地學特色物理實驗的開設與實踐探索

摘要：中國地質大學（北京）物理實驗教學示范中心結合學校的優勢學科，在開設內容、授課模式、考試方式等方面形成了自己的特色。逐步將實驗教學與學生的專業知識、創新內容相結合，提高了學生的創新能力，對其他理工科院校的實驗中心具有很好的借鑒意義。

關鍵詞：物理實驗；地學特色；實踐

“實驗物理”作為高等學校一門獨立設置的必修基礎課程，是高等學校課程教學的重要組成部分。它對提高學生的綜合素質，培養學生的創新精神和實踐能力具有獨特的、不可替代的重要作用。[1-4]中國地質大學（北京）物理實驗教學示范中心作為第一個北京市級的實驗教學示范中心承擔著全校25個專業1700多名學生的物理實驗課程，對學生進行基本實驗技能、物理思維、動手能力、創新意識等方面的培養，為學生更好地學習專業課、進行專業實驗奠定了堅實的基礎。

一、物理實驗課程的特點

為進一步提高學生的創新能力，中國地質大學（北京）物理實驗教學示范中心從開課內容到授課模式逐漸形成了一套具有地學特色的物理實驗模式。[5，6]在開設的實驗內容上，既有傳統的普通物理實驗內容如三棱鏡的調節、邁克爾遜干涉、塞曼光譜等，也有當前比較先進的仿真實驗、激光干涉﹑光纖通訊﹑傳感器等技術，此外還有體現具有地學專業特色的顯微鏡組裝、鹽類結晶過程的觀察、地磁場的測量和數碼照相等內容。這充分體現了物理學的發展要與學校優勢學科相結合的發展思路。在教學模式上，打破了過去根據力、熱、光、電和近代物理幾部分分別進行授課的傳統教學模式，采取由基礎、綜合、設計到科研實踐四個層次的分級教學。從基本的實驗知識、實驗方法和實驗技能的學習開始，逐步增加實驗的深度和難度，提高綜合性、設計性實驗的比例，最后進行一些小型研究性的實驗，或組織若干個圍繞物理實驗所開展的小課題，以開放的、科學研究的方式進行實驗教學來提高學生的科研素質。[7，8]具體體現在以下幾個方面：

1.創新內容與實驗教學相結合

目前地質大學學生的創新實驗項目的主要來源：一是學生自己提出的題目；二是教師的科研課題。由于學生多數為二年級的本科生，只有少數學生有自己的想法，能夠提出科學問題并進行立項研究，所以學生創新項目的來源以后者為主。為進一步促進本科生人才培養模式的改革，加大實驗室資源的利用率，實驗中心提出了將學生創新能力與教學內容相結合的教學理念。[9-11]物理實驗中心將實驗教學過程中遇到的問題作為學生的創新項目來解決。這樣既培養了學生的能力，又解決了實驗教學問題。同時將學生在創新活動中遇到的問題反饋給教學，根據一些反應普遍的問題來調整教學任務和教學內容。這樣使教學內容在不脫離教學大綱的情況下，更能滿足學生的創新需要。

2.改革考試方式

傳統的筆試考試方式對于實驗課程來說存在諸多不足，如何將操作融入考試中，既能體現學生對知識的掌握，又能考察學生的實際動手操作能力是實驗課程建設中需要解決的又一問題。物理實驗創新基地從以下幾方面進行了嘗試。

（1）操作與筆試相結合。考試分為兩部分，即操作加筆試。筆試考察的是學生對理論的掌握程度，而操作考察的是學生的基本動手能力和操作實踐能力。

（2）仿真實驗考試。仿真實驗是將真實的實驗過程放到一個軟件中進行，學生通過操作計算機完成實驗。仿真考試的特點：一是仿真實驗可以實現對大批量的學生同時進行考核，不再受儀器數目的限制；可供選擇的題目增加；而且不用擔心由于沒有教師的指導而造成實驗儀器的損壞。二是由于仿真實驗具有模擬性的特點，因此仿真實驗可以較好地考查學生對實驗原理的理解程度和他們的實踐操作能力。三是仿真實驗中計算機對實驗數據的實時存儲可以減少同學之間互相抄襲數據，讓考試變得更加公平公正。

（3）考試與其他方式結合。學生可以以制作、報告或論文等形式頂替部分實驗內容，或者作為考試的一部分。使考試、考察的形式方式更加多樣化、合理化。

二、結合具體問題，提高學生的興趣與能力

以正交偏光顯微鏡的組裝實驗為例，對如何結合實驗中的具體問題來激發學生的學習興趣、提高學生的操作創新能力、變被動學習為主動學習進行了探討。

在正交偏光顯微鏡組裝的實驗中，學生首先利用目鏡和物鏡組裝一個簡單的顯微鏡，測量它的放大率；然后利用二個偏振片分別作為起偏器和檢偏器組裝正交偏光顯微鏡，觀察橄欖巖、玻璃和石英三個樣品的紋理與色彩。在利用正交偏光顯微鏡觀察樣品的過程中，有兩個知識點可以將實驗內容與學生的專業知識相結合，以此來啟發、引導學生，增強教學效果。

1.實驗現象的觀察

在將起偏器和檢偏器的偏振方向調節成垂直即消光狀態下，學生在目鏡內觀察不到任何現象，視場處于黑暗狀態。在這樣的情況下，如果將巖石樣品放入后能否觀察到現象以及觀察到何種現象是學生關心的。教師可以以此為問題與學生互動，讓學生預測看到的現象，激發學生的好奇心。在好奇心的驅使下，學生會主動做實驗，對實驗現象的記憶也會更加深刻。由于實驗中采用的樣品是學生在專業課接觸過的各種巖石，在觀察到實驗現象時很容易與專業知識相結合，尋求物理現象的合理解釋。

2.對實驗結果的思考

學生在觀察橄欖巖時看到的是色彩豐富、紋理清楚的現象，而放入玻璃樣品時，視場始終處于消光狀態。由于二者對比明顯，學生再次產生好奇心，驅使學生去揭開其中的秘密。這一點也是這個實驗設計巧妙的地方之一。由于橄欖巖是光學非均質體，入射光發生雙折射現象，即O光和E光，兩束光在橄欖巖內的傳播速度不一樣，產生相位差，發生干涉，所以觀察到的現象色彩豐富。玻璃由于是均質體，偏振光在里面的傳播各個方向速度相同，不發生雙折射，所以在目鏡內觀察到的依然是消光現象。該實驗除了可以理解物理知識外，還可以讓地學生進行立項，利用物理知識解決他們的專業問題。

三、總結

通過在物理實驗中心的學習，學生參與科技活動的積極性高漲。依托物理實驗中心，多項大學生創新性實驗計劃項目和實驗室開放基金通過了學校審批并開始運行。物理實驗教學示范中心依托實驗室開放基金項目、大學生創新實驗項目和物理技能大賽，利用實驗室資源對學生創新能力進行了培養。從2008年到2012年四年的時間內，物理實驗中心承擔了大學生創新實驗項目50項，實驗室開放基金40項。在結題的44項大學生創新實驗項目中，有10項獲得了校級優秀，占全校優秀的20%；結題的27項實驗室開放基金中，有8項獲得了校級優秀，占全校優秀的15%；學生發表論文18篇，其中在核心期刊發表論文5篇。在前四屆北京市物理實驗競賽中獲一等獎3項、二等獎7項、三等獎7項，獲獎總數在參賽的35所北京市高校中排名第五，并獲得第三屆、第四屆的最佳組織獎。

物理實驗中心在實驗內容開設時非常注重與地學、能源等學校傳統優勢學科的結合，但如何進一步發揮物理實驗中心的輻射和示范作用，開設出具有地學特色的物理實驗內容，提高學生的創新能力及就業能力，為學校的發展貢獻一份微薄的力量，成為物理實驗中心下一步的工作重點。

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（責任編輯：孫晴）