大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)對比教學(xué)研究與實(shí)踐

王剛 徐義爽

摘 要：對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，為了解決其中存在的問題，結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出對比教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐表明：通過課堂實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)的對比可以激起學(xué)生的興趣，引發(fā)學(xué)生的思考；通過多種實(shí)驗(yàn)方法的對比可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，更有效地培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；通過合理的評價(jià)體系能鼓勵(lì)學(xué)生在完成力所能及的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，勇于創(chuàng)新、積極思考。最終學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及理論分析能力都得到了提高。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 能力培養(yǎng) 對比教學(xué) 評價(jià)體系

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（b）-0116-03

Abstract：The present situation of college physics experiment teaching is analyzed. In order to solve the existing problems， proposes contrast teaching model combined with years of teaching experience. Teaching practice shows that students interest and thinking can be aroused by comparing classroom experiments with demonstration experiments； students innovation consciousness can be stimulated， practical ability and innovative ability can be cultivated more effectively by comparing with various experimental methods； students can be encouraged to innovate bravely and think positively on the base of finishing the experiment all they can by reasonable evaluation system. Finally， students operational ability， innovation ability and theoretical analysis capability have been improved.

Key words：university physics experiment；ability cultivation；contrast teaching；evaluation system

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是使學(xué)生接受系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能力[1]。教學(xué)過程中能否達(dá)到這個(gè)目的取決于物理實(shí)驗(yàn)的課程模式、教師的教學(xué)方法、學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣等因素。

1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)該是分層次教學(xué)模式，按照先開設(shè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，再開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)，最后開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的順序授課，這樣安排由淺入深、循序漸進(jìn)，利于教學(xué)活動(dòng)的展開，可以有效的培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析能力[2]。

而現(xiàn)實(shí)情況卻給這種教學(xué)模式提出一些難以解決的問題：（1）隨著多年擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)逐年遞增，儀器數(shù)目的增長遠(yuǎn)不及學(xué)生人數(shù)的增長，而在上課時(shí)為保證教學(xué)效果一臺儀器最多容納兩名同學(xué)同時(shí)使用，儀器數(shù)目嚴(yán)重制約著上課學(xué)生的人數(shù)，一個(gè)實(shí)驗(yàn)一般只能保證有一個(gè)班或者半個(gè)班的學(xué)生來做；（2）大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一次課為3學(xué)時(shí)，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)一天最多只能排三次課，即上午、下午和晚上各上一次課，那么一個(gè)實(shí)驗(yàn)一周最多只能重復(fù)15次左右。如果所有的班級都按同樣的順序來上實(shí)驗(yàn)課，對于大部分高校來說每個(gè)實(shí)驗(yàn)每周要重復(fù)的次數(shù)都大于15次，這樣在排課上就會(huì)出現(xiàn)困難。為了解決這個(gè)問題，大部分高校目前都采用輪轉(zhuǎn)授課的方式來排課，即各實(shí)驗(yàn)室同時(shí)開課，然后各班在實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行輪轉(zhuǎn)。

由于學(xué)時(shí)的限制，大部分高校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)只開兩個(gè)學(xué)期甚至有個(gè)別學(xué)校只開一個(gè)學(xué)期，這樣就會(huì)出現(xiàn)一學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課包含三類實(shí)驗(yàn)中的兩類或者三類的情況。如果輪轉(zhuǎn)授課，那么就很難保證讓所有學(xué)生都先做基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，再做綜合性實(shí)驗(yàn)，最后做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，也就是說必然有部分學(xué)生打破理想的上課順序，這樣分層次教學(xué)模式就很難實(shí)行了。

另外，由于在中學(xué)階段各地區(qū)、各學(xué)校對實(shí)驗(yàn)課的重視程度不同，導(dǎo)致剛?cè)胄４髮W(xué)生的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ町愝^大。而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是大學(xué)生最先接觸的實(shí)驗(yàn)課之一，所以我們在授課時(shí)必須考慮到這個(gè)差異。而在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師在實(shí)驗(yàn)課上對所有學(xué)生的要求是完全一致的，沒有任何差異。這樣就會(huì)使學(xué)生出現(xiàn)兩種極端，部分實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的學(xué)生迅速完成實(shí)驗(yàn)，而部分實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ畹膶W(xué)生需要他人幫忙或是延長時(shí)間才能完成實(shí)驗(yàn)，甚至有個(gè)別學(xué)生為完成實(shí)驗(yàn)選擇抄襲其它同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。長此以往，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的學(xué)生會(huì)認(rèn)為實(shí)驗(yàn)課程過于簡單，學(xué)不到多少知識，對自己的能力提高沒有幫助，會(huì)逐漸對物理實(shí)驗(yàn)課程失去興趣；實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ畹膶W(xué)生由于經(jīng)常不能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，會(huì)認(rèn)為課程太難，自己無法掌握，在逐漸喪失自信心的同時(shí)勢必對物理實(shí)驗(yàn)課程提不起興趣。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，兩類極端的學(xué)生都會(huì)逐漸喪失對實(shí)驗(yàn)課程的興趣，顯然不利于學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)，一種新的教學(xué)模式的提出迫在眉睫。

2 對比教學(xué)模式

通過以上分析，我們需要在無法實(shí)行分層次教學(xué)模式的情況下，提出一種新的教學(xué)模式，而且這種教學(xué)模式要既能滿足大多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，又兼顧兩類極端學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，更廣泛的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此我們提出對比教學(xué)模式。

2.1 演示實(shí)驗(yàn)和課堂實(shí)驗(yàn)的對比

在實(shí)驗(yàn)課前增加演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生通過觀察或親自參與有趣的演示實(shí)驗(yàn)，會(huì)對接下來要做實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的興趣。如：做全息照相實(shí)驗(yàn)時(shí)，演示白光再現(xiàn)全息照片；做測量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓學(xué)生參與演示茹科夫斯基凳；做受迫振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，讓學(xué)生參與演示魚洗盆等。

學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)以后，通過與演示實(shí)驗(yàn)的對比可以引發(fā)更多的思考。

（1）在全息照相實(shí)驗(yàn)前演示白光再現(xiàn)全息照片，而各高校在實(shí)驗(yàn)中做的基本都是激光再現(xiàn)全息照片。做完全息照相實(shí)驗(yàn)以后，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的照片無法在白光下直接觀測，而需要在激光下觀測[3]。這時(shí)學(xué)生就會(huì)產(chǎn)生疑問，為什么不讓我們拍攝能直接在白光下觀測的白光再現(xiàn)全息照片，這樣觀測起來不是更方便嗎？此時(shí)教師可以讓學(xué)生課后查找相關(guān)資料，然后在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上解釋這個(gè)問題。通過這樣帶著疑問去學(xué)習(xí)的過程，學(xué)生對全息照相的理解會(huì)更加深刻。

（2）在測量物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生參與演示茹科夫斯基凳時(shí)，雙臂平伸凳子轉(zhuǎn)速減慢，雙臂收縮凳子轉(zhuǎn)速加快。通過分析可以知道雙臂平伸時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，雙臂收縮時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，最終得出結(jié)論：總質(zhì)量一定的情況下，質(zhì)量分布離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大。做實(shí)驗(yàn)時(shí)給學(xué)生提供的塑料圓柱、金屬圓桶和實(shí)心球的質(zhì)量基本一樣，讓學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證上面的結(jié)論是否正確。學(xué)生懷著好奇心，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)更加認(rèn)真，更有利于其能力的培養(yǎng)。

2.2 多種實(shí)驗(yàn)方案的對比

許多實(shí)驗(yàn)都有多種實(shí)驗(yàn)方案，如：聲速的測量、測細(xì)絲直徑、電橋測電阻等。我們可以在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，鼓勵(lì)學(xué)生盡可能多的采用多種方案來做實(shí)驗(yàn)，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，對實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ煌膶W(xué)生做不同要求，更能有效的培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。下面是一些具體的做法。

（1）在全息照相實(shí)驗(yàn)中采用難易不同的兩種光路進(jìn)行照相。（見圖1、圖2）實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的學(xué)生可以選擇用傳統(tǒng)光路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過認(rèn)真調(diào)節(jié)、精確計(jì)算，使光路滿足以下三個(gè)條件：參考光和物光的光程相差不太大，不大于所用激光的相干長度；參考光和物光的夾角在20°～30°之間；參考光與物光的光強(qiáng)比為3∶1～5∶1之間[4]。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰θ醯膶W(xué)生可以選擇用簡化光路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此光路經(jīng)過簡單調(diào)節(jié)就可以滿足上面提到的三個(gè)條件。采用以上做法，可以讓所有學(xué)生都能自己動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Χ嫉玫搅艘欢ǔ潭鹊呐囵B(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)完成以后，可以組織學(xué)生對兩種光路進(jìn)行對比分析，如對兩種光路實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)用簡化光路的實(shí)驗(yàn)成功率比較高，經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)：①簡化光路中的光學(xué)元件個(gè)數(shù)比傳統(tǒng)光路少，由9個(gè)減少為5個(gè)，所以外界振動(dòng)對實(shí)驗(yàn)的影響也較傳統(tǒng)光路要小，故而照相成功率高。②簡化光路容易調(diào)節(jié)，學(xué)生只需要調(diào)節(jié)感光底板和物體的位置及角度就可以使參考光和物光的光程差、夾角和光強(qiáng)比在都在合適的范圍內(nèi)。而傳統(tǒng)光路中光學(xué)元件較多，調(diào)節(jié)比較復(fù)雜，經(jīng)常需要反復(fù)調(diào)節(jié)，中間過程如果某些地方?jīng)]注意，導(dǎo)致某個(gè)條件沒得到滿足，實(shí)驗(yàn)就會(huì)失敗，觀察不到全息照片。也可以組織同學(xué)討論簡化光路與傳統(tǒng)光路的適用情況，利用簡化光路拍攝表面凸凹程度小的物品效果較好，如：鑰匙、硬幣等（見圖3）。簡化光路不但可以拍攝反光性好的金屬材料，也可以拍攝反光性差的塑料材料如中性筆筆帽等。而對于表面凹凸差距比較大的物體采用傳統(tǒng)光路拍攝的效果較好。通過這樣的分析過程，學(xué)生的分析能力可以得到提高。

（2）在用空氣劈尖測量細(xì)絲直徑時(shí)，可以根據(jù)公式，數(shù)出從劈尖頂點(diǎn)到待測物體邊緣暗條紋個(gè)數(shù)N，算出細(xì)絲直徑d。也可以根據(jù)公式，測出從劈尖頂點(diǎn)到待測物體邊緣的距離L，相鄰兩暗條紋的間距b（一般先測出間隔100條暗條紋的距離，再除以100取平均值），然后算出細(xì)絲直徑d。讓學(xué)生從其中選取一種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有能力的學(xué)生可以同時(shí)用兩種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后讓學(xué)生對兩種方案進(jìn)行對比，找出其優(yōu)缺點(diǎn)。如：對于第一種方案，如果條紋個(gè)數(shù)比較多，由于劈尖長度是有限的，所以條紋間距會(huì)比較小，數(shù)條紋個(gè)數(shù)即耗時(shí)又累眼，故此種方案適用于條紋個(gè)數(shù)比較少的情況；對于第二種方案，如果條紋個(gè)數(shù)比較少，此時(shí)跟第一種方案相比其步驟就比較多，比較麻煩，故此種方案適用于條紋個(gè)數(shù)比較多的情況。

除了以上介紹的做法還可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中作如下對比，如：在測量聲速時(shí)，可以對行波法和駐波法進(jìn)行對比；在測量液體密度時(shí)，可對讓靜力稱衡法和比重瓶法進(jìn)行對比；在測量金屬材料彈性模量時(shí)可以對靜態(tài)拉伸法和動(dòng)態(tài)懸掛法進(jìn)行對比等。在多種實(shí)驗(yàn)方案對比教學(xué)的過程中，教師不但要注意引導(dǎo)學(xué)生選用不同實(shí)驗(yàn)方案，更要注重組織學(xué)生對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析。這樣才能使學(xué)生將所學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，在不斷的分析過程中找到操作過程中的不足，進(jìn)而提高學(xué)生分析問題解決問題的能力。

3 對比教學(xué)模式的評價(jià)體系

在采取多種實(shí)驗(yàn)方案對比教學(xué)的時(shí)候，由于供學(xué)生選擇的實(shí)驗(yàn)方案不是唯一的，各種方案的難易程度未必相同。這種情況下如果沒有一個(gè)合理的評分標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生為快速完成實(shí)驗(yàn)往往會(huì)選擇容易的實(shí)驗(yàn)方案，這樣就達(dá)不到預(yù)期的教學(xué)效果。所以在給出學(xué)生成績時(shí)，必須充分考慮實(shí)驗(yàn)方案的難易程度，才能達(dá)到較好的教學(xué)效果，準(zhǔn)確體現(xiàn)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平。

我們根據(jù)學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)方案的難易程度在評分時(shí)引入權(quán)重系數(shù)，課堂實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)=對所選實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作得分×權(quán)重系數(shù)。由于各實(shí)驗(yàn)所涉及的實(shí)驗(yàn)方案難度不同，所以權(quán)重系數(shù)并不是一個(gè)定值，而是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)分成幾種情況。（1）對于兩種實(shí)驗(yàn)方案難度相近，實(shí)驗(yàn)操作難度低的實(shí)驗(yàn)，兩種方案都做權(quán)重系數(shù)為1，只用一種方案為0.6。（2）對于兩種實(shí)驗(yàn)方案難度相近，操作難度高的實(shí)驗(yàn)，兩種方案都做權(quán)重系數(shù)為1，只用一種方案為0.8。（3）對于兩種實(shí)驗(yàn)方案難度明顯不同的實(shí)驗(yàn)，兩種方案都做權(quán)重系數(shù)為1，選擇難的實(shí)驗(yàn)方案的為0.9，選擇簡單實(shí)驗(yàn)方案的為0.6。權(quán)重值由教師在課前給出，學(xué)生可根據(jù)自己的水平及想要取得的成績選擇實(shí)驗(yàn)方案。

為了鼓勵(lì)學(xué)生勇于創(chuàng)新、積極思考，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)有創(chuàng)新或在實(shí)驗(yàn)后能對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行深入分析時(shí)，可以給其適當(dāng)加分。

4 結(jié)語

教學(xué)實(shí)踐證明，通過課堂實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)的對比、多種實(shí)驗(yàn)方法的對比以及合理的評分方法，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的興趣和做實(shí)驗(yàn)的積極性都得到了提高。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)的學(xué)生采用多種實(shí)驗(yàn)方案的機(jī)會(huì)多，在對各實(shí)驗(yàn)方案對比分析過程中收獲較多，相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成績也較高。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Σ畹膶W(xué)生，也能為取得較好的成績積極努力，在討論環(huán)節(jié)更加用心，任課教師如果能及時(shí)對他們的表現(xiàn)進(jìn)行肯定，再適當(dāng)鼓勵(lì)，這些學(xué)生也能逐漸融入課堂。甚至有一部分同學(xué)看到了自己在理論方面的優(yōu)勢，在操作過程中注重理論分析，以理論帶動(dòng)實(shí)踐，不但能很好的完成實(shí)驗(yàn)還能提出創(chuàng)新方案也取得了不錯(cuò)的成績。

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