拓展物理實驗教學需求調研報告

朱亞彬 王 超 趙紅敏 范 玲 魏敏建 彭繼迎

（北京交通大學理學院，北京 100044）

1 調研背景

2010年7月國家頒布實施《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》，其中提出要全面提高高等教育質量，提高人才培養質量.北京交通大學作為國家重點大學之一，在軌道交通、通信和運輸等領域具有明顯的行業優勢.在多年的教育教學實踐基礎上，秉承“厚數博理、學科復合、踐實篤行、自主發展”的教育理念，積極貫徹落實《教育規劃綱要》精神，出臺了一系列科學、實效的教學改革措施，針對基礎教學方面，提出了理科平臺建設方案.北京交通大學于2011年將“工科物理教育改革研究”作為學校重點項目進行支持，拓展物理實驗教學研究作為其子項目，主要研究內容是調研物理學與我校優勢專業的結合點，根據優勢專業中所需要的物理知識發掘新的物理實驗項目.

物理學與其他學科密切相關，在現代科學技術的各個分支幾乎都滲透著物理學的內容.例如，機械和建筑學科的發展，離不開力學理論；現代交通的發展離不開運動學的知識；通信技術的發展離不開電磁學的支持.縱觀物理學和科學領域的發展史，每次發現新的物理現象和物理規律都會帶來科學技術的飛速發展和進步，而各種科學技術的進步又推動了物理學的發展和繁榮.如，現代航天技術和納米技術，就為物理學帶來豐富的研究內容［1，2］.

物理學是以實驗為基礎的科學，物理實驗為物理學本身發展創造條件，又為各種新技術的發展提供了物質基礎.如，電力和電子技術廣泛應用，可以獲得精確計量的電動裝置和電子設備；高溫超導技術的應用，可以獲得超快的磁懸浮列車.現代科學技術正以驚人的速度發展，在其中醞釀著新的物理現象和物理規律［3，4］.

基于物理學與科學技術相輔相成的關系，作為從事大學物理實驗教學的教師，我們需要考慮從兩個方面進行大學物理實驗課程的設置：一是讓學生們通過驗證物理學中經典和重要的物理實驗，使學生能夠直觀地理解物理規律和物理理論，培養學生的物理思想；二是讓學生們能夠從所學的專業課程和專業實驗中總結和發現物理現象和規律.我們調研了國內外大學物理實驗課程的設置［5－7］，發現目前大學物理實驗課程均能完成第一個任務，而第二個功能幾乎為空白.目前的情況是，學生在大一和大二進行大學物理和大學物理實驗的學習之后，就不再接觸物理課程.在進入大三和大四專業課程學習后，并沒有把物理知識與專業課程聯系起來，更不會深究其中的物理原理.這樣，不利于培養學生創新能力和科學素質，更不能實現研究型和應用型工程技術人才的培養目標.因此，我們提出拓展實驗物理教學研究項目，加強學生在專業課學習過程中對物理知識的了解和掌握.

2 調研問卷設計

通過電信學院開設的專業基礎和專業實驗課程，及學生在物理學方面所掌握的知識，設計出與通信、自動化和電子專業相關的物理原理問題調查問卷.

調查問卷設計依據的幾個原則：

（1）差異性.與電信學院已開設的專業實驗，特別是專業基礎實驗不能重復；

（2）物理基礎性.挑選的實驗本身是蘊含著自然科學的最基本的規律、基本方法、基本思想最具典型的物理實驗；

（3）實驗基礎性.該實驗在完成過程中能使基本實驗技能得到較充分的訓練，有一定覆蓋面并具典型性；

（4）工程應用性.挑選開設的實驗要能直接體現或聯系延伸工程技術的典型方法、典型原理、典型思想，并能貼近專業、貼近現代新技術，如自動控制中光、機、電一體化技術設計等；

（5）新穎性.開設的實驗要從設備原理、方法上跟蹤現實生活和生產技術并應具有相當的超前，如，自控、信息化、自動化、數字化、綜合集成化等；

（6）有彈性.實驗設置的內容既包括主體的基本部分，又有多個擴展延伸部分供學生選擇，將基礎部分與延伸部分進行有機的分層次的結合.可適應不同層次，不同梯次訓練，可高可低、可增可減方便機動選擇與安排.

問卷涉及的問題數量較多，考慮到學生答卷的時間和質量，將問題分為A卷和B卷，各12個題目.為了解學生對現有物理實驗課程的意見，A卷和B卷均有類似的題目.

A卷中有：

1.在大一時，您上過的大學物理實驗課中，

您能回憶起的實驗是：

A.力學實驗：如，楊氏模量靜態法測量，剛體轉動慣量等；

B.光學實驗；如，分光計的使用，邁克耳孫干涉儀等；

C.電學實驗：如，分壓限流，示波器的使用等.

B卷中有：

1.您對大一時開設的大學物理實驗課的看法是

A.很有意義，對自己幫助也很大，有一些收獲

B.沒有什么感覺，對自己影響不大

C.幫助不大，感覺有些耽誤時間

為了解學生對拓展物理實驗開設形式的建議，A卷和B卷設計了相同的題目：

11.如果理學院決定在您大二下學期和大三期間開設一門物理實驗課，其實驗題目都是從您專業課程中提取.您覺得怎么樣？

A.比較好，可以幫助自己更牢固地掌握一些基礎層面的知識.

B.可以，如果能夠拓展知識面，并提高實驗技能.

C.感覺會加重自己的課業負擔，而且幫助會很小.

12.如果此實驗課已經決定開設，您最希望的課程類型是什么？

A.必修課； B.限選課； C.任選課.

3 調研結果分析

A卷和B卷分別打印了300份，共600份，收回的有效問卷505份.調研對象以電信學院大三、大四的同學為主，還有部分是已完成物理實驗課程學習的電信學院大二的學生.

A卷第1題統計結果見圖1，對于力、熱、光實驗各有30%左右的學生印象深刻.B卷第1題統計結果見圖2，約57%的學生持無所謂的態度，只是當必修課應付.A卷其他題目統計結果見圖3，50%～90% 的學生對問卷A中涉及的物理原理理解不深刻或完全不了解.B卷其他題目統計結果如圖4所示，可以看出，70%～90% 的學生對問卷B中涉及的物理原理理解不深刻或完全不了解.A卷和B卷相同題目統計結果見圖5和圖6，從圖5中可看出，67%同學認為可以開設后續拓展實驗課.從圖6中可看出，86%同學認為可以作為任選課程開設.

圖1 A卷第1題統計結果分布圖

圖2 B卷第1題統計結果分布圖

圖3 A卷其他題目統計結果分布圖

根據對具體問題的統計情況，90%以上的學生不了解的知識點有：電子設備內部干擾，空間頻譜和濾波，四探針測薄膜的電阻率，像素的灰度值，混沌現象，雙光柵測量微弱振動，電磁感應測交變磁場，鐵磁體弦振動儀器等.80%以上的學生不了解的知識點有：光纖傳輸模式，微波基本參數，熱噪聲及噪聲電壓等.70%以上的學生不了解的知識點有：光電效應及應用，多普勒頻移，光電二極管等.50%以上的學生不了解的知識點有：門限效應和霍爾效應.

圖4 B卷其他題目統計結果分布圖

圖5 A和B卷相同題目結果分布圖

圖6 A和B卷相同題目結果分布圖

其中，混沌效應和電子設備內部干擾的相關知識在學生們將要學習的電路設計中具有非常重要的意義，但是學生并不了解其中的物理原理.雙光柵微弱振動和鐵磁體弦振動測量方法不了解，并有77%的學生在之后的學習中遇到與此相關的問題.空間濾波技術對于通信信道的優化具有重要作用，但是學生對阿貝成像原理與空間濾波技術之間的聯系不了解.電磁感應法測量交變磁場和微波的基本參數在電磁波與電磁場一課中非常重要，但是在電信學院只作為演示實驗開設，學生印象不深刻.光電效應、PN結單向導電性和PN結的雪崩擊穿現象，學生在專業課程學習中經常遇到，但是沒有做實驗，理解并不深刻.

從以上統計結果可看出，70%左右的學生并沒有在專業課的學習過程中，提煉和總結物理知識和規律.如果物理實驗中心開設后續拓展實驗課程，有67%的學生愿意參加學習，86%的學生認為以任選課的形式開課.

4 部分物理實驗項目

通過對調查問卷的分析，歸納出電信學院專業課程中涉及的，而目前沒有相應的實驗配套的物理知識點，見表1.無線通信課程中涉及多普勒頻移，可開展多普勒效應實驗.模擬電路課程中有光電二極管等知識，可開展光敏電阻、硅光電池、光電二極管、三極管等光電探測器實驗.通信原理課程中有熱噪聲、電阻兩端的噪聲壓電現象，可設計關于電阻和晶體三極管中的噪聲實驗.通信原理課程中還有頻譜、頻率調制時門限效應，可設計周期信號頻譜實驗、高密度頻譜實驗.集成電路設計基礎課程中有集成電路制造技術，可開展微納結構制備及觀測實驗（如，薄膜制備、光刻技術和掃描電鏡等）.通信系統原理課程中有通信安全，可設計同步混沌電路及其在保密通信中的應用實驗.電磁場與電磁波課程中有電磁波的傳播，可開展單縫衍射實驗、雙縫干涉實驗、邁克耳孫干涉實驗、無損介質介電常數實驗、布拉格衍射實驗、電磁波偏振實驗、圓極化波的產生與檢測、右旋與左旋，反射和折射等.

表1 可開設拓展物理實驗的知識點

根據現有的物理實驗教學示范中心的儀器設備，請電信學院的8位同學進行試做，試做的實驗題目及知識點有：微波衍射、激光多普勒測速、光信號傳輸和導體薄膜電阻測試.學生反饋意見是：微波衍射實驗，加深了對該現象的理解，拓展了知識面；激光多普勒測速實驗與專業所學相關度很大，第一次接觸到Labview軟件，通過軟件硬件結合來實現控制，激發學生的學習興趣；光信號傳輸實驗對專業幫助很大，通過自己動手操作，了解光通信的全過程，印象深刻；導體薄膜電阻測試，有利于理解電子元器件的內部構造，拓展了知識面.

后續拓展物理實驗作為一門課程建設，不僅需要確定實驗項目，還需要有相應的實驗設備配套，及講義編著等其他環節.因此，這方面的工作才剛剛起步，今后還需要繼續開展此方面的教學研究.

5 結語

大學物理實驗課程是工科院校大學生進校后的第一門科學實驗課程，對于提高學生的科學素養、培養學生的創新意識、創新精神和創新能力具有重要的作用.作為講授大學物理實驗課程的教師，需要在教學內容、教學方法、教學手段等諸方面進行不斷創新.拓展物理實驗課程開設，作為大學物理實驗的后續課程，讓學生在接受本專業技能訓練的同時“知其然，也知其所以然”，將科學與技術融會貫通，增強學生的創新能力和應用能力.在未來的工作中，找到物理與其專業交叉的突破點，有所發明和創造.

［1］ 趙凱華.20世紀是物理學推動了高技術的發展［J］.物理，1997，26（11）：703－704.

［2］ 趙凱華.談談物理學與自然科學中姐妹學科的關系［J］.物理，1997，26（11）：755－756.

［3］ 國家教委高教司.當代科學技術發展與教學改革［M］.北京：高等教育出版社，1995.49－62.

［4］ 王剛.大學物理與相關學科關系探討［J］.科技市場經濟，2010，3：101－7102.

［5］ 張慧云.淺談曼徹斯特理工大學物理系的實驗教學［J］.物理實驗，2004，24（7）：42－44.

［6］ 沈元華.訪美歸來談物理實驗的教學改革［J］.物理實驗，2001，21（6）：43－46.

［7］ 馬興坤，小林正明.東京理科大學物理系的物理實驗教學［J］.物理實驗，2000，20（10）：35－36.

［8］ 張映輝.提高設計性、研究性實驗教學質量的實踐探索［J］.物理與工程，2011，21（1）：8－9.