儀器功能受限的大學物理實驗教學模式

摘 要 大學物理實驗是培養學生基本科學素養和創新能力的重要基礎課程，隨著教學儀器的變化，因時制宜地改進教學模式，以達到更好的教學效果。

關鍵詞 實驗教學 教學模式 創新教學 功能受限儀器

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

The Function-Restricted Instrument Teaching Mode

for University Physics Experiment

WANG Xisheng

（College Of Physical Science and Technology， Shenzhen University， Shenzhen， Guangdong 518060）

Abstract University physics experiment is to cultivate students' basic scientific literacy and innovation ability of the important basic course， along with the change of teaching instrument， looking for a timely method to improve teaching mode， which can achieve better teaching effect.

Key words The experimental teaching； Teaching mode； Innovative teaching； Function-restricted instrument

大學物理實驗通過實驗預習，實驗操作和實驗報告的撰寫等過程培養學生的自學能力，動手操作能力，分析問題和解決問題的能力，以及數據和誤差處理等各方面的基本科學技能，為以后的專業研究和工作打下堅實的基礎。隨著實驗教學改革的不斷發展，大學物理實驗的教學要求也在不斷提高，尤其是對學生動手能力和創新能力的培養。①為了達到更好的培養效果，實驗教學不能一成不變，要根據實驗條件的變化，制定相應的教學模式。儀器，實驗室規模，學生人數，實驗內容和教材等方面發生變化都是實驗條件的變化，教學應該根據這些變化作出相應的調整，使其更符合培養創新性人才的要求，也能讓學生形成因時制宜，隨機應變的科學素養。

在這些變化中，實驗儀器的變化最普遍，也是對實驗教學影響最大的。大學物理實驗作為全校理工科課程，規模較大，儀器眾多，使用頻率高，所以儀器的損耗也很快，造成儀器功能缺失不全，甚至損壞報廢。對于已損壞報廢的儀器，可以用于建設開放型綜合實驗室，供有興趣的學生自由拆解合裝改造，許多高校已陸續建設這樣的實驗室，②③④⑤并取得很好的教學成效。但損壞報廢的儀器畢竟少數，而且種類不一，很難形成教學規模，只能滿足物理專業學生的教學需求。而在實驗室更多的是那些功能缺失，性能下降但還能繼續使用的儀器（功能受限儀器），這類儀器不能報廢，數量眾多，擔負著日常教學的任務。由于儀器性能下降，學生在實驗中可能得不到預期的過程和結果，如果教學中還使用之前的標準和要求，則會適得其反，有違創新性人才教育的初衷。

為適應這種儀器的變化，需要提出相應的教學模式，改進教學標準與要求，把因儀器變化帶來的教學偏差消除，并盡可能地利用功能受限儀器的特點，形成與正常儀器不同的教學方式，突出實驗過程的重要性，⑥著重培養學生的分析問題和解決問題的能力，與正常儀器教學相輔相成，互為補充。

1 正常儀器教學與功能受限儀器教學的特點

1.1 正常儀器教學的特點

正常儀器教學模式為傳統教學模式，有規范的實驗步驟和實驗方法，規范的實驗數據處理和實驗評分標準，是一個完整的教學體系。學生通過系統的大學物理實驗的學習，可以掌握科學實驗的基本知識、方法和技能，培養動手操作能力，學會規范的實驗報告撰寫方法。但要達到這一教學目標在傳統教學模式下并不容易，這也是近年來各高校不斷進行實驗教學改革的根本原因。傳統實驗教學模式是以教師講解演示為主，并且面面俱到，壓縮學生的思考空間，學生只是按照要求操作一遍，記錄處理數據，導致主動性不足。這種模式已很難完成培養學生能力的目標，尤其是在儀器功能受限的情況下，實驗過程結果與實驗預想的偏離，更使學生無所適從，最后導致敷衍了事，甚至抄襲偽造數據。

1.2 功能受限儀器教學的特點

由于儀器的功能受限，對于實驗過程中出現的問題，一方面教材上沒有遇到這種問題時的提示，學生無從參照，另一方面教師也不能面面俱到對每臺儀器的具體情況進行講解，只能作出方向性的提示。這在一定程度上強迫性地增加了學生自主思考的空間，發揮其想象力和創新性發散性思維，切實提高學生分析問題和解決問題的能力。而學生通過其它方法解決了實驗問題，也能使其更深刻地體會物理實驗思想和方法的含義和重要性。

2 功能受限儀器教學模式的實現

2.1 適用于功能受限儀器教學的幾種情況及其教學思路

進行功能受限儀器教學模式的儀器必須具有一定的數量才能形成規模化的教學，可以有以下幾種情況，以及相應的教學思路：

2.1.1 因使用損耗導致的儀器功能不全和性能下降

這種儀器占了大部分，也是最應迫切解決的問題，可分為兩類，一是可修復性的，或者可以通過實驗或數據處理方法修正的；二是只能部分修復或修正的。

對于可修復或可修正的，這類儀器出現的問題一般比較簡單，教師可以在課堂上以問題的形式進行提示。例如在邁克爾遜實驗中，二級螺旋測微裝置經常出現上下級讀數零點互相不能對齊的問題，這導致很多學生的數據偏差極大，這不是測量出現問題，而是讀數的問題，大部分學生對此沒有認識或者置之不理。課堂上可以提示學生為什么會出現這種狀況，是否可以根據基本測量實驗中螺旋測微計的機械調整方法對二級裝置進行調整，實驗室可以提供必要的工具讓學生動手，老師在一旁指導。而如果不進行機械調整，有沒有其它方法確保讀數的準確性呢？類似常見的問題還有固體密度測量實驗中物理天平不能通過正常方法調平零點時應怎么辦。單縫衍射實驗中由于檢流計的精度較高，經常出現讀數不穩定時怎么記數可以減小誤差，有些檢流計使用時間較長，其各檔位之間的倍數關系已與儀器標示的不符，如果需要換擋測量，應該怎么處理？等等。學生通過這些額外的思考，加強鍛煉了解決實際問題的能力。

對于只能部分修復或修正的，這種就不能完全按照教材進行實驗了，需要另外尋找合適的方法完成實驗。這里有兩種教學思路，一是按照教材原本的程序完成實驗操作過程，無論數據是怎樣的都要如實地記錄下來，然后著重在實驗報告上對數據和誤差進行處理，分析產生誤差甚至是產生錯誤的原因，然后得出自己的不同于教材的結論。二是轉換實驗目標，把原來對實驗預期的測量轉換為對儀器本身所出現問題的研究，而不用完成教材所要求的測量和結果。通過對實驗儀器問題的研究，得出儀器問題對實驗結果的影響數據，或者是解決此問題的替代方案及其可行性，或者是根據所得出的影響此問題的因素對新的相關物理量進行測量等。要通過適度的提示充分發揮學生的想象力和創新性發散性思維，教師提供研究方向和學生自主研究相結合，形成多樣性的教學方式。

2.1.2 儀器設計有缺陷

由于現在有些儀器廠家并不聯系高校實驗室的使用實際情況，進行儀器設計和生產時不能從各方面考慮儀器使用的具體細節，導致在實驗室使用過程中會陸續出現各種問題。例如實驗室之前有一批超聲波波速測量儀，進行位相比較法測量時示波器中總是接收到不明的周期變化信號，使得實驗無法正常完成，檢查各部件都沒有問題，百思不得其解。后來偶然用手擋在發射端和接收端之間，示波器中還有接受信號，才發現聲波不完全是從空氣中傳播，有很大一部分是從實驗儀的鐵質基體傳輸過去的，這是儀器設計生產中沒考慮到防震的問題。更有甚者，有的儀器并不能形成該實驗的原理所需要的實驗條件，例如有的衍射實驗儀結構不合理，不能通過自己的調整得到近似的遠場衍射條件等。

這種問題比較容易出現在新廠家和新的實驗項目中，需要儀器廠家與高校實驗室建立健全反饋合作機制。而對于已造成缺陷的實驗儀器，除了廠家維修改進外，也可按照之前兩類儀器的思路進行教學。

2.1.3 人為的造成儀器功能缺失或性能下降

為了達到特定的教學目的，更好地培養學生的創新能力，并有利于形成規模化的教學，可以人為地將一些實驗項目的儀器統一進行儀器結構功能或性能的調整，調整的范圍靈活多變，這為本教學模式提供了更為廣闊的教學思路。而這種調整應具有可恢復性，方便與傳統教學模式的轉換。在此基礎上，也可以專門研制功能受限教學儀器平臺，專門用于此類教學，為功能受限教學模式納入正常教學體系打下基礎。

2.2 問題的出現及合理的評分標準

采用功能受限模式進行教學難度會增大，實驗時間也變長，容易使部分學生積極性受挫，更加地敷衍了事，使教學收到反效果。為了公平合理地評價學生的實驗成果，鼓勵學生積極學習、勇于開拓提升的熱情，需要制定合理的評分標準，并在教學過程中不斷完善。

儀器功能受限教學模式下的評分標準應與傳統教學模式下的評分標準互為補充，各有側重點。此標準評分重點放在實驗過程和實驗報告的分析討論部分，其余部分雖然需要完成，但可以不評分或者根據完整度給統一的平均分，評分細則根據具體情況有所不同，而總體上需要把握以下幾個要點：第一，是在實驗過程中，分別從學生發現問題，分析問題和解決問題三個方面進行評分。開發拓展原始記錄表的功能，學生在這三方面的實驗情況應實時、如實地記錄在原始表上，老師同時注重與學生的交流，對學生的問題作出適度的提示，⑦并檢查學生的記錄情況，評分時根據此表評定學生的實驗過程，可以根據其難度給出不同的分數比例。⑧第二，不以實驗數據是否正確或者合理評分。學生的實驗過程各有不同，而數據的測量受各方面因素的影響，記錄的數據只是其實驗過程的一部分，只要如實記錄，都給分。而學生想要拿更多的分數，只有在分析處理數據的基礎上，才能給出合理的結論，并進一步分析討論。第三，為鼓勵學生取得更好的實驗成果，對有創新性的實驗，應給予額外加分，并作為學生期末總評成績得A或A+的主要依據。

3 結語

科學和實驗技術在飛速地發展，然而與人類思想的發展速度相比還是有所不及，受限于當時實驗技術的發展水平，歷史上有很多著名實驗都不是在理想條件下完成的，今后也只會遇到更多。儀器受限條件下的教學模式已不單是培養學生能力的一種手段，其教學過程中如何在現有的有限條件下完成所需實驗，這本身也是一種可貴的科學素養。儀器功能受限下的教學模式，培養了學生更好地解決實際問題的能力，為使學生成為實用型、創新型的人才目標打下基礎，同時為實驗教學的多樣性提供一種思路。

注釋

① 梁堅，方誠.大學物理實驗教學的“課題研究”型模式探索[J].東華理工大學學報（社會科學版），2012.31（2）：181-183.

② 張廣平，李高清.物理專業成立廢舊儀器實驗室的探討[J].物理實驗，2001.21（1）：30-31.

③ 曾惠芳，肖隨貴.廢舊儀器設備的再利用與實踐創新能力的培養[J].宜春學院學報，2003.25（5）：122-123.

④ 翟亞麗，丁姍.開發利用廢舊儀器提高學生創新能力的研究[J].實驗室科學，2007（5）：14-146.

⑤ 馬穎，徐麗琴，詹康生.利用廢舊儀器建立綜合開放性實驗室[J].實驗室科學，2009（2）：140-141，145.

⑥ 梁海生，倪新蕾，貝承訓.改革實驗考核方法，提高實驗教學質量[J].中山大學學報論叢，2006（5）：18-21.

⑦ 何光宏，韓忠.大學物理實驗探究式教學的思考[J].實驗室研究與探索，2011.30（7）：292-294.

⑧ 余雪里，李端勇，張昱，等.大學物理實驗課的綜合成績評定[J].物理通報，2010（11）：6-8.