大學物理實驗模塊化教學設置與實施

董長纓　徐滔滔　謝柏林

【摘 要】本文根據我校現有大學物理實驗教學存在的問題和不足，提出了大學物理實驗模塊化教學改革的思路。從實驗模塊化教學的設置和模塊化教學的實施辦法及模塊化教學的評價體系等方面做了教學改革實踐探索，取得了較好的教學效果。

【關鍵詞】大學物理實驗；模塊化；教學改革

物理學是研究物質運動最一般規律和物質基本結構的學科。物理學從本質上看是一門實驗科學。物理實驗在物理學的發展和物理學教育中占有重要地位。可以說，離開了物理實驗，就無法了解物理學。物理實驗課是高等理工科院校對學生進行科學實驗基本訓練的必修基礎課程，是培養學生科學實驗能力、提高科學素質的重要基礎。

1 現有大學物理實驗教學模式[1]

目前我校大學物理實驗在大一下學期和大二上學期開設。實驗內容包括基本測量、力學、熱學、聲學、電學、磁學、光學和近代。由于學生人數多，而實驗儀器設備臺套數有限，這些實驗項目被分散在4-5個實驗室里。因此同一時間段上課的學生就分別在這4-5個實驗室，可能有的學生先做力學實驗，有的就有可能先做電學或磁學實驗等。這樣導致很多學生最開始做的并不是最基本的實驗。接受訓練和培養的不是最為基本的實驗理論、基本的實驗方法、基本的實驗技術和簡單實驗儀表操作技能。這樣學生進入實驗室后，主要依賴老師的講解，對實驗原理理解得不夠透徹，對實驗目的不夠明確。因此對各層次的實驗不加區分的混合教學，以及學生課前的預習不理想，都使物理實驗教學難度加大，學生實驗的效果不理想。

2 大學物理實驗模塊化教學設置

為了使實驗項目的開展順序更符合學生的實驗認知規律和能力培養的遞進性，我校決定在大學物理實驗中開展模塊化教學改革。

模塊化教育模式主要有“MES”和“CBE”兩種流派。

MES（Modules of Employable Skills，模塊式技能培訓），是20世紀70年代初由國際勞工組織研究開發出來的以現場教學為主，以技能培訓為核心的一種教學模式。它是以崗位任務為依據確定模塊，以從事某種職業的實際崗位工作的完成程序為主線，可稱之為“任務模塊”。

CBE（Competency Based Education，能力本位教育），主要以加拿大、美國等為代表。它是以執行能力為依據確定模塊，以從事某種職業應當具備的認知能力和活動能力為主線，可稱之為“能力模塊”。

兩種流派的共性是都強調實用性和能力化。CBE是從職業普遍規律和需求出發，側重于職業基礎通用能力；MES是從職業具體崗位工作規范出發，側重于職業崗位工作能力。

我校大學物理實驗模塊的設置采用CBE模式，側重能力培養。它由四個模塊組成。

2.1 基礎性實驗模塊

基礎性實驗模塊包括長度的測量、三線擺測量剛體的轉動慣量、金屬絲楊氏模量的測量、電表的改裝與校正、直流單臂電橋測量中值電阻、雙蹤示波器的使用、分光計的調整和使用、邁克爾孫干涉儀的調整和使用[2]。

基礎性實驗主要是讓學生掌握實驗基本理論（包括誤差分析及估算、有效數字概念、數據處理方法等）、基本實驗方法與技術、基本儀表使用和基本物理量的測量等。

2.2 綜合應用性實驗模塊

綜合應用性實驗模塊包括聲速的測量、霍爾效應法測量磁場、電位差計測量干電池的電動勢和內阻、光柵衍射參數的測量、數字式溫度計的設計與制作。

綜合應用性實驗主要訓練學生對物理現象的觀察、分析和研究能力，理解和熟練掌握兩種以上實驗技術的綜合應用能力及多單元物理學知識的融會貫通能力。

2.3 設計創新性實驗模塊

必做項目：設計與組裝簡易萬用電表

選做項目一：修理MF500型萬用表

選做項目二（24個中任選1個）：物體密度的測量、黑箱探謎、雙蹤示波器測量相位角、示波器測量超聲波衰減曲線和壓電換能器轉換效率、單臂電橋辭了電壓表內阻、替代法測量線性電阻、補償電壓法測量電阻、UJ31型低電勢電流電位差計校準伏安表、UJ31型低電勢電流電位差計測量低電阻及材料的電阻率、最小偏向角測量光波波長、二極管特性的研究、三極管的應用研究、三極管放大倍數測試儀的設計制作、轉動慣量的測量及研究、反射光偏振性的研究、旋光性溶液濃度的測量、動態法測量固體材料的楊氏模量、干涉法測量金屬的熱膨脹系數、RLC串聯電路暫態過程的研究、交流電橋的研究及應用、利用p-n結特性測量玻爾茲曼常量、電介質相對介電常量的測定、溫差電現象的研究、太陽能電場基本特性的測定。

選做項目三（8個中任選1個）：光學多道分析器、光的色度研究、單光子計數實驗、激光拉曼、磁共振、微波電子自旋共振、光拍法測光速、半導體激光器。

選做項目一是針對學生在實驗中可能會碰到的各種問題諸如儀器故障、線路故障而設計出來的一個項目。主要訓練學生根據所學的理論知識對儀器故障進行判斷，并對所確定故障進行維修，培養學生分析問題和解決問題的能力。

選做項目二有24個課題，涉及面廣，學生可根據自己的興趣愛好任選一個。該項目有助于培養學生根據所掌握的物理實驗理論知識和實驗基本方法開展創新性科學實驗研究的能力。

選做項目三難度較大，與前面實驗項目采取單人單組的實驗方式不同，選做項目三采取了一組多人合作型學習研究的方式。這些實驗項目有助于學生了解本專業的特點，并對學生今后專業課的學習起到了引導作用。

2.4 演示實驗模塊

選做項目四（24個可任選1個）：剛體轉動綜合演示儀、錐體上滾；逆風行舟；聽話小球；流速與壓強；大型輝光球；法拉第楞次定律（開閉口環）演示、法拉第—楞次定律；無電刷直流電機、腳踏發電機；范式起電機；能量轉換輪；磁懸浮地球儀；磁場對電流的演示儀；磁阻尼擺；環形駐波、水波演示、魚洗；白光反射全息、簾式皂膜；激光綜合光學實驗儀；偏振光現象組合、光的衍射演示儀；激光傳聲；葉片熱機；地動儀；超聲霧化器；滾擺、記憶合金彈簧；聲控噴泉；無源之水；導光水柱、夢幻時鐘、錯覺畫。

演示實驗的特點是直觀、形象和生動。該實驗模塊的項目設置與日常生活及學習過的理論知識緊密聯系在一起，該實驗模塊的設置寓教于樂，極大的提高學生的學習興趣，調動學生的學習積極性。

3 大學物理實驗模塊化教學實施

本次大學物理實驗模塊化教學在電信科學類專業成立了課改試點班。按由簡單到復雜的順序依次進行各模塊的實驗。

3.1 開放實驗室

為保證實驗順利進行，學生可在實驗室開放時間進入實驗室進行預習。由于能夠看到實驗儀器，比以前只看教材預習來得更直觀，預習效果好。

3.2 綜合運用多種教學法[3]

大學物理實驗采用現場教學的模式，因此其教學方法也不是單一的，可采用組合教學法，比如講授、討論、實驗、學科研究法等綜合運用。基礎性、綜合應用性實驗模塊主要采用學生預習、教師講解（或學生講解）、教師設置故障、學生按步驟獨立完成的方法；設計創新性實驗則由學生根據實驗原理和實驗要求進行方案設計，以單人或小組討論合作的形式來完成，教師只負責答疑引導；演示實驗模塊要求學生能夠根據實驗要求動手組裝并進行儀器調整和現象觀察，最后寫出開發報告。

3.3 能力培養

大學物理實驗采用模塊化教學后，教學目標明確，針對性和可操作性強。通過基礎性實驗模塊的學習，使學生掌握了基本物理量的測量、基本實驗儀器的使用及數據處理方法，培養了學生獨立實驗的能力；綜合應用性實驗模塊涉及多個知識點，提高了學生實驗方法和實驗技術的綜合運用能力；設計創新性實驗模塊需要學生根據實驗要求提出設計方案和創新點，培養了學生科學思維方法，使學生的創新能力得到鍛煉；演示實驗模塊則是將理論與實際相結合，提高了學生解決實際問題的能力。

4 大學物理實驗模塊化教學評價體系

我校大學物理實驗普通班采用平時考核（占50%）和期末考核（占50%）相結合的方式。而物理實驗模塊化教學試點班期末考試單獨進行，采取公開答辯的形式進行。答辯的內容由學生自已選擇實驗項目中的任意一個，準備PPT，講解實驗的過程、關鍵技術、結果分析和可能的改進措施等。教師在學生答辯過程中，可針對實驗目的、實驗原理、儀器設備的選擇、儀器設備的使用、操作過程的規范性、實驗現象、實驗結果、數據處理方法、誤差原因及生活應用等方面提出問題，最后綜合學生PPT的講解及回答問題的表現，給出成績評定結果。

綜上所述，大學物理實驗模塊化教學改革設置按照由簡單到復雜、由基礎到高級的層次遞進排列，符合學生由淺入深、循序漸進學習的規律，極大地調動了學生的學習積極性。學生在實驗過程中能夠積極進行課前預習，認真參與實驗，動手能力、創新能力和綜合素質明顯提高。當然我們也看到大學物理實驗模塊化教學改革是在試點班中進行的，如果能進一步優化教學資源，擴大試點面，必將使更多的學生受益，更好適應社會對人才的需求。

【參考文獻】

[1]劉楊.大學物理實驗教學探討[J]. 山西大同大學學報：自然科學版，2008，2（3）： 82-84.

[2]徐滔滔.大學物理實驗教程[M].北京： 科學出版社，2008.

[3]冷余生， 解飛厚. 高等教育學[M]. 湖北： 湖北人民出版社，2006.

[責任編輯：曹明明]