地方高校《近代物理實驗》課程教育教學的幾點思考*

王永佳，李慶峰

(湖州師范學院理學院，浙江 湖州 313000)

1 引言

眾所周知，物理學的建立與發展離不開實驗，物理學的大廈是建立在實驗的基礎上，實驗是檢驗物理學理論的唯一手段。實驗不僅對物理學的發展有重要的意義，其對學生掌握物理學相關知識、訓練實際動手能力、培養創新精神等也有十分重要的作用。國內外高校物理學專業學生都要進行《普通物理實驗》和《近代物理實驗》等實驗課程的學習和訓練，其中《近代物理實驗》是一門綜合性很強的實驗課，具有涉及知識面的廣度和深度都較強、多學科交叉等特點，是物理實驗的重要組成部分，綜合了物理學專業學生學過的力學、熱學、光學、電磁學、電子線路等理論課程以及相應的實驗課程，對學生融合貫通大學期間學過的多門課程有重要作用。近代物理實驗所包含的內容涉及許多物理學研究及實踐中的最新內容，是學生了解近代物理學發展和當代物理前沿的重要途徑，也是學生了解微觀世界最常用的手段。本實驗課程的學習，能使學生掌握近代物理學發展過程出現的具有劃時代意義的重要實驗的基本思路、方法和技術，以及對近代物理學發展的影響；加深對有關物理概念的理解，并對相關知識和概念產生、發展、演化的過程有一定了解，培養學生細致觀察的習慣和嚴謹的科學作風。因此做好《近代物理實驗》課程教學有十分重要的意義。

2 近代物理實驗的特點

近代物理實驗由于其研究對象的特殊性（如微觀特性），導致近代物理實驗有別于其它物理課程實驗，主要區別有：

（1）所用實驗設備昂貴，一般高校配備的設備數目少。如一臺教學用的激光拉曼實驗儀至少需要10 萬元。

（2）實驗相關的背景理論知識有一定的深度和廣度。如核磁共振實驗，涉及原子物理學、電動力學等相關知識，而光敏傳感器實驗又涉及復雜的半導體物理知識。

（3）實驗現象不易觀察。如塞曼效應實驗，要細致調節光路，仔細觀察微小的干涉條紋變化。

（4）一般實驗過程復雜、耗時長。如全息照相實驗，首先要細致調節光路，待光路穩定后曝光拍攝，然后沖洗、顯影、定影、晾干，最后再觀察，整個過程中任何一個環節出現微小差錯都會導致實驗失敗，需要重頭再來。這些因素導致《近代物理實驗》課程的開展比一般實驗課難度高。

3 地方高校開展《近代物理實驗》的困境以及思考

國內外重點大學的《近代物理實驗》課程教學一般都有龐大的高水平教師團隊和充裕的經費保障，如武漢大學的《近代物理實驗》采用“選擇開放”式教學模式，即不規定實驗時間和次數、不安排學生的實驗順序，學生可以隨時到實驗室來做實驗，實驗室采用任課教師與高年級研究生協調管理的模式，使實驗室從周一到周日、早上8:30 到晚上22:00 都可以對學生開放。如上海交通大學有專門的網上預習和選實驗課題系統，學生可以靈活選擇實驗內容和實驗時間。顯然這種方式對激發學生學習興趣和培養學生科研態度都有很大好處，但此方法在地方高校推廣有一定難度。地方高校由于經費相對缺乏、師資力量相對薄弱，開展《近代物理實驗》有一定限制，探究如何更高效的在地方高校開展《近代物理實驗》教學十分有必要。由于地方師范類高校肩負著培養未來中小學教師的重任，如何讓學生從《近代物理實驗》課程教學中有收獲，更高效的實現課程培養目標，是非常值得研究和深思的課題。

一般地方性高校在投入有限的情況下，為了保證能開設更多的實驗課程，通常每個實驗的儀器都只購買1-2 臺，而且通常這些儀器上都盡可能安排好幾個內容相近的實驗，以此增加實驗設備的使用率和開設實驗的項目數。如我校使用的光敏傳感器實驗平臺上，就可以開展光敏電池、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等器件的光譜特性、溫度特性、光照特性等多個內容的研究。這些實驗內容、原理大致相近，可由學生自主選擇其中一個進行實驗。解決儀器套數少的另一個辦法是學生分批次、同時進行多個實驗，這也是目前國內大多數高校開展《近代物理實驗》教學的通用做法。此辦法的開展需要有充分的師資做保障，在一般地方高校實施起來仍然有一定困難。教師可以在分組時，適當考慮每組學生的能力水平，并且在每組學生中選擇責任心較強的同學擔任組長，課前對組長進行相關培訓，組長協助教師負責管理實驗開展，這樣能有效提升教學效果。此外，還可以讓已經做過某個實驗的學生給下一個批次的學生進行講解，這樣即能鞏固第一批同學掌握的知識，也能對學生的師范技能進行鍛煉，這對于地方師范類高校的學生尤為重要。與普通物理實驗相比，近代物理實驗由于其儀器的一般都較昂貴，而且套數較少，所以學生在做實驗時需要一定的監督和管理，但在分批次教學的情況下，授課教師很難顧及多個實驗室的情況。在實際教學中，可以讓組長以及已經做過這個實驗的學生充當教師的角色，這樣可以一定程度上解決此類問題。

近代物理實驗涉及的項目涵蓋近代物理的方方面面，幾乎每個實驗背后都是一門新興的學科和方向，所以對教師的要求較高。如果沒有一定的理論知識做背景，實驗的開展將非常的困難，即便做完了實驗，學生也很難真正理解其中的道理。在實際授課中需要精選一些近代物理中具有劃時代意義的實驗，對于涉及理論知識較深的實驗項目，可以選講部分內容，重點引導學生發現這些重要實驗的價值和意義。數據和結果處理環節也是實驗課程的重要內容，《近代物理實驗》由于其復雜性，一般實驗結果與預期的理論值之間可能會存在較大差距，這時要引導學生正確的分析產生差異的原因、實驗中可能存在的問題等等，必要時還要多次重復實驗。

在《近代物理實驗》的教育教學過程中，有豐富的課程思政元素可以融入。引導學生養成百折不撓，細致鉆研的科學研究精神，以實際行動影響學生建立正確的實驗研究方法和習慣。

4 總結

實驗課有別于理論課的一個主要區別在于，學生自主的探索和發現。對于近代物理實驗，由于儀器設備的特殊性，一方面不能讓學生隨意改變儀器設定；另一方面對學生有準備和考慮的自由探索也需要積極鼓勵，容許學生做適當的探索。實驗報告的撰寫也是學生養成良好科學研究習慣的重要部分，要重點引導學生科學的進行數據分析和論述，積極鼓勵學生探索實驗結果與理論值有差異的原因，對于質量較高的實驗報告和自由探索內容，進行凝練后可以發表相關論文。

此外，對于一些有危險性（如放射性）的實驗項目，可以采用虛擬仿真的形式開展，在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上已經有幾十個物理學相關的實驗項目，可以為地方高校開展近代物理實驗提供幫助。這些虛擬仿真實驗項目，仿真度高，使用方便，而且免費開放，將會使更多的學生受益。如我校開發的重離子加速器中的原子核碰撞虛擬仿真實驗項目，該項目是以我國蘭州重離子加速器相關設備為模板，利用計算機3D 建模，內置微觀輸運模型，能仿真重離子加速器工作的整個流程以及分析重離子碰撞的動力學過程，對學生了解重離子碰撞相關知識有一定幫助。