基于創新能力培養的大學物理實驗教學思考

丁啟禹

隨著時代的前進，我們的教育認識不斷與國際接軌，教育體系更加重視學生的綜合能力培養，尤其是創新思維培養。在高等學校各科教學過程中，引導學生學會獨立自主地學習，培養其學習能力已成為教學的新目標。

高等學校大學物理課程大綱明確指出：大學物理課程在為學生系統地打好必要的物理基礎、培養學生樹立科學的世界觀、增強學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的探索精神和創新意識等方面，具有其他課程不能替代的重要作用。大學物理學是以實驗為本的科學。在大學物理教學中，物理實驗教學的作用是深遠的。物理實驗可以培養學生嚴謹的科學態度，勇于實踐的科學精神，對科學理念的執卓追求。物理實驗與思維相結合，還可以培養學生對現象的觀察分析能力，善于動手實踐的操作能力，精于想象構造的設計創新能力。大學物理實驗課程對于學生來說，有著其它課程無法比擬的作用，對于他們今后從事任何一項學習和工作都是非常有益的。

1 了解實驗觀察的目的性

在大學物理實驗中，我們用于尋找事實、驗證理論的科學實踐主要是通過觀察和實驗來完成的。如何徹底完備的研究觀察方法和實驗方法的理論，充分發揮和利用觀察方法和實驗方法的作用，對于大學物理實驗課程教學是有著極其重要的作用。物理實驗觀察可以分為直接觀察與間接觀察。直接觀察是直接通過感官考察客體的方法。例如：在物理實驗中，用直尺測量物體的長度時，觀測者利用直尺的刻度與物體的被測邊緣相比較，得出測量值，但是測量的數據與觀測者的視覺，習慣有關，常?？偸怯衅蠡蚱〉内厔?。在薄透鏡焦距的測量實驗中，為使各光學元件的主光軸重合，常用的共軸調節的方法，一般是先粗調后細調；粗調時主要是用眼睛觀察，使物、屏和光源、透鏡中心大致在一條直線上；而細調時也是用眼睛觀察成像的清晰度進行判斷的。由此可見，直接觀察在物理實驗中是必要的，它直觀、生動，易于掌握，但是它又有很大的局限性，常常受到外部事物的影響。間接觀察是人們借助于一定的儀器，觀察客體的方法。例如：在物理實驗中，伏安法測電阻實驗，可以用指針式的電表來測量，也可以用數字式電表來測量，如果用數字萬用表測量時可以直接讀取數值，避免用指針式電表讀數時產生的讀數誤差。在用自由落體測定重力加速度實驗中，可以使用光電門接數字毫秒計，測量物體通過兩點間的時間差，避免手動計時產生的測量誤差。由此可見，間接觀察擴大了感官觀察的范圍，能在實驗中提供更加準確的觀察結果。

2 注重實驗的理論性

物理實驗觀察要以物理理論為依托。在物理實驗中，我們的觀察不僅是對外部信息的接受，還有對信息的理論處理過程。例如：在用牛頓環測量球面的曲率半徑的實驗中，我們用讀數顯微鏡觀察明暗相間的同心圓時，根據理論我們知道這是一種光的等厚干涉，中心是暗紋，透鏡的曲率半徑與入射光的波長和N級同心圓的直徑有關。由此可見，物理觀察一定要與物理理論相配合，這樣觀察才能有的放矢，起到實驗的驗證理論的作用。所以，我們要求學生在做實驗之前，要先對實驗內容進行預習，了解理論內容，理解實驗目的。此外，實驗觀察要用科學的語言來表述。物理學有自己特有的語言表述，例如物理學中的距離和位移、速度和速率，質量和重量等。所以，這就要求學生在理論學習中，對物理的概念、定理要有深刻的理解和熟練掌握，以便在實驗觀察中能運用科學準確的術語來描述對象。理論是物理學的核心，強調物理實驗的作用，但決不能忽視理論對實驗的指導作用。

3 保證觀察實驗的客觀性

物理實驗觀察要保持客觀性。辯證唯物主義認為觀察是具有客觀性的，是主觀與客觀相統一的過程。在物理實驗中，觀察是一個復雜的過程，為了保證觀察的客觀性，首先，要以正確反映客觀事物本質的理論為指導。這種理論不僅包含正確的物理原理理論，還包括物理實驗理論。例如：物理實驗中的測量，被測物體的真值和測量值之間總是存在一定的差異，這種差異稱為誤差。實驗中不能完全的消除誤差，只能盡量減小誤差。其次，物理實驗的觀察中要盡量使用先進的技術和儀器。例如：在實驗中起重要作用的時間的測量，可以用光電門或傳感器接計算機進行分析，這樣可以更加準確地記錄下時間的變化，提高觀察的客觀性。最后，物理實驗要求嚴謹務實的科學態度。盡量不要把主觀期盼加入到實驗中來，要實事求是，嚴肅認真地觀察，保證觀察的客觀性。

4 實現實驗的全面性

在物理學中，物理實驗已經發展出了一系列的特有的實驗技術和方法。

依據測量目的和手段的不同，物理實驗可以分為定性實驗和定量實驗。定性實驗能夠發現實驗對象的某種屬性。定性實驗是定量實驗的基礎和前提。例如：利用氦氖激光發生器演示楊氏雙縫干涉實驗或菲涅爾圓盤實驗，觀察光的干涉或衍射圖樣，從而了解光的波動性。定量實驗可以精確測定屬性的量值。例如：長度和固體密度測量的實驗或用分光計測量折射率實驗等，主要是測定一些物理量值。

根據實驗手段是否直接作用于被研究對象，物理實驗可分為直接實驗與模擬實驗。直接實驗是在實驗儀器直接干預對象的條件下觀測對象所輸出的信息。大部分實驗都屬于直接實驗，這種實驗的理論驗證性強，可以加強對物理定理和公式的進一步認識。模擬實驗是一種間接實驗，先設計出反映對象屬性的模型，然后用實驗手段作用于模型，通過模型實驗了解對象的性質及其運動規律。模擬實驗又可以分為物理模擬實驗和數學模擬實驗。物理模擬是根據相似理論，構造出與對象相似的物理模型，通過模型實驗了解對象變化的物理過程。例如：用風洞研究高速湍流氣體對物體的作用，常用于飛行器的檢驗；用大氣模擬儀來模擬顯示今后幾年的地球大氣變化情況。實際上，用氣墊導軌研究牛頓定律，也是物理模擬實驗，我們用它來研究無摩擦情況下物體的運動。數學模擬是在對象與模型之間在數學方程或數學模型相似的基礎上，通過計算機求解來研究對象性質的一種模擬實驗。例如：航天技術中對飛船和衛星的運行軌道的計算；自然界中的混沌現象的模擬。數學模擬實驗在物理實驗教學中起著越來越重要的作用，它可以演示一些在現有條件下無法實現的實驗，如原子的核裂變和核聚變，天體運行演示等，在學到了相關的知識的同時，也激發了學生的學習興趣。此外，在遠程教學模式中，用計算機軟件制作的物理實驗課件也起著非常重要的作用。

綜上所述，大學物理實驗是大學物理的理論實踐基石，是了解自然、把握自我、探求真理的基本手段。物理實驗教學與物理理論教學相比，更應該隨著時代的發展、科技進步而不斷的創新。我們要深刻地研究和探討物理實驗的教學方法，以唯物主義哲學理論為指導，充分利用現代化教育理論和技術，發揮物理實驗的實踐性、探索性等特點，強化物理實驗的教育與培養功能，為培養學生良好的創新能力和科學素養而努力。

（作者單位：大慶廣播電視大學網站管理中心）