學生主導型物理實驗與學生綜合能力培養的實踐探究

高文莉，周　進，蘇為寧

?

學生主導型物理實驗與學生綜合能力培養的實踐探究

高文莉，周進，蘇為寧

(南京大學 物理實驗教學中心，江蘇 南京 210093)

結合大學物理實驗教學工作經驗和當前大力開展創新型教育的新形勢,在實驗教學過程中探索了學生主導型物理實驗教學模式,并以邁克耳孫干涉實驗為例，列舉了由基本實驗拓展出的6個實驗. 實踐表明:學生主導型實驗提高了實驗教學質量和學生的綜合能力.

學生主導型物理實驗；教學模式；綜合能力

近年來，隨著高等教育改革的深入以及社會的快速進步，培養具有較高綜合能力的創新人才成為當前高等院校的重要任務. 綜合能力是比較寬泛的概念，從學生培養的角度看，主要包含2部分:提出問題的能力和解決問題的能力.

現在的大學教育偏重于后者，即學生的知識儲備、分析問題、解決問題的能力，物理實驗也是如此，從形式看，物理實驗可以分為3類：

1)基礎和綜合實驗，一般告知實驗內容、實驗方法、實驗儀器，讓學生按要求完成. 這主要培養學生理解基本實驗方法、掌握儀器的使用和鍛煉動手能力.

2)設計性實驗，對學生提出實驗要求，并一定范圍內給定實驗儀器，由學生思考如何完成實驗任務. 這可培養學生綜合運用所學知識的能力.

3)研究性實驗，教師給學生想法或方向，由學生自己準備器材，摸索實驗方法. 這類實驗可以培養學生查閱文獻資料、團隊協作等能力.

這3類物理實驗有共同的特點，就是實驗題目均來源于教師，學生自主完成空間雖然有所不同，但基本上仍屬于培養分析問題和解決問題的能力的范疇. 如何讓學生能夠發現問題、提出問題，是當今高校人才培養方面重要的課題之一，也是培養學生綜合能力的重要方面. 著名華裔物理學家、諾貝爾獎得主李政道在2010年首屆“創新中國論壇”上指出“要創新，需學問；只學答，非學問. 要創新，需學問；問愈透，創更新.”近年來南京大學物理實驗教學中心在這方面進行了一些有效的探索[1].

1　物理實驗課程教學模式探索

通過幾年的摸索實踐，我們發現，培養學生的綜合能力不神秘，有系統性的方法，是可以訓練的. 首先，發現新問題的關鍵在于培養學生的好奇心和敏銳的觀察力. 解決新問題的關鍵是培養學生理論聯系實際的能力，使其能有目的地學習(查找、自學文獻)、運用知識，主動探索新規律和新知識. 具體來說，把大學二年級下學期開設的大學物理實驗三在教學模式上進行了改變，將課程結構分為2個階段，讓學生實驗模擬科學研究的過程，要求自主完成1個自己提出的實驗研究課題.

第一階段，6周時間，學生自主選擇并完成感興趣的實驗項目，激發興趣，喚醒好奇心，培養發現問題的能力.

南京大學物理實驗教學突出讓學生在實驗中發現問題、分析問題和解決問題，進行科研素養的綜合能力的訓練. 具體而言，課程開始時由教師對本課程近30個物理實驗給學生逐一簡要介紹，讓學生從中選擇并完成2～3個自己感興趣的基本實驗. 在此階段，給予學生較多的自由空間，讓學生根據實驗要求，進行主動探索，引導學生以科研的方式進行實驗. 開設基本實驗的目的不僅僅是要求學生獨立完成實驗，更重要的是學生要在實驗過程中注意觀察，尋找并發現自己覺得有進一步研究價值的現象. 同時，除了必要的注意事項外，指導教師盡量少講解，少示范，多和學生進行啟發性的討論，引導學生去觀察、分析、思考，激發學生的主動探索意識，喚醒學生的好奇心，培養學生發現問題的能力.

第二階段，在第一階段基礎上，學生自己提出并完成課題，在期末參加公開答辯.

完成基本實驗后，要求學生在此基礎上或自己在學習生活中發現問題，提出自己的實驗研究課題，并設計合理的實驗方案，自主完成該課題. 除此以外，課題也可以是學生理論課程中或平時看文獻資料時想到的問題，可以是演示物理實驗中的現象研究，可以是與物理相關的來自生活中的有興趣的問題的研究. 對課題，首先明確學生的創新課題及實驗完成與實際意義上的創新要求是不同的，具體說來只要是自己現有的認知水平突破即可. 一個好的課題可以是有新的思想、方法，可以是物理知識的合理靈活運用，可以是有較多的設備和自制器材使用，也可以是若干實驗失敗的總結和結論.

從實踐情況看，學生主導型實驗教學模式對學生是挑戰，由于知識和實驗條件、器材等局限，選擇1個可行并能完成的課題，學生需要花費較多的時間，有時幾乎在很長一段時間內反復摸索才能確定1個課題，最后需要利用雙休日加班加點連續實驗，完成課題和課題論文，其結果可能還是初步的，好的課題還需要繼續進行提煉和完善，這樣的過程，學生們普遍感覺是“痛并快樂著”，而教師和實驗室主要提供指導和開放. 我們看到，若干年后，學生對物理實驗記得最清楚的正是這樣的實驗.

在提出新課題、解決新問題的過程中，學生綜合創新能力得到全方位的鍛煉，大批學生能夠做到理論聯系實際，靈活運用知識. 很多課題都融合了理論、實驗、計算機模擬等，學生的口頭和書面表達能力也得到了鍛煉.

2　學生課題案例

以邁克耳孫干涉儀實驗為例，教材中主要有3個內容：1)測量激光的波長；2)測量鈉光燈雙黃光的波長差；3)測量玻璃的折射率. 學生根據自己的情況，從該實驗出發拓展出了以下課題.

2.1邁克耳孫干涉儀中補償板與干涉條紋

邁克耳孫干涉儀中補償板的作用是補償兩相干光束因通過分光板次數不同而引起的附加光程差(特別是對復合光). 做該實驗時學生有意地去掉補償板, 討論并觀察在單色光照射時產生的干涉條紋的變化情況[2]，得到的實驗結果如圖1所示，經過理論分析和計算機模擬,得到的結果與實驗完全相符,如圖2所示.

圖1　實驗中拍到的干涉條紋

圖2　計算機模擬的干涉條紋

2.2用邁克耳孫干涉儀測量厚透明材料折射率

物理實驗課程中，邁克耳孫干涉儀測量玻璃折射率主要是利用出現白光干涉條紋的零光程條件，由放入玻璃片前后出現白光干涉條紋的位置，得到相關的光程. 由于折射率與波長有關，要求待測樣品盡量薄，而測量厚透明固體折射率，用白光調節出干涉條紋難度很大. 為解決這一局限，學生提出采用半視場法[3]. 半視場法以激光為光源，在光路中一半視場處放入平行待測材料后，調節反射鏡，視場兩邊對應的干涉條紋出現條紋陷入和漲出，當合成為圓時可以得到相關的光程差. 采用半視場法觀測的干涉條紋如圖3所示.

(a)調節前圖像　　　　　　(b)調節后圖像圖3　半視場法觀測條紋

2.3利用邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場

空氣溫度改變，折射率將發生變化，從折射率的變化經過定標就可以得到溫度分布. 選擇蠟燭火焰作為實驗對象,研究周圍溫度變化，應用阿貝爾變換法和環帶法,可對軸對稱溫度場進行定量計算[4]. 蠟燭火焰干涉條紋圖如圖4所示，計算時通過噪聲處理、低通濾波,獲得二值化后的圖像如圖5所示，從而得到溫度分布如圖6所示.

圖4　蠟燭火焰干涉條紋圖

圖5　干涉條紋骨架圖

圖6　邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場

2.4用M-Z干涉儀對空氣折射率的定量測量與理論探討

邁克耳孫干涉儀存在樣品空間的限制，學生自行組建M-Z干涉儀，測量空氣在不同壓強下的折射率，可以用于測量氣體等大面積區域中折射率的微小變化[5]. 而且光在所研究容器中只經過1次, 這使得該區域的光程變化顯得很直觀. 圖7為所得到的壓強與折射率關系. 最后從經典的電介質理論對空氣折射率產生原因進行分析，解釋了壓強與折射率的對應關系.

圖7　折射率與壓強的擬合曲線

2.5干涉法測量鋁薄膜的軸向應力

這也是從邁克耳孫干涉儀實驗拓展出的課題[6]. 應力是薄膜制備和生產過程中存在的普遍現象, 薄膜應力產生的原因有2個方面:一是由于薄膜和基底的熱膨脹系數不同而引起的,稱為熱應力;一是由于薄膜生長過程中的非平衡性或薄膜特有的微觀結構引起的,稱本征應力. 實驗采用邁克耳孫干涉儀變形結構(圖8)，測量其力應變和熱應變，并對測量的結果進行了擬合.

圖8　實驗裝置示意圖

2.6邁克耳孫干涉儀進行溶質擴散的研究

這是一個還沒有成功的課題. 課題想法：溶液的折射率與溶液的成分和濃度有關，利用邁克耳孫干涉儀可以測量折射率的變化，從而研究溶質的擴散問題. 學生在該課題研究過程中，解決了圖像變化的獲取問題，但由于樣品盒中三維擴散信息的提取極困難，自己制備的二維擴散樣品盒(相當于薄膜)，材料平整度、平行度等因素效果差，最后未能取得預期的結果. 這樣的課題我們也給予鼓勵.

3　結束語

雖然有些課題看起來簡單，實際上是學生多次反復、多次提煉和修改獲得的，這樣的過程對學生來說是寶貴的經歷. 當然教師也需要有比較多的付出. 學生主導型實驗教學模式，可以激發學生的主觀能動性，調動學生查閱資料、參與實驗實踐活動的積極性，極大提高了學生獨立思考、發現問題、解決問題和科研創新能力，提高了實驗教學質量和學生綜合能力，對培養學生創新意識和創新能力發揮著重要作用.

[1]周進,王思慧,黃潤生,等. 樹立新理念 構建新體系 培養學生創新素質和研究能力[J]. 實驗室研究與探索,2006,25(5)：619-621.

[2]鄧小燕,喬蹻,潘永華,等. 邁克爾遜干涉儀中補償板與干涉條紋[J]. 物理與工程,2006,16(2)：29-32.

[3]徐文韜,李全偉,李吉驁,等. 用邁克耳孫干涉儀測量厚透明材料折射率[J]. 物理實驗,2012,32(6)：35-39.

[4]溫學達,劉釗,周惠君,等. 利用邁克耳孫干涉儀重建蠟燭火焰溫度場[J]. 物理實驗,2007,27(6)：44-47

[5]盧丹勇,劉長江,周惠君,等. 用M-Z干涉儀對空氣折射率的定量測量與理論探討[J]. 物理實驗,2006,26(12)：40-43.

[6]周思，陳迅馳，周惠君，等. 干涉法測量鉛薄膜的軸向應力[J]. 物理實驗，2008，28(9):5-8.

[責任編輯：任德香]

Practice on student-oriented experiment teaching and comprehensive capability cultivation

GAO Wen-li, ZHOU Jin, SU Wei-ning

(Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Combining the teaching experience in university physics experiment and the new situation in carrying out innovative education, the student-oriented experimentin teaching mode was explored. Take the Michelson interference experiment as an example, six extending experiments developed from the basic experiment were listed. Practices showed that the student-oriented experiment improved the teaching quality and the students' comprehensive ability.

student-oriented experiment; teaching mode; comprehensive capability

2016-05-28；修改日期：2016-09-07

高文莉(1968-)，女，江蘇灌云人，南京大學物理實驗教學中心講師，碩士，研究方向為凝聚態物理.

G642.423

B

1005-4642(2016)10-0023-04

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文