實驗中可 以加入一些拓展性、創(chuàng)新性的實驗，供學有余力的同學 自學。 然而，虛擬實驗雖然突破了傳統(tǒng)實驗受時空限制的 弊端，但是它仍然無法代替真實的實驗操作，它只能作 為傳統(tǒng)實驗的一種具有可行性的補充。只有把傳統(tǒng)實驗 和虛擬實驗有機地結合起來，才能最大程度地發(fā)揮它們 的優(yōu)勢。 83 中國高校管理 二、采取多種授課模式，提高課堂教學質(zhì)量 引導學生讀懂實驗原理、實驗方法以及實驗儀器的 運行操作是實驗教學的第一步，也是實驗教學成敗的關 鍵。大學物理實驗課是理工科學生的必修課，學生來自 不同學院不同專業(yè)，的實驗的能力也是參差不齊，因此， 可以以學生的實驗水平為指標，對不同班級采取不同的 授課方式。 對于實驗水平較高的班級，可以通過課上提問的方 式讓學生自行講解實驗原理和介紹實驗方法，這一方面 可以檢驗學生的預習效果，另一方面也可以加深學生對 實驗的印象。 比如在“密立根油滴儀測油滴電荷”這個實驗中， 由于密立根油滴儀在操作不當?shù)那闆r極容易損壞 1，教 師可以讓預習得好的同學介紹實驗步驟，再補充強調(diào)學 生介紹里的疏漏之處。這樣，一方面體現(xiàn)了學生在課堂 里的主體作用，另一方面也提高了學生對實驗步驟的掌 握程度。而對于長度測量工具等一些基本使用工具，可 以讓學生自行看教材上的說明來進行操作，教師則在課 堂里面巡查，發(fā)現(xiàn)并記錄學生操作上存在的問題，在大 部分的學生都操作完畢之后，教師可以采用反問的方式 提問學生操作上的問題，最后由教師進行系統(tǒng)的分析和 評價。 從而不僅使學生掌握了大學物理實驗的實驗技能， 而且有效地激發(fā)了他們對學習的熱情。在大學物理實驗 的課堂上出現(xiàn)學生積極思考，主動參與，敢于創(chuàng)新的熱 烈場面 6。 而對于實驗水平相對較弱的班級，教師可以先向?qū)W 生介紹有關實驗背景，實驗儀器的使用以及在實際生活 中的應用，給學生一個直觀的印象，同時也擴大學生的 認知面。例如在講解示波器的時候，由于示波器的按鍵 很多，教師可以利用投影儀先給學生看一遍示波器使用 的操作視頻，讓學生對示波器的使用有初步的印象，然 后提出實驗的思路和方向，引導學生讀懂實驗原理，思 考實驗的可靠性， 從而激發(fā)學生主動思維， 加深學生印象， 起到事半功倍的效果。 三、在教學和數(shù)據(jù)處理中應用 Ma t l a b Matlab 在物理實驗的作圖、數(shù)據(jù)處理、模擬仿真方 面起著重大的作用，有助于將物理實驗的教學過程轉變 成一個師生間共同探討的互動過程。 例如在“等厚干涉牛頓環(huán)”這個實驗中，教師 可以在講授實驗原理時，根據(jù)光的干涉的基本原理，利 用 Matlab 進行牛頓環(huán)的干涉模擬，從而得到模擬出的干 涉圖像，使學生建立一個干涉現(xiàn)象的初步印象，有助于 學生更好地理解實驗原理和掌握實驗操作，從而更快地 找到干涉條紋。 另外，Matlab 不僅在光學實驗中有著重要應用，而 且在電磁學實驗中也有著較多的應用。例如，學生在使 用示波器觀察李薩如圖形時，常常會由于信號源的不穩(wěn) 定而造成圖像不穩(wěn)。如果采用 Matlab 進行模擬，則可以 將實驗中觀察到的圖形與模擬產(chǎn)生的圖形進行對照，有 利于提高學生的認知水平以及盡快地發(fā)現(xiàn)錯誤 8。 Matlab 不僅有助于繪制物理實驗的圖形圖像，而且 在數(shù)據(jù)的分析處理方面表現(xiàn)優(yōu)異。 在大學物理實驗課程中，涉及的物理規(guī)律一般可以 分為線性規(guī)律和非線性規(guī)律兩種。 對于呈線性規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理一般采用逐 差法、作圖法和最小二乘法。但在數(shù)據(jù)點不多的情況下， 逐差法可能會產(chǎn)生較大的實驗誤差。而作圖法則是人為 手工繪制一條直線，當數(shù)據(jù)點分布較為松散時，學生繪 制這條直線不僅難度較大而且極可能產(chǎn)生較大誤差。 最小二乘法體現(xiàn)了統(tǒng)計的規(guī)律，目的在于尋找“最 優(yōu)擬合”，也就是最佳的擬合直線，但它的缺點在于運 算量龐大。為了解決這個問題，教師可以引導學生利用 Matlab 進行運算，從而將學生從復雜的人工運算中解放 出來。 教師先引導學生編寫好最小二乘法的運算程序，然 后通過修改實驗數(shù)據(jù)和調(diào)用程序，就可以得到需要的擬 合直線、相關系數(shù)、線性回歸方程和不確定度。這樣不 僅節(jié)約了時間，而且有效地避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法受 諸多因素干擾的弊端。 而對于呈非線性關系的物理規(guī)律，數(shù)據(jù)處理一般采 用作圖法，并且通常不需要得到實驗目標曲線的函數(shù)關 系式。為了得到滿意的實驗結果，一般情況下需要先測 量好數(shù)據(jù)點再進行作圖。然而描點連線不僅容易引入實 驗誤差而且耗時巨大，學生易產(chǎn)生厭倦心理，進而對完 成實驗報告抱著應付的心態(tài)，極大影響了實驗報告的質(zhì) 量。若與 Matlab 相結合，采用曲線擬合和插值的方法， 則可以得到理想的平滑曲線。 84 中國高校管理 在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)引入 Matlab，不僅提高數(shù)據(jù)處理的 速度和質(zhì)量， 并且可以便捷地得到直觀圖像和函數(shù)方程。 既緩解了學生對處理數(shù)據(jù)的倦怠心理，又提高了學生的 主動性和操作能力。當實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差時，也方 便了學生及早發(fā)現(xiàn)錯誤，及時重做實驗，避免學生在課 后因為誤差過大而篡改實驗的原始數(shù)據(jù)，體現(xiàn)實驗的科 學性和真實性。 四、完善期末考評制度 目前普遍采用的大學物理實驗考核方式是將平時實 驗成績和期末考試成績兩個部分按一定的比例進行綜合 評價。雖然平時實驗成績和期末考試成績兩個部分的綜 合評價能夠比較公平地反映學生對大學物理實驗這門課 程的掌握程度，但仍然存在一定的弊端 2。 例如目前平時實驗成績評定主要以撰寫的實驗報告 為依據(jù)，雖然教師會在課堂上對預習報告進行檢查并作 標記，但仍然存在學生篡改實驗數(shù)據(jù)、抄襲實驗報告的 現(xiàn)象。這不僅不能準確地反映學生的實驗水平，而且挫 傷了認真學習的同學的積極性。 考慮到現(xiàn)在大學物理實驗課的教學往往采取大班上 課的模式，教師無法對每個學生的實驗過程進行考量， 提出如下幾點建議： （一）在期末考評中加入閉卷理論考試成績 理論考試一定程度上可以檢驗學生對實驗的掌握情 況。在試題內(nèi)容的設置上，可以是與學生選擇的操作性 實驗相關的理論問題。比如簡述實驗原理、對某項操作 是否出現(xiàn)錯誤的判斷、實驗可能存在的誤差以及誤差分 析、實驗數(shù)據(jù)的處理方法等 5。必要時，還可以加入一 些延伸性的問題。比如“等厚干涉牛頓環(huán)”這個實 驗的理論試題可以問如何測量水的折射率，這與實驗課 堂中測量透鏡曲率半徑的方法類似。 ( 二 ) 加入預習成績作為平時成績一部分 好的實驗預習可以提高實驗教學效率，是完成實驗 的必要前提。但學生在預習環(huán)節(jié)往往存在諸多問題。例 如部分學生僅僅是為了應付教師的檢查，將教材上的內(nèi) 容原封不動地搬到預習報告上，沒有進行任何思考，并 不能達到預習目的。 為了端正學生對大學物理實驗這門課的學習態(tài)度， 達到良好的預習效果，教師除了檢查預習報告之外，可 以在學校網(wǎng)站上開拓一個版面，要求學生在上面對教師 提出的問題進行回答，并規(guī)定答題時間為下一次課的上 課前。例如，在“用三線擺測定物體轉動慣量”這個實 驗中，教師可以設置一些典型的問題“為什么扭擺的轉 角需要控制在以內(nèi)？”、“如何調(diào)節(jié)光電門？何謂光電 門平衡位置？”等，最后由教師對學生的回答進行記錄 和評分，將這個成績作為平時成績的一部分。 為了防止學生不經(jīng)思考，直接將網(wǎng)絡上搜索出來的 答案復制粘貼在網(wǎng)站上，教師可以在課堂上以抽查的方 式提問這些問題，并根據(jù)學生的回答情況隨機引申一些 相關問題。這樣的問答既能了解學生對實驗原理、內(nèi)容 的掌握情況，又能加深學生對實驗原理、內(nèi)容的理解。 另外，學生也可以向教師提問不理解的部分或與教師一 同探討實驗中可能存在的問題， 激發(fā)學生學習的主動性。 參考文獻： 1 竺江峰 . 大學物理實驗教程M . 北京 : 中國水利水電出 版社 2 張顯悅 , 常艷杰等 . 對物理實驗考核方式的探索 J . 重慶 交通大學學報 ( 社科版 ) , 2 0 0 8 , 8 ( 2 ) : 1 3 0 - 1 3 2 . 3 魏江，汪昭，李嘉亮 . 大學物理實驗改革研究 J . 常熟理 工學院學報（教育科學），2 0 1 3 （6 ）. 4 那日 . 大學物理實驗教學改革初探 J . 實驗室研究與探索 , 2 0 0 4 ( S 1 ) . 5 韓紅梅 . 學生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)與大學物理實驗教學 J . 重慶工學院學報 , 2 0 0 6 , 2 0 ( 8 ) : 1 7 5 - 1 7 7 . 6 許森東 , 馮元新 , 李祖樟 . 大學物理