提高設計性、研究性實驗教學質量的實踐探索＊

張映輝

(大連海事大學物理系,遼寧大連 116026)

提高設計性、研究性實驗教學質量的實踐探索＊

張映輝

(大連海事大學物理系,遼寧大連 116026)

本文根據新版《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》,提出大學物理實驗設計性、研究性實驗教學應著力突出新儀器、新方法的運用,突出科研成果轉化,突出課題研究導向,從而豐富教學內涵,增強教學針對性、生動性和可操作性等教改觀點.

設計性實驗;研究性實驗;新儀器、新方法;科研成果轉化;課題研究導向

新版《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》(2008)將大學物理實驗明確劃分為基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗和研究性實驗4個層次.經過幾十年的教學實踐積累,國內各院校在基礎性實驗、綜合性實驗方面,都有比較成熟的課程體系、教材和教學模式,而對如何搞好設計性實驗、研究性實驗教學,尚在探索中.后兩者雖然所占比重不大,但其在國家創新型人才培養戰略中地位重要,且教學難度明顯超出前兩者.因此,加強設計性實驗、研究性實驗教學,探索相關的課程設置(教學內容)和教學方法,是當前大學物理實驗教學改革的難點和重點.

總結多年物理實驗教學實踐和教改研究經驗,筆者認為應從如下幾個方面加強設計性、研究性實驗教學.

1 圍繞經典理論的設計性、研究性實驗應積極采用新儀器、新方法

物理學是實驗科學,物理理論總是與物理實驗相互印證,相互促進.經典理論、原理無疑早已被實驗所證明,但作為基礎訓練,大學物理實驗總是離不開對其進行研究和印證,以期加深對物理規律的認識和理解,并從中學習實驗方法,熟悉實驗儀器,掌握實驗原理.許多基礎性實驗、綜合性實驗都是圍繞它們而設置的.作為科學研究的基礎性課程,設計性實驗、研究性實驗仍須有一些圍繞經典理論進行實驗的研究題目.而新儀器、新方法的運用則是提升這些研究題目內涵和質量的重要途徑.

其一,隨著科學技術的飛速發展,新儀器、新設備不斷涌現,有的將要甚至正在取代舊有儀器、設備(如各種數字儀表、計算機數字儀器等).

其二,多數新儀器、新方法有簡捷、方便、直觀、準確的特點,其在研究性實驗、設計性實驗中的應用無疑會提高實驗教學的效率,從而改進教學效果.

其三,從教學本身的要求來看,雖然大學物理實驗是理工科基礎課程,但“基礎”的內涵理所應當地隨科學技術進步而不斷更新.

在近幾年的實驗教學中,我們有意識地把新儀器、新方法列入設計性實驗和研究性實驗教學中,收到了較好成效.如設計性實驗重力加速度測定教學中,我們在提供備選儀器時,除單擺、電子秒表、游標卡尺、米尺、滑動導軌、小車、砝碼、計數計時儀等傳統儀器外,還提供了新型焦利秤、霍爾開關傳感器、運動傳感器、Datastudio應用軟件、用凱特擺測量重力加速度仿真實驗等新型儀器設備和軟件,這樣直接引導學生運用計算機傳感技術,不僅開闊了實驗設計思路,還提高了實驗測量的精度.又如,在設計熱敏電阻溫度計實驗中,采用智能溫控加熱器給熱敏電阻加熱,而智能溫控加熱器本身所具有的豐富設計思想,也對學生的創新思維很有啟發和幫助.

此外,在幾種常用傳感器(光纖位移傳感器、電渦流傳感器、電容傳感器、差動變壓式傳感器)特性研究,基本電路(整流濾波電路、穩壓電路、RLC暫態電路)特性研究,電子荷質比測定等實驗中,都應盡可能地引導學生運用新儀器、新方法.

2 努力把最新科研成果轉化為設計性、研究性實驗課題

物理及相關學科的最新科研成果,能夠很好地展示物理定律和原理、引領科學實(試)驗與研究、增強學生研究意識和設計創新能力.在設計性、研究性實驗教學中,注意適當引進這些成果,不僅能夠提高教學內容的生動性、應用性,增強操作性和學習興趣,而且完全符合“自己設計方案獨立完成”、“學生個體或團隊以科研方式進行實驗”等要求.

幾年來,經過不斷探索開發,我們先后把下列科研成果引入設計性、研究性實驗教學:

1)“大氣壓下非平衡等離子體形成及其輸運特性機理研究”(遼寧省高等學校優秀人才支持計劃項目No.RC-04-06)成果轉化為:“大氣壓下電暈放電的產生與伏安特性研究”、“低溫等離子體參量的雙探針診斷研究”和“電荷電壓法測量介質阻擋放電功率”等3個實驗.

2)“Nd3+/Er3+共摻雜中紅外氟氧化物激光玻璃材料的研究”(國家自然科學基金項目)成果轉化為“玻璃材料設計與制備”實驗.

3)“全自動液晶器件參數綜合測試儀的研究開發”(科技部中小企業創新基金重點項目)成果轉化為“液晶電光效應”實驗.

4)“非線性相位調制假彩色編碼實驗儀研制”(交通部“兩課”建設項目)成果轉化為本校和哈爾濱工程大學、中央民族大學等單位用于教學、科研的實驗儀器,為本校學生開出實驗:“非線性相位調制假彩色編碼”.

5)“RC充放電智能化實驗儀”(學生設計性實驗)成果實現了計算機動態顯示 RC充放電過程,并能隨機采集相關實驗數據,已由上級批準正式列為實驗“RC串聯電路充放電特性研究”教學儀器.

學生設計性、研究性實驗成果多人次在省級和校級科技大獎賽中獲獎,其中:“放電等離子體玉米秸稈粉末制糖裝置”獲2009年遼寧省挑戰杯賽一等獎“;發射光譜協同放電截面電流診斷等離子體電子密度的裝置”獲遼寧省挑戰杯賽二等獎.

3 以正在研究攻關的課題為導向進行設計性、研究性實驗

如果說,物理及相關學科最新科研成果轉化為設計性、研究性實驗能夠提高教學的應用性和生動性,從而促進學生學習積極性的話,那么,以正在研究攻關的課題為導向,讓他們參與到課題研究中來,則既加強了研究力量,發揮了學生的聰明才智,又能夠使設計性、研究性實驗教學真正名副其實,引領學生真正進入探索、研究、設計、創新的境界.

我系承擔的2007年國家科技支撐計劃項目“遠洋船舶壓載水羥基自由基工程化處理技術開發”是針對遠洋船舶壓載水生物污染與水質凈化問題,進行的羥基自由基工程化關鍵技術研發,在課題研究過程中,我們將其分解為“大氣壓強電場(≥100kV/cm)電離放電加速電子(≥10eV)獲得高濃度活性粒子的機理和方法研究”、“小型模塊化陣列式羥基自由基發生源的研制”、“大氣壓強電場放電高效生成羥基自由基(·OH)方法研究”、“海水中羥基自由基檢測的方法研究”等多個子課題,由幾名教授分別帶領研究生和部分本科生承擔研究任務,實現了教學科研雙豐收.

此外,我們還將等離子體、凝聚態研究課題的相應子課題以畢業設計題目的形式交給本科學生,讓他們自主設計、自選儀器,由教師指導進行設計性、研究性實驗,如“DBD等離子體源時空尺度問題初探”、“危險品熒光標記物的探索研究”、“大氣壓高流場微型等離子體測試儀的實驗研究”、“強電離放電煙氣脫硫的實驗研究”、“電磁波在輝光等離子體中的傳播特性”等,許多題目收到意想不到的成果.

總之,設計性實驗、研究性實驗教學是大學物理實驗教學的新課題,也是實驗教學改革的重點和難點.突出新儀器、新方法的運用,突出最新科研成果的轉化,突出課題研究導向是豐富教學內涵,增強教學針對性、生動性和可操作性,提高其教學質量的有效途徑,我們將在實踐中不斷進行探索.

[1] 張映輝.大學物理實驗[M].北京:機械工業出版社,2009

2010-10-12)

大連海事大學教學改革項目(2009Y23)資助.