獨立學(xué)院省級物理實驗教學(xué)示范中心建設(shè)與實踐

李 昂， 王天會， 劉仁臣， 汪 亮， 彭庶修

(吉林大學(xué)珠海學(xué)院 物理實驗教學(xué)中心， 廣東 珠海 519040)

0 引 言

獨立學(xué)院大多是由具有優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的綜合性大學(xué)和社會投資方合作興辦。辦學(xué)初期，實驗室領(lǐng)導(dǎo)、管理人員、教師多由母體學(xué)校派出或從其他普通高校聘任；物理實驗教學(xué)難免有母體學(xué)校為非物理類專業(yè)開設(shè)物理實驗課的要求移植的痕跡[1]。它一方面給新辦的獨立學(xué)院帶來了寶貴的財富——母體學(xué)校重視實驗教學(xué)的優(yōu)良傳統(tǒng)，及主講教師科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、實事求是的作風(fēng)。另一方面，要看到獨立學(xué)院與母體學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)定位的差異，使得物理實驗室的建設(shè)和教學(xué)體系絕不能全盤照抄，必須改革，創(chuàng)造出適合獨立學(xué)院特點和培養(yǎng)目標(biāo)的新模式[2]。

隨著辦學(xué)的深入，學(xué)院明確了自己的辦學(xué)定位——“綜合性、應(yīng)用型、開放式、有特色、居前列”。鑒于辦學(xué)定位，獨立學(xué)院以培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才為主，它既不同于普通本科院校培養(yǎng)社會需求的具有深厚理論基礎(chǔ)和科研創(chuàng)新能力的高層次人才，也不同于高職、高專注重培養(yǎng)動手能力較強的技工、技師型人才。獨立學(xué)院應(yīng)注重培養(yǎng)有較好的理論基礎(chǔ)、較寬知識面、動手能力強、具有一定創(chuàng)新精神的應(yīng)用型人才[3]。

1 目前物理實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀

由于學(xué)院所辦專業(yè)各自提出本專業(yè)的人才培養(yǎng)方案，獨立學(xué)院工科本科專業(yè)人才培養(yǎng)不能過分強調(diào)“寬基礎(chǔ)”“厚基礎(chǔ)”，加強專業(yè)技能訓(xùn)練呼聲很高，而加強專業(yè)實驗技能、實踐訓(xùn)練力度，需要一定的學(xué)時。若用1.5學(xué)年開設(shè)大學(xué)通識教育課程和學(xué)科類基礎(chǔ)課程等，勢必壓縮物理實驗課等基礎(chǔ)課的教學(xué)時數(shù)[4]。事實上，在物理實驗課程一個學(xué)期開完的要求下，其教學(xué)周通常是16周，共計32學(xué)時，只能達(dá)到教指委提出的教學(xué)時數(shù)的2/3[5-6]。

以所在的學(xué)院為例，每屆4個工科院系約70多個自然班，在二、三學(xué)期分別完成2個院系約35個班(每個班分成2個教學(xué)組)的教學(xué)。按“基礎(chǔ)性實驗—綜合性實驗--設(shè)計性實驗”三層次教學(xué)，將5～6個實驗項目組合為一輪作小循環(huán)，共2～3輪小循環(huán)安排各實驗教學(xué)組的教學(xué)。實驗教師采取跟組教學(xué)，在一個學(xué)期教完自己所擔(dān)任的教學(xué)組。

培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ诮虒W(xué)過程中必須實施以學(xué)生為主體，教材為載體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)方法[7]。這種教學(xué)方法對于獨立學(xué)院學(xué)生來說尤為重要。獨立學(xué)院學(xué)生由于數(shù)理基礎(chǔ)較差，往往不愿閱讀教材、預(yù)習(xí)實驗原理、實驗時缺乏自信心、不能自主學(xué)習(xí)；同時表現(xiàn)出馬虎、粗心甚至于原諒自己的過錯[8]。這就要求教師在教學(xué)過程中注意引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，綜合運用所學(xué)知識和技能解決實際問題；引導(dǎo)學(xué)生在正確獲得實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、判斷、歸納與綜合；逐步培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、科學(xué)實驗?zāi)芰Γ约皠?chuàng)新意識。將獨立學(xué)院學(xué)生中普遍存在的“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。

實驗課前預(yù)習(xí)(預(yù)習(xí)報告)—課上實驗—撰寫實驗報告三部曲中，在預(yù)習(xí)報告為正式報告的前半部分要求下，實驗操作記錄數(shù)據(jù)及處理、總結(jié)實驗結(jié)果并入到實驗課上完成，要求學(xué)生當(dāng)堂提交報告，教師初步驗收，有錯誤令其改正，學(xué)生非常配合，避免了課后往往不處理或沒法處理數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。多年來一直堅持這種做法收到了良好的教學(xué)效果，學(xué)生也較滿意。

2 實驗教學(xué)示范中心建設(shè)探索與實踐

2.1 構(gòu)建適合獨立學(xué)院教育的物理實驗教學(xué)體系

國內(nèi)高等教育已從精英教育進(jìn)入到大眾化教育階段. 必須打破精英教育帶來的慣性定勢，面對時代的發(fā)展，要求制定與時代相適應(yīng)的物理實驗課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和方法[9]。

物理實驗課覆蓋面廣，具有豐富的實驗思想、方法、手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，充分體現(xiàn)出它在專業(yè)人才培養(yǎng)中的公共性和基礎(chǔ)性。正是由于課程的公共性與基礎(chǔ)性，面對綜合性獨立學(xué)院開設(shè)的各個專業(yè)，需要分析專業(yè)特點及特色、人才培養(yǎng)方案，注意與中學(xué)教育的銜接，再結(jié)合獨立學(xué)院學(xué)生特點，貫徹課程教學(xué)基本要求，逐步形成了工科物理實驗的“基礎(chǔ)性實驗—綜合性實驗—設(shè)計性實驗”三層次教學(xué)，“文科專業(yè)的物理實驗公選課教學(xué)”“普及演示實驗教學(xué)”的大學(xué)物理實驗教學(xué)體系。而工科物理實驗課程教學(xué)則是實驗教學(xué)體系的核心部分。

大學(xué)物理實驗課程教學(xué)是案例教學(xué)，同樣的教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)可以通過不同的實驗項目、實驗內(nèi)容和實驗方法來實現(xiàn)，實驗室力求開設(shè)有自己教學(xué)特色的實驗選項及內(nèi)容，其中既保留經(jīng)典的實驗項目也有結(jié)合新技術(shù)的項目。注意力學(xué)實驗、熱學(xué)實驗、電(磁)學(xué)實驗、光學(xué)實驗和近代物理實驗的撘配。在工科大學(xué)物理實驗中進(jìn)行分層次教學(xué)，即開設(shè)一定數(shù)量的基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗。 并使這三類實驗教學(xué)層次的比例接近課程教學(xué)基本要求。

2.2 緊抓工科大學(xué)物理實驗課程教學(xué)

工科物理實驗課程教學(xué)是課程體系的核心，也是學(xué)院基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量的重點。隨著學(xué)校開展教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)，對所開設(shè)的綜合性實驗和設(shè)計性實驗進(jìn)行檢查驗收；在此基礎(chǔ)上開展3年期的實驗教學(xué)示范中心建設(shè)，開展物理實驗教學(xué)改革實踐。

借用數(shù)字化技術(shù)，助推實驗教學(xué)與管理的創(chuàng)新，使教育技術(shù)水平上新臺階。工科物理實驗課的三層次教學(xué)需選好實驗項目，搭配好實驗器材，每個實驗項目準(zhǔn)備好18～20臺套，實驗教學(xué)做到1人1套儀器，做到教學(xué)硬件有保障[10]。

2.2.1 編寫實驗教材

利用學(xué)院教材編寫立項資助，組織教師編寫實驗教材。在兼顧實驗儀器設(shè)備的情況下，教材體現(xiàn)出“加強基礎(chǔ)—重視應(yīng)用—開拓思維—培養(yǎng)能力—提高素質(zhì)”的教學(xué)理念，做到物理概念清晰，盡量用工科“普物化”的語言敘述實驗原理、簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格，處理數(shù)據(jù)方法上適合用科學(xué)計算器及計算機軟件處理，做到教材簡潔方便實用[11]。教材出版后，新增實驗項目或更新了配套儀器的實驗項目講義，則采用電子文擋發(fā)給學(xué)生使用，待使用若干屆后修訂再版。

2.2.2 改進(jìn)實驗儀器與實驗技術(shù)

由于廠家追求實驗器材的生產(chǎn)利潤，使實驗器材“集成”化，而減少了實驗訓(xùn)練的教學(xué)目的，或失去了某些功能。為使實驗項目有特色，結(jié)合儀器的維修保養(yǎng)，使用通用器材配套替換，不給學(xué)生“做某實驗必須要有特制器材”的認(rèn)識。

(1) 模擬示波器的使用實驗。其中應(yīng)用部分，觀察半波整流前的交流信號和整流后的直流信號內(nèi)容，采用提供面包板、半導(dǎo)體二極管和電阻等元件，由學(xué)生搭建電路觀察記錄信號波形，以提高學(xué)生的動手能力。

(2) 霍爾效應(yīng)實驗。撤去傳統(tǒng)采用電位差計測低電壓的方法測霍爾電壓，購置儀器廠家生產(chǎn)的測試儀部分，以節(jié)省時間用于增加實驗教學(xué)內(nèi)容。有關(guān)霍爾效應(yīng)的普物實驗通常有2個內(nèi)容，① 測定霍爾器件的靈敏度及材料類型，這個實驗物理原理明確，但要先已知磁場，為此實驗室購置特斯拉計，提供磁場的參數(shù)，學(xué)生實驗測定霍爾器件的靈敏度，判定材料的類型。② 用霍爾器件測磁場，如通電螺線管磁場或電磁鐵氣隙中的磁場。有了測磁場的特斯拉計，則可將這2個內(nèi)容并為一個實驗項目。

(3) 分光計測三棱鏡頂角實驗。學(xué)生很難目測達(dá)到粗調(diào)目的，改用水平儀做粗調(diào)，則容易調(diào)好，為各半調(diào)節(jié)(細(xì)調(diào))做好了準(zhǔn)備，以致用2課時大部分同學(xué)能完成該實驗[12]。

(4) 電橋測電阻實驗。使用按國標(biāo)生產(chǎn)的成品電橋測電阻，必須遵守一定的操作規(guī)程，且先要預(yù)知被測電阻的粗略值，不然易損壞檢流計。在實驗中加入數(shù)字萬用表測電阻內(nèi)容，使學(xué)生初步接觸的數(shù)字電表的使用，又解決了粗測電阻的問題，給學(xué)生多接觸測量器儀表的機會。

2.2.3 綜合性實驗中引入實用技術(shù)的演示裝置

在傳統(tǒng)的綜合性實驗項目的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)，新開出傳感器類的實驗項目。對于這類實驗，應(yīng)立足闡述物理原理與其物理基本特性的測量，這樣就會占用原本有限的實驗課時間，同時低年級的學(xué)生也難于談其運用。為此，實驗室結(jié)合物理內(nèi)容，開發(fā)出傳感器應(yīng)用的盡量簡單的演示實驗裝置，放在做該實驗的教室中，演示給學(xué)生看，以開拓學(xué)生的科學(xué)思維。

如霍爾效應(yīng)實驗中的霍爾器件是一只霍爾傳感器，實驗室開發(fā)出霍爾器件自動控制單元，配上實驗室已有的計數(shù)器，用于測單擺和三線擺的周期；配上數(shù)字萬用表的頻率擋或示波器測物體轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)速。

光敏電阻或光敏二極管類光敏傳感器的特性實驗，在闡述物理特性的基礎(chǔ)上，再開發(fā)它的應(yīng)用。如將220 V聲光雙控延時開關(guān)改裝為低電壓(交流18 V)下演示聲光控延時功能，其電路中光敏電阻的作用則不難理解了。類似的用光敏二極管設(shè)計出路燈自動控制裝置等。

這類開發(fā)出的演示裝置，雖然簡陋，但很能說明問題，學(xué)生演示觀看后印象很深，開闊了學(xué)生的實驗思路。

2.2.4 組織設(shè)計性實驗教學(xué)

實驗室在組織設(shè)計性實驗教學(xué)時，必須利用已有器材或少量補充器材，規(guī)定實驗條件，做好實驗選題、提出適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)要求及學(xué)生獨立完成程度，以防止要求過高而使低年級學(xué)生難于達(dá)到實驗結(jié)果[13]。

開設(shè)設(shè)計性實驗對教師提出了新要求，因面對的是低年級的工科學(xué)生，教師必須根據(jù)實驗選題先試做，編寫出實驗指導(dǎo)書及小論文模板。教學(xué)用連續(xù)3周實驗課時間完成。① 教師講課，介紹設(shè)計性實驗的要求、如何查找資料、如何寫實驗選題的方案，方案中應(yīng)重點分析系統(tǒng)誤差，在實驗原理、誤差分配、儀器選擇、儀器操作、數(shù)據(jù)處理等方面考慮系統(tǒng)誤差的作用及如何化解之；設(shè)計出實驗驗證方案的程序；對小論文的要求等。② 教師審查學(xué)生的實驗方案，組織討論，在學(xué)生明確實驗要求后，進(jìn)行實驗，驗證方案的可行性，得出實驗數(shù)據(jù)，回去寫小論文。③ 輔導(dǎo)寫小論文，大多數(shù)學(xué)生有筆記本電腦，可讓他們利用電腦回答諸如科技類論文應(yīng)怎樣寫、實驗方案如何闡述、在論文結(jié)束語中小結(jié)出實驗的結(jié)果等低年級學(xué)生的疑問；及論文中排版、輸入數(shù)學(xué)公式、圖表的問題需要指導(dǎo)解決。目前，開設(shè)出單擺法測重力加速度的實驗研究、用補償原理“改裝”電表、發(fā)光二極管基本特性的研究、金屬細(xì)絲直徑的測定、光敏傳感器特性及應(yīng)用、溫度傳感器特性及應(yīng)用等設(shè)計性實驗選題，經(jīng)過幾屆學(xué)生的教學(xué)實踐取得滿意的效果。

2.2.5 引入實驗數(shù)據(jù)處理教學(xué)方法

實驗數(shù)據(jù)處理是物理實驗教學(xué)的重點。在物理實驗中大多的實驗數(shù)據(jù)處理是作統(tǒng)計計算，如求平均值，計算實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，進(jìn)而求測量不確定度；能夠用逐差法處理的實驗數(shù)據(jù)，也能夠用線性擬合處理，則強調(diào)用線性擬合方法處理。實驗室購置運算能力強、統(tǒng)計計算較簡潔的科學(xué)計算器，提供給學(xué)生在課堂上作運算使用。為數(shù)據(jù)處理節(jié)約大量時間，這也是學(xué)生在2節(jié)課時間內(nèi)完成實驗且上交實驗報告的一個重要原因。

另外，又創(chuàng)新性提出了mathstudio等手機APP，幫助學(xué)生進(jìn)行更快捷數(shù)據(jù)分析和處理，甚至作圖[14-15]。教師只需要告知學(xué)生下載安裝手機APP，并介紹幾種典型的數(shù)據(jù)處理的使用方法。學(xué)生通過幾次實驗課之后，基本可以熟練掌握APP使用方法，不僅節(jié)約了實驗室計算器、計算機等設(shè)備的采購成本，更方便學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)梳理，還大大節(jié)約了課堂時間。

除以上兩種方式外，部分實驗項目也可穿插用計算機origin、excel等軟件處理實驗結(jié)果。尤其是設(shè)計性實驗的小論文，必須依靠此類軟件完成數(shù)據(jù)處理，也是對學(xué)生能力的訓(xùn)練和提高。

2.3 開設(shè)文科物理實驗公選課

獨立學(xué)院文科專業(yè)學(xué)生多，且很多學(xué)生對物理實驗感興趣，在實驗室儀器設(shè)備等安排仍有空余的情況下，為文科學(xué)生開出物理實驗公選課，通常為1個學(xué)分，16學(xué)時。開出“文科物理實驗—電學(xué)篇”，計7個電磁學(xué)實驗；“文科物理實驗—光學(xué)篇”計7個光學(xué)實驗。每學(xué)期報名選修的學(xué)生頗多。為提高文科生的實驗?zāi)芰Γ囵B(yǎng)文理兼通人材發(fā)揮作用。

2.4 普及物理演示實驗教學(xué)

物理演示實驗通過對具體物理現(xiàn)象的演示，將抽象的物理理論形象化，幫助學(xué)生定性觀察物理現(xiàn)象，增加感性認(rèn)識。它在演示中傳授物理基礎(chǔ)知識，將學(xué)生在課堂上累積的抽象自然科學(xué)知識，給予實驗驗證，激發(fā)學(xué)生的興趣，對培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和思維能力都有重大的作用。

隨著科技的進(jìn)步，演示實驗的內(nèi)容在不斷發(fā)展與更新，其內(nèi)容豐富，形式多樣。學(xué)校在籌建物理實驗室時，就初步建起了演示實驗室。近幾年來，根據(jù)力、熱、電、光、現(xiàn)代新技術(shù)應(yīng)用，逐漸購置新器材，完善配套，使之形成系列。

在大學(xué)物理課中，除方便攜帶的隨課堂演示外，還單獨安排2學(xué)時的集中演示，讓工科學(xué)生對感興趣的項目操作試做；在文科物理實驗教學(xué)中安排的一次課的集中演示。此外，在社會公眾日，學(xué)院安排或?qū)ν忾_放，開展科學(xué)普及工作。

2.5 完善實驗教學(xué)考核

一個學(xué)期開完的物理實驗課，課時受限，由于采用實驗教師隨班組教學(xué)，加強平時對學(xué)生每個實驗項目的考核，設(shè)計性實驗一般安排在學(xué)期的后半段，因此，大學(xué)物理實驗課程的考核采取考查的方式，學(xué)生實驗成績采取平時考核成績與設(shè)計性實驗成績加權(quán)平均，最終按5級記分制綜合評定。

2.6 加強師資隊伍建設(shè)

沒有一支結(jié)構(gòu)合理、高素質(zhì)的實驗教師與管理隊伍，實驗教學(xué)改革，實驗教學(xué)示范中建設(shè)是不可能的。實驗教學(xué)與管理人員學(xué)歷高只是一個資質(zhì)條件，還必須分別制定出實驗教師教學(xué)工作細(xì)則，與管理人員工作細(xì)則。特別是教師隨班組教學(xué)模式更要制訂好交接班制度。實驗室定期召開實驗教學(xué)與管理研討會，交流教學(xué)經(jīng)驗提高教師教學(xué)水平，交流解決儀器管理及設(shè)備維護(hù)中的問題，提高實驗管理人員的管理水平。安排實驗教學(xué)人員參觀兄弟院校、參加區(qū)域性的實驗教學(xué)與管理培訓(xùn)班也是師資隊伍建設(shè)的一條措施。

3 結(jié) 語

本世紀(jì)初開辦的獨立學(xué)院，經(jīng)過10余年的建設(shè)歷程，已初具規(guī)模，提高教學(xué)質(zhì)量培養(yǎng)出合格的人材，是學(xué)校的責(zé)任所在。作為實驗科學(xué)的基礎(chǔ)課程，物理實驗課在工程技術(shù)人材及文理兼通人材培養(yǎng)中具有不可替代的作用。物理實驗教學(xué)中心參與學(xué)院的各項教學(xué)改革項目，進(jìn)行教學(xué)改革，使物理實驗教學(xué)體系逐漸完善，并形成自己鮮明的教學(xué)模式，具有一定的特色。實驗中心也將繼續(xù)完善，推進(jìn)實驗示范中心建設(shè)，引領(lǐng)獨立學(xué)院的基礎(chǔ)實驗中心建設(shè)，辦成優(yōu)秀和獨具特色的省級大學(xué)物理實驗教學(xué)示范中心。