基于層次化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索

侯秀芳 陳亮

【摘要】以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力為核心，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)類別，對(duì)基于層次化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革與探索，提出層次化、系列化、多樣化的教學(xué)體系，滿足了不同層次、不同專業(yè)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力培養(yǎng)的需要。

【關(guān)鍵詞】物理實(shí)驗(yàn)改革探索系列化層次化多樣化

【基金項(xiàng)目】河南理工大學(xué)校教改重點(diǎn)項(xiàng)目“理工科院校物理實(shí)驗(yàn)分類教學(xué)體系研究與實(shí)踐”。

【中圖分類號(hào)】O4-33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）06-0156-02

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的第一門實(shí)踐性課程,開設(shè)該課程的目的不僅是讓學(xué)生受到嚴(yán)格、系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練,掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)、方法和技巧,而且可以鞏固所學(xué)理論知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析和解決實(shí)際問題的能力,培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維能力和創(chuàng)新精神,特別是與科學(xué)技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的綜合能力。但是在建立高校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系時(shí)，專業(yè)需求差異、學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平差異以及實(shí)驗(yàn)資源利用率的差異等因素必須考慮在內(nèi)，用一種統(tǒng)一的模式，對(duì)學(xué)生進(jìn)行不加區(qū)別的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果的。為此我們結(jié)合學(xué)生的專業(yè)類別和培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)基于分層次與創(chuàng)新培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行探索。

1.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革的必要性

目前，國(guó)內(nèi)高校中實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體系形式上主要有兩種：一種是分層次實(shí)驗(yàn)體系，如上海交通大學(xué)將物理實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)訓(xùn)練物理實(shí)驗(yàn)；基本物理實(shí)驗(yàn)；綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)；理科物理實(shí)驗(yàn)；近代物理實(shí)驗(yàn)。另一種是分級(jí)實(shí)驗(yàn)體系，如中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的四級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，打破力、熱、電、光、普物與近物的界限，將物理實(shí)驗(yàn)分為一、二、三、四級(jí)物理實(shí)驗(yàn)。這兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系其實(shí)質(zhì)是相同的，都是以實(shí)驗(yàn)的重要性及實(shí)驗(yàn)的難易程度為重點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)分為不同層次。這種分層教學(xué)體系并沒有考慮學(xué)生的專業(yè)方向和將要達(dá)到的不同的培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，不同專業(yè)類型的學(xué)生接受的物理實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練內(nèi)容依然相同。

2.基于層次化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革探索

2.1層次化

2.1.1教學(xué)內(nèi)容層次化

為了適應(yīng)新形式的要求，在教學(xué)內(nèi)容上刪除一些陳舊的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加一些反映新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層次化，將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為三個(gè)層次。

首先是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段著重于對(duì)學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)的培養(yǎng)，基本儀器的使用。通過基本實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)，學(xué)生掌握各種常用儀器的用途、用法并能熟練使用：掌握基本的操作技巧，熟悉基本實(shí)驗(yàn)方法，掌握基本物理量的基本測(cè)量方法。其次是綜合實(shí)驗(yàn)，綜合實(shí)驗(yàn)提高了儀器設(shè)備的復(fù)雜程度，提供了許多內(nèi)容廣泛、實(shí)驗(yàn)類型齊全、綜合性較強(qiáng)，難度較大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，及時(shí)將物理學(xué)前沿內(nèi)容、科研成果經(jīng)過濃縮提煉轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。許多實(shí)驗(yàn)采用了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理、數(shù)字示波器、傳感器等現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。最后是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的最大特點(diǎn)是補(bǔ)充了代表當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法和手段。因此開出了傳感器系列實(shí)驗(yàn)、相片的攝制及圖片處理系列實(shí)驗(yàn)和微波系列實(shí)驗(yàn)等。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與當(dāng)今科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展是分不開的，特別是半導(dǎo)體、激光、材料、微電子、計(jì)算機(jī)等科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展,加快了知識(shí)更新的速度，新時(shí)代要求將與物理學(xué)密切相關(guān)的新內(nèi)容、新技術(shù)、新方法及時(shí)地傳授給學(xué)生。

2.1.2教學(xué)過程的層次化

在對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目層次化以后，首先完成必做的基礎(chǔ)、綜合和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。對(duì)于必做的基礎(chǔ)或基本實(shí)驗(yàn)，我們的要求并不放松,在教學(xué)方式、方法上也作了改革嘗試：首先，對(duì)于一些最基本的實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室開放的方式來(lái)進(jìn)行。然后對(duì)本學(xué)期所有開設(shè)的實(shí)驗(yàn),分期開放相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的良好條件。除此之外，還利用課程網(wǎng)站提供預(yù)習(xí)方式。在保證有良好預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的前提下，我們嘗試著改革了目前的教學(xué)方法，在學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，指導(dǎo)教師首先檢查他們的預(yù)習(xí)情況，包括提問實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃怼x器、步驟等部分內(nèi)容，其次檢查預(yù)習(xí)報(bào)告，在合格的情況下學(xué)生開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)教師不進(jìn)行原理、儀器、步驟等內(nèi)容的詳細(xì)講解，只是對(duì)該實(shí)驗(yàn)的一些注意事項(xiàng)進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，避免出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤，損壞實(shí)驗(yàn)儀器。課程前段時(shí)間，要求學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)，互相不要交流，有問題由指導(dǎo)教師幫助解決，在課程后半部分時(shí)間，允許學(xué)生相互交流，交流實(shí)驗(yàn)的體會(huì)、過程，討論實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟，完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。指導(dǎo)教師在指導(dǎo)過程中，一般只進(jìn)行提示指導(dǎo)，不幫助具體的操作。所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一般均由學(xué)生獨(dú)立完成。

另外，在規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成后還有部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可供選做，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法開放，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，教師只負(fù)責(zé)提供實(shí)驗(yàn)條件、指導(dǎo)咨詢及課堂紀(jì)律檢查等，具體的實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)采集及取舍直至做完實(shí)驗(yàn)完成報(bào)告，均由學(xué)生獨(dú)立完成。其目的就是通過開放性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐,培養(yǎng)鍛煉學(xué)生把已經(jīng)學(xué)過的知識(shí)綜合、提高，全面靈活地加以運(yùn)用和發(fā)揮，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力。

2.1.3教師隊(duì)伍的層次化

為了統(tǒng)籌兼顧各層次的學(xué)生都受到良好的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，確定的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)學(xué)科分布、不同專業(yè)更具有針對(duì)性，因此需要教師不僅具有熟練的實(shí)驗(yàn)技能，還要掌握多方面的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)增加了他們的工作量和教學(xué)精力，為了使指導(dǎo)教師把精力主要放在指導(dǎo)進(jìn)行研究性課題的學(xué)生方面，可采用研究生或高年級(jí)本科生協(xié)助指導(dǎo)一般實(shí)驗(yàn)的方法，降低指導(dǎo)教師的工作量。同時(shí),完成研究性課題的學(xué)生可由其它教師指導(dǎo)，并給予相應(yīng)的工作量，減少了實(shí)驗(yàn)課指導(dǎo)教師的工作壓力。這就迫使教師要加強(qiáng)自身修養(yǎng)，努力提高自身工作能力。

2.2.系列化

按同一物理現(xiàn)象(原理)觀測(cè)(驗(yàn)證)的多種方法和同一物理方法多種應(yīng)用的一組實(shí)驗(yàn)組成實(shí)驗(yàn)系列模塊。有利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維、啟發(fā)創(chuàng)新。新體系將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為：激光器系列實(shí)驗(yàn)、示波器系列實(shí)驗(yàn)、光纖信息系列實(shí)驗(yàn)、CCD多功能系列實(shí)驗(yàn)、超聲波系列實(shí)驗(yàn)、光學(xué)平臺(tái)系列實(shí)驗(yàn)、相片攝制及圖片處理系列實(shí)驗(yàn)、微波系列實(shí)驗(yàn)、傳感器系列實(shí)驗(yàn)、物理仿真系列實(shí)驗(yàn)10個(gè)系列模塊。不同的系列實(shí)驗(yàn)服務(wù)于不同的專業(yè)，以超聲波系列實(shí)驗(yàn)為例，其系列實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有：超聲聲速的測(cè)定、多普勒效應(yīng)測(cè)量超聲聲速、超聲駐波中的光衍射與聲光調(diào)制、超聲測(cè)液位、利用超聲測(cè)量厚度、超聲光柵的應(yīng)用、超聲無(wú)損檢測(cè)的原理與應(yīng)用。超聲波系列實(shí)驗(yàn)主要服務(wù)于機(jī)械類、土木類，這些專業(yè)的學(xué)生可以在各自的起點(diǎn)上選擇此系列中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從而獲得數(shù)量、層次不同的知識(shí)與技能信息。

2.3.多樣化

我們利用學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課的輪空時(shí)間，每學(xué)期安排一次集中演示，介紹全息存儲(chǔ)，彩色編碼，超聲測(cè)距、光纖通訊、半導(dǎo)體制冷等一系列高新技術(shù)實(shí)驗(yàn)，激起了學(xué)生對(duì)高新技術(shù)學(xué)習(xí)的極大興趣。這樣會(huì)縮短教學(xué)與科研、理論與實(shí)踐的距離，使學(xué)生的獨(dú)立設(shè)計(jì)與科研能力得到很好的鍛煉，開闊學(xué)生視野，拓展學(xué)生知識(shí)面，使他們對(duì)最新的科學(xué)進(jìn)展及其在工程技術(shù)上的應(yīng)用有一定的了解。

3. 基于層次化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索的預(yù)期效果

3.1學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)明顯增強(qiáng)

基于層次化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，是在結(jié)合學(xué)校的學(xué)生的基礎(chǔ)，學(xué)科分布及培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)而確定的物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并針對(duì)不同的專業(yè)，提出不同的教學(xué)要求。如電氣類專業(yè)的學(xué)生要求必做傳感器系列實(shí)驗(yàn)，土木類專業(yè)的學(xué)生要求必做超聲波系列實(shí)驗(yàn)等等，該體系一定程度上做到了因材施教、因需施教，提高了學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。

3.2學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰γ黠@提高

采用層次化、系列化、多樣化的教學(xué)體系,各系列模塊的教學(xué)內(nèi)容既相互獨(dú)立，又有機(jī)聯(lián)系，在每個(gè)功能模塊中又形成層次化結(jié)構(gòu)。通過同一方法解決不同問題和同一問題采用不同方法解決的對(duì)比，啟發(fā)學(xué)生縱橫聯(lián)想、發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生的求知欲、想象力和創(chuàng)造力；提高學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的物理及其他學(xué)科知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力；增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，培養(yǎng)了學(xué)生的發(fā)散思維能力、歸納概括能力。

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