專題實驗教學在基礎物理實驗中的探索實踐

王 龍, 尹玉芳, 王洛秋, 李書光, 黃柳賓, 李東霞

(中國石油大學(華東) 理學院； 山東 青島 266580)

專題實驗教學在基礎物理實驗中的探索實踐

王 龍, 尹玉芳, 王洛秋, 李書光, 黃柳賓, 李東霞

(中國石油大學(華東) 理學院； 山東 青島 266580)

針對目前理科實驗班基礎物理實驗課程中固定實驗項目上課、學生知識面狹窄、缺乏實驗方法的融會貫通及實驗綜合應用能力,提出了基于理科實驗班的專題實驗教學模式。通過實施表明,專題教學模式改革提高了學生的實驗興趣和積極性,取得了一定的成效,為學校其他專業(yè)教學改革提供了參考和借鑒。

專題實驗教學； 基礎物理實驗； 理科實驗班

目前,國內(nèi)大部分高校物理實驗課程基本都采用了開放式教學模式[1-3],按照不同專業(yè)的培養(yǎng)方案及學時要求,規(guī)定了學生至少完成的實驗個數(shù)。我校劉華東副校長在2013年提出了構(gòu)建“三三三”本科培養(yǎng)體系的目標[4],理科實驗班作為學校實行多元化培養(yǎng)模式之一,對學生科學研究素養(yǎng)、實驗綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提出了更高的要求。理科實驗班“基礎物理實驗I、II”共72學時,分2學期完成,要求學生在第3、4學期各完成8個獨立的固定實驗項目。8個實驗項目分屬于力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等,邏輯性、系統(tǒng)性不強,具有一定程度的獨立性。相對獨立的8個實驗項目無法兼顧理科實驗班后續(xù)專業(yè)分流的需要[5]。每個項目4個學時的教學安排,能讓學生加深記憶,但卻使得部分學生停留在本實驗操作基本細節(jié)上。通過后續(xù)的創(chuàng)新訓練環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn),學生知識面狹窄,缺乏各種實驗測量方法的融會貫通及各種實驗技能綜合應用能力,與理科實驗班學生培養(yǎng)目標有一定差距。

1 整體方案設計

在所開設實驗項目的基礎上,進行深入挖掘整合,將相關的實驗項目串聯(lián)形成一個專題,探索專題實驗教學改革,為后續(xù)理科實驗班創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)訓練打下良好的基礎,有利于培養(yǎng)學生發(fā)散思維、實驗綜合應用創(chuàng)新能力,符合理科實驗班通識基礎教育的寬口徑培養(yǎng)目標。整個方案共分為3個環(huán)節(jié),如圖1所示:頂層專題設計、研究點(子專題)確定、考核設計。

首先,由教師根據(jù)目前開設的實驗項目、現(xiàn)有儀器配件等進行專題實驗的頂層設計,即確定專題研究的大方向。教師課上著重串聯(lián)、梳理、總結(jié)與專題相關的實驗項目,將專題布置給學生,由學生課下進行相關調(diào)研。然后,在此基礎上指導學生或?qū)W生自己根據(jù)相關調(diào)研,又或通過討論，提煉出個人的研究點子專題,自行進行實驗方案設計并實施,進行數(shù)據(jù)測量并對比,分析各種測量方法的優(yōu)缺點、適用范圍,得出相應的結(jié)論,完成研究報告。教師從實驗方案、研究報告2個層面對學生進行考核,其成績比例分別為40%、60%[6]。

圖1 專題實驗教學整體設計

1.1 專題設計及教學實施

針對目前實驗室開設的38個實驗項目,設計出適合理科實驗班的實驗教學專題,即研究大方向。以實驗共性和差異性為切入點,深入挖掘內(nèi)涵和聯(lián)系,形成一系列的實驗研究專題,以某個物理量不同的測量方法、手段為切入點,形成專題實驗,也可以將同一個物理量的不同測量實驗進行對比,形成一個專題[7]。比如:在分光計實驗中通過衍射光柵測量出汞燈或鈉光燈波長；在光強分布實驗中通過給定單縫的縫寬,可推出激光的波長；光的等厚干涉中可以通過牛頓環(huán)的曲率半徑計算入射光的波長；對于邁克爾孫干涉實驗,測量出可移動反射鏡的距離變化量并數(shù)出條紋變化數(shù),也可以計算得出光源波長。因此上述實驗可形成一個關于波長測量的專題[8],如圖2所示。

圖2 波長測量專題

如此,原來固定的實驗項目——邁克爾孫干涉實驗,變成了波長測量的專題，不再局限于單個的實驗項目內(nèi)容,而是串聯(lián)起來的有機整體——實驗專題。波長的測量本質(zhì)其實是頻率的測量,在數(shù)字示波器的使用實驗中進行過信號頻率測量,而數(shù)字示波器是有帶寬的,對于光波頻率的測量是做不到的,但是通過類似簡單的條紋計數(shù)操作能夠獲得數(shù)字示波器等精密儀器設備都不能測量的光波頻率,如果學生能體會到這一點,無疑會增加學習的興趣。

對于另一實驗項目——熱敏電阻溫度特性及數(shù)字溫度計的設計,學生通過該實驗了解了利用熱敏電阻溫度特性及非平衡電橋設計數(shù)字溫度計的思想。同時,在PN結(jié)物理特性研究實驗中,通過研究恒定弱電流的PN結(jié)電壓與溫度的輸出關系,可以設計出PN結(jié)數(shù)字溫度計。同樣,在穩(wěn)態(tài)法測量導熱系數(shù)中,用到了銅和康銅組成的熱電偶測量溫度,其原理基于熱電效應(塞貝克效應),然后熱效率實驗中又用到了半導體的熱電效應；氣體絕熱指數(shù)實驗是基于AD590測溫,新式導熱系數(shù)實驗儀用到了Pt100,熱敏電阻儀器配件中還提供了Cu50等,將以上實驗聯(lián)系起來,形成一個溫度測量及溫度計設計的專題實驗,如圖3所示。可使學生認識到目前實驗室和生活中用到的各類溫度傳感器的測溫原理,結(jié)合所學電路理論、單片機知識完成一套完整的數(shù)字溫度計設計,并進行校準測溫,不僅可以為后續(xù)的創(chuàng)新應用打下基礎,而且可以達到學以致用、提高學生實驗積極性的作用。

圖3 溫度測量數(shù)字溫度計設計專題

類似的,針對基礎物理實驗II中的固定實驗項目,形成了如表1所示實驗專題(左側(cè)為目前基礎物理實驗II開設的獨立的項目,中間為形成的專題實驗)。

表1 專題設計

表1(續(xù))

表1(續(xù))

教學中不再局限于單一實驗項目內(nèi)容,不再是單一的物理規(guī)律的驗證,而是注重引導學生發(fā)散、靈動跳躍思維,圍繞專題,把重點放在學生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)上,鼓勵學生拓展研究內(nèi)容,圍繞專題自行探究研究點[10]。

1.2 研究點:子專題的確定

教師在課上主要串聯(lián)與頂層專題大方向相關的實驗項目,進行梳理總結(jié),確定研究點。在教師的指導下,或者讓學生在課下調(diào)研的基礎上相互討論,也可以教師學生相互討論確定相應的研究點。比如,溫度測量專題中,可以針對半導體類型熱敏電阻(聯(lián)系熱敏電阻數(shù)字溫度計設計實驗)、金屬類型熱敏電阻(Cu50、Pt100)進行對比研究,也可以研究半導體的熱電效應(聯(lián)系熱效率實驗)、金屬的熱電效應(銅、康銅做成的熱電偶,聯(lián)系穩(wěn)態(tài)法測量不良導體導熱系數(shù)實驗)的區(qū)別等,通過數(shù)據(jù)測量得出相應的實驗結(jié)論。拿出規(guī)定的時間開放與專題相關的實驗室,讓學生根據(jù)自己課外的時間進入實驗室完成確定的研究內(nèi)容,不僅包括教材中的必做內(nèi)容,而且要完成與內(nèi)容相關的子專題研究。

2 考核評價設計

整個考核分為方案考核和研究內(nèi)容考核2部分。從研究方案的設計選擇、實驗儀器組裝搭配、數(shù)據(jù)測量結(jié)果及結(jié)論等,對學生的專題研究進行綜合考核[11]。

其中方案考核分為實驗方案設計、方案選擇、方案實施3個方面,如圖4所示,分別從方案設計的創(chuàng)新性、選擇的合理性、實施的正確性3個方面對學生考核,這部分成績占總成績的40%。

圖4 方案考核

學生專題完成后,撰寫2 000字左右的針對專題研究點的報告,報告內(nèi)容須體現(xiàn)“為何進行此研究、如何設計的方案、數(shù)據(jù)測量結(jié)果、結(jié)論”等,參考科技論文格式,成績占60%,這部分為研究內(nèi)容的考核,如圖5所示。當然,2部分成績所占的比例,可以根據(jù)專題的不同作適當調(diào)整 。

圖5 內(nèi)容考核

3 專題實驗教學模式及效果

以2014級理科實驗班學生作為實施對象,在基礎物理實驗II環(huán)節(jié),采用實驗專題教學模式。實驗安排采用小組形式,一周一次專題課,在本周的上午時間段拿出規(guī)定時間開放專題相關的實驗室,由學生自由選擇進入實驗室時間,指導教師負責跟蹤指導,根據(jù)調(diào)研進行專題研究。理科實驗班3個數(shù)理班,分為6～8個小組上課,每個小組6～8人,正常學期一般第2周開課,每周一次專題課。對于實驗室的開放,空間和時間都相對比較寬裕。

專題實驗教學強調(diào)實驗思想的關聯(lián)及綜合應用,培養(yǎng)了學生的發(fā)散、跳躍、創(chuàng)新思維,鼓勵學生自己探索研究點、自行設計實驗方案和實驗配件、自行進行實驗結(jié)果分析。通過一學期的實施運行,極大地提高了學生的實驗興趣和積極性,學生由原來的“等、靠、抄”(等教師講、靠教師教、照別人抄)變成了“查、鉆、思”(查閱調(diào)研資料、自己動手動腦鉆研、思考總結(jié)得到研究結(jié)論)[12]。學生通過調(diào)研,提出了許多有意義的值得研究的題目,有的已轉(zhuǎn)化為校級創(chuàng)新訓練項目。一學期下來,學生共提交了36項專題研究,其中有26項題目被一致認為是可進行深入研究探索的,其中6項轉(zhuǎn)化為校級大學生創(chuàng)新訓練項目。學生第一作者發(fā)表文章3篇、申請專利2項。目前尚需解決的問題是實驗室條件不能滿足部分研究專題,受實驗儀器測量精度限制,測量結(jié)果還不能上升到一定的科研水平。

4 結(jié)語

物理實驗的宗旨是培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力,專題實驗教學模式以學生為中心,使學生學習由被動變?yōu)榱酥鲃?拓展了實驗內(nèi)涵,強調(diào)實驗思想和實驗本質(zhì)的掌握。希望通過努力,使專題實驗教學改革成為學校教學改革的亮點,為其他專業(yè)的教學改革提供借鑒和參考。

References)

[1] 孫伯耳.開放式物理實驗教學的探索[J].高校實驗室工作研究,2009(1):40-42 .

[2] 張立輝,朱春蓮,徐彬.開放式物理實驗教學模式的探索與研究[J].江漢大學學報(自然科學版),2009,37(3):108-110.

[3] 黃柳賓,王殿生,劉彥民,等.開放式物理實驗教學的規(guī)范化建設[J].實驗室研究與探索,2005,24(1):93-94.

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[5] 李書光.大學物理實驗[M] .北京:科學出版社,2012.

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[7] 沈韓.基礎物理實驗[M].北京:科學出版社,2015:150-152.

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[9] 何熙起.線偏振光通過半波片后的偏振態(tài)解釋[J].內(nèi)江科技,2006(2):105-106.

[10] 高鐵軍,王書運,朱俊孔,等.專題系列近代物理實驗課程體系的建設與實踐[J].實驗室研究與探索,2006,25(7):93-95.

[11] 侯秀芳,陳亮.大學物理實驗分類培養(yǎng)教學體系的構(gòu)建[J].廊坊師范學院學報(自然科學版),2014,14(3):109-111.

[12] 黃剛.國外的物理實驗教學綜述[J].中國科技信息,2006(20):267-268.

Exploration and practice of special subject experimental teaching in basic physics experiments

Wang Long, Yin Yufang, Wang Luoqiu, Li Shuguang, Huang Liubin, Li Dongxia

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Aiming at the fact that the students have narrow knowledge and lack the experimental methods and the comprehensive application ability in the fixed experimental items of basic physics experiment courses, a special subject experimental teaching mode is proposed. The practice shows that the reform on the special subject teaching mode has raised the students’ interest and enthusiasm in the experiment, and has achieved some good results, providing references for the teaching reform of other specialties in the university.

special subject experimental teaching; basic physics experiment; science experimental class

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.050

2017-02-04 修改日期：2017-04-06

中國石油大學(華東)青年教師教學改革項目(QN201623)；山東省教學改革項目(2015M022)；中國石油大學(華東)重點教學改革研究項目(JY-A201616)

王龍(1981—),男,山東泰安,碩士，講師,主要研究方向為大學物理實驗教學.E-mail：wanglong@upc.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)08-0199-04