應用型高校大學物理實驗改革創新探索

張淑芳

[摘 要]大學物理實驗教學屬于實踐性教學，我們的改革目標是，培養學生活躍的創新思維，理論聯系實際的實踐能力，適應科技發展的綜合應用能力。圍繞著這個目標，構建大學物理實驗教學體系，對實驗項目、實驗內容、教學模式進行改革創新探索。

[關鍵詞]概率論 數理統計 教學改革 案例教學

[中圖分類號] G640 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2015）05-0107-02

物理學本質上是一門實驗科學。物理實驗是科學實驗的先驅，體現了大多數科學實驗的共性，在實驗思想、實驗方法以及實驗手段等方面是各學科科學實驗的基礎。[1]因此，大學物理實驗課是理工科大學生的必修基礎課。

一、以應用為導向，以學生為主體，分層次遞進式教學

要達到大學物理實驗改革目標的要求，需通過一系列的實驗逐步實現。為此，我們構建了“基礎——綜合——設計（研究）”逐級提高的多層次教學體系，并在教學中強化學生的主體地位，突出實驗項目、內容的應用性。要想提高學生在實驗中的主動性，預習很重要。對于基礎性、綜合性實驗，教師應根據具體實驗項目，提前把預習提綱發給學生，引導學生預習，以使學生明確實驗目的，理解實驗原理，倡導學生提前去實驗室了解實驗儀器設備的性能、使用方法，要求學生初步設計出實驗方案，寫出預習報告。在教學過程中，教師應簡明扼要地講解實驗思想、實驗方法的選擇及對數據處理的要求，把更多的時間留給學生自主實驗。學生在實驗中遇到問題時，教師應啟發、引導學生自己找到解決的方法，完成實驗。這樣，學生才能體會到運用知識分析問題、解決問題的樂趣，產生成就感，從而激發了學習的興趣，培養了實踐應用能力。

設計性或研究性實驗的目的是使學生了解科學實驗的全過程，逐步掌握科學思想和科學方法，培養學生獨立實驗的能力和運用所學知識解決綜合問題的能力。[2]目前，許多新的專升本院校，由于大學物理實驗中心建成時間較短，受經費與場地所限，一些設計性實驗是由原來的基礎性或綜合性實驗延伸過來的，缺乏創新性，有些實驗能從網上找到現成的實驗方案，達不到設計性實驗的目的。因此，在設計性實驗中，更要突出學生的主體地位，充分發揮學生的主動性和創造性。教師要根據學生的實際情況，遵循由易到難的原則，精心設計實驗課題，然后再讓學生根據自己的實際情況，自主選擇實驗課題。選定課題、明確任務要求后，學生自己查找資料，制訂實驗設計方案，其中包括：物理模型的建立、實驗方法和測量方法的選擇、測量儀器和測量條件的選擇、數據處理方法的選擇以及綜合分析比較和不確定度的估計等。[3]在學生制訂實驗設計方案的過程中，指導教師與學生共同分析實驗設計方案各個步驟的可行性，并不斷地調整和完善，最終形成達到實際要求的最佳方案。在實驗過程中還會遇到各種問題，通過這些問題的解決，進一步培養學生的實踐創新能力。

基礎性實驗、綜合性實驗在其內容上，多屬于驗證性實驗，在層次上屬于基本動手能力訓練階段。要引導創新思維、創新設計、創新實踐，提高創新能力，培養創新型人才，必須經過設計性、研究性實驗環節的錘煉和鍛造。[4]

二、以應用為導向，優化教學內容，增大設計性實驗比重

優化大學物理實驗教學內容，就是更新與實際應用脫節的內容，豐富、充實應用性強的內容，并融入現代科學技術，提升實驗質量。比如“薄透鏡的焦距測量實驗”，除測量實驗室提供的透鏡焦距外，可在適當補充鏡片度數的條件下，嘗試測量老花鏡的度數。又如，光學實驗中的分光計系列實驗，分光計的調節過程，教師很難用語言說清楚，學生調節更是困難重重，若在望遠鏡目鏡上安裝一個視頻攝像工具，就可讓學生直觀地看到調節過程，提高實驗效率。再如“牛頓環干涉實驗”“邁克爾遜干涉實驗”，都可引入CCD成像系統進行改進提高，等等。上述列舉的實驗，雖然都是基本實驗，但由于加入了生活元素，融入了現代科學技術，所以能夠較好地激發學生的學習興趣，加深學生對實驗思想、實驗原理的理解，提高學生應用現代科學技術的能力。

綜合性實驗是指同一個實驗中涉及力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等多個知識領域，綜合運用多種方法和技術的實驗。[5]優化教學內容，一定要體現多個知識領域的交叉，多種方法技術的綜合運用。例如，楊氏模量的測量，綜合運用了光學、電學、力學知識，可讓學生用多種方法進行測量，如靜態拉伸法、動態懸掛法、梁彎曲法等，其中相對伸長量可用霍爾傳感器來測量。再如，“用密立根油滴儀測電子電荷實驗”的目的是讓學生掌握實驗方法，領略大師設計思想，同時也讓其了解一些獨特的數據處理方法。受課時、實驗儀器精度所限，許多實驗室采用的是逆向驗證的方法，這種方法借用了現成的測量結果，學生常感到疑惑。用“圖解法”[5]處理實驗數據，可在不知電子電荷e的情況下，通過射線斜率求出e值，克服了“最大公約數方法”中尋求最大公約數的困難，彌補了逆向驗證的缺憾。同時要引導學生使用Origin等軟件來進行計算，擬合數據、畫射線、求出e值。這樣，不僅加深了學生對大師處理實驗數據方法的理解，同時也提高了學生應用計算機通用軟件處理實驗數據的能力。

設計性實驗是指根據給定的實驗題目、要求和實驗條件，由學生自己設計方案并基本獨立完成全過程的實驗。[6]目前提倡增大設計性實驗比重，以達到培養學生自主研究問題、解決問題的實踐能力和創新能力的目的。設計性實驗應具有綜合性、典型性、探索性、研究性和設計性，并遵循“難易適中，因材施教，結合專業”的原則。徐州工程學院大學物理實驗中心，目前主要開設了“電表的改裝與校準”“集成運算放大器及其應用”“小型制冷裝置制冷量和制冷系數的研究”“平衡電橋與非平衡電橋的研究”“太陽能電池特性研究”“霍爾效應及其應用”“電子束測試”“偏振光實驗”等設計性實驗。不同專業的學生，可根據自己的專業特點、興趣特長自主選擇實驗題目，自行設計并基本獨立完成實驗。通過設計性實驗的錘煉，學生的實踐能力和創新能力都得到了提高。

三、引入數據采集系統，搭建自組實驗平臺

數據采集系統由智能傳感器、數據采集器、計算機及數據處理軟件等組成。它具有“實時連續采集”“提高實驗效率”“提高實驗質量”“拓寬思維，提高學生實驗興趣”[7]等特點，所以數據采集系統被廣泛應用到大學物理實驗中。目前，國內一些儀器生產廠家，在實驗儀器中，引入了數據采集系統，用計算機控制、采集、記錄、分析，學生所做的就是敲敲鍵盤，點點鼠標。這種一體化的實驗，學生既觀察不到物理現象的發生，也不能操作儀器，學生只能從計算機顯示器上觀察結果，這樣的實驗教學大大地削弱了學生的動手能力和實驗觀察能力的訓練。[8]在大學物理實驗中，將數據采集系統、現代傳感技術與實驗儀器相結合，搭建自組實驗平臺，既可使學生初步掌握數據采集系統的應用，又能增強學生的動手能力和實驗觀察能力。例如，傳統的光學實驗——分光計系列實驗、牛頓環干涉實驗、邁克爾遜干涉實驗，常見的問題：一是學生調節困難，二是觀察干涉條紋眼睛疲勞。以牛頓環干涉實驗為例，為測出凸透鏡的曲率半徑，需要數出一些干涉條紋的條數，由于干涉條紋密集，學生眼睛疲勞，容易數錯，導致測量結果誤差太大。將計算機技術和光電技術相結合，可以很好地解決這個問題。傳統的牛頓環裝置，再配以CCD傳感器、微機數據采集處理系統，自組搭建實驗平臺，就可直觀地觀察動態的調節過程，方便快捷地獲取牛頓環干涉條紋，并通過數據處理軟件準確地測出凸透鏡的曲率半徑，提高了實驗數據的精度和實驗結果的準確度。

另外，還可將計算機——光電系統應用在光電效應實驗中。該實驗測量數據多，測量儀器工作狀態變化快，測量的數據離散性大，難以準確判斷光電流的截止電壓。在傳統的光電效應測普朗克常數測定儀上配備數據采集裝置，利用它快速采集數據，能夠準確地判斷光電流的截止電壓，并用計算機軟件處理實驗數據，顯示相關量的關系圖，計算出普朗克常數。顯然，提高了實驗效率、實驗質量。

實際上，需要采集多個數據的實驗，都可引入數據采集系統。如“剛體轉動慣量測量”“PN結正向壓降溫度特性實驗”“太陽能電池伏安特性測量”“發光二極管伏安特性測量”等實驗都可引入數據采集系統，搭建自組實驗平臺，改變傳統的教學模式。

引入數據采集系統，讓學生自己搭建實驗平臺，培養了學生的實踐應用能力，應用現代物理技術、現代科學技術的能力，應用計算機通用軟件處理實驗數據的能力，極大地激發了學生的學習興趣，提高了學生的創新能力。

[ 注 釋 ]

[1][2][5][6] 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會，物理基礎課程教學指導分委會.理工科類大學物理實驗課程教學基本要求[M].北京：高等教育出版社，2011.

[3] 張映輝.大學物理實驗[M].大連：大連海事大學出版社，2003.

[4] 張映輝.構建突出實踐創新能力的物理實驗教學體系[J].大學物理，2013（12）.

[5] 于光輝.油滴實驗的數據處理方法[J].大學物理，1995（10）.

[7] 劉艷，陳仁安.數據采集系統在大學物理實驗中的應用[J].實驗室研究與探討，2012（2）.

[8] 秦艷芬，等.在物理實驗中引入通用數據采集器搭建自組實驗平臺研究[J].物理與工程，2011（3）.

[責任編輯：覃侶冰]