在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)精神

張 璇 韓 哲 黃洪云

唐山學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 河北唐山 063000

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是學(xué)生在大學(xué)階段學(xué)習(xí)其他實(shí)驗(yàn)課程的基礎(chǔ)，在物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)理念解決理論問題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新精神，教會學(xué)生用科學(xué)精神面對未來的學(xué)習(xí)和挑戰(zhàn)。科學(xué)精神是一個傳統(tǒng)的概念，其內(nèi)涵概括起來應(yīng)該有以下幾點(diǎn)：一是不斷追求真理，勇于超越前人的創(chuàng)新精神；二是尊重客觀規(guī)律，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的精神；三是互助友愛，緊密團(tuán)結(jié)的協(xié)作精神；四是刻苦鉆研，默默付出的奉獻(xiàn)精神。科學(xué)精神是人們在學(xué)習(xí)和科學(xué)研究活動中必須具有的品質(zhì)，科學(xué)精神也是科學(xué)研究活動取得重大突破和成就的精神源泉。

1 引入物理學(xué)史培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)精神

物理學(xué)史本身就是一部閃耀著哲學(xué)光輝的學(xué)科，包含豐富的教育思想和理念的著作，在物理實(shí)驗(yàn)課程當(dāng)中引入物理學(xué)史的物理實(shí)驗(yàn)課程改革的重要內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)物理學(xué)史對學(xué)生科學(xué)精神培養(yǎng)方面的教育意義和價值。如光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)是近代物理重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，在講授此實(shí)驗(yàn)時引入光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的歷史背景，一定頻率入射光照射金屬表面會有光電子逸出，最早是在1887年德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時他不能解釋的現(xiàn)象是當(dāng)紫外線照射金屬表面更易發(fā)生光電效應(yīng)；哈爾瓦克在1859年做了一系列實(shí)驗(yàn)證明了光電子逸出金屬表面起作用的是紫外線，且金屬表面逸出的肯定是負(fù)電荷；在前人工作的基礎(chǔ)上德國物理學(xué)家勒納德通過磁偏轉(zhuǎn)法證明了光電效應(yīng)的重要性質(zhì)光電子數(shù)目隨光的強(qiáng)度增加而增加，可是光電子的動能只與光的頻率有關(guān)，與光的強(qiáng)度無關(guān)，并在1905年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。通過光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及相關(guān)理論的發(fā)展過程和不斷完善，同學(xué)們追求真理，勤奮學(xué)習(xí)，具備不斷超越前人的創(chuàng)新精神。

驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)中，介紹相關(guān)的物理學(xué)家牛頓，牛頓雖然不是一名實(shí)驗(yàn)者，但他善于思考問題，他像愛因斯坦一樣在腦海里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程，他會非常專注地想一件事情很久，直到得出理想的答案為止，正如牛頓所說：“把問題擺在面前，然后開始等待，一直等到出現(xiàn)第一縷曙光，接著漸漸變得清晰，最后豁然開朗。[1]”一直困擾牛頓的一個問題就是“物體的運(yùn)動是什么力維持的？”他在伽利略的自由落體運(yùn)動定律和開普勒的天體運(yùn)動定律的基礎(chǔ)上，集中精力研究、思考，廢寢忘食地刻苦鉆研，終于在1666年，牛頓創(chuàng)立了牛頓運(yùn)動三定律，這些定律除了能解釋日常生活的許多現(xiàn)象之外，還為微積分的發(fā)明和地球引力的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了必要條件，1684年讓·皮卡爾精確地計(jì)算了地球的半徑和質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，牛頓利用物體運(yùn)動三定律和重力方程式準(zhǔn)確計(jì)算了行星運(yùn)動的真實(shí)軌跡[2]。

物理學(xué)家和物理學(xué)史是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一部分，是重要的教學(xué)資源，學(xué)生通過學(xué)習(xí)物理學(xué)史會更深刻的了解偉大的物理學(xué)家伽利略、牛頓、愛因斯坦、居里夫人[3]……，但真正觸碰學(xué)生精神的是物理學(xué)家們的精神，他們不屈服于權(quán)威，努力探索追求真理，勇于創(chuàng)新，為實(shí)證自己的想法緊密合作，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)，他們?yōu)榱藝业目茖W(xué)研究和社會進(jìn)步甘愿奉獻(xiàn)一切。

通過物理學(xué)史的引入和學(xué)習(xí)，學(xué)生會更深刻理解重大科學(xué)成就和研究成果的背后，是無數(shù)科學(xué)家追求真理創(chuàng)新、堅(jiān)貞不屈的毅力、艱苦卓絕的奮斗。通過物理學(xué)史培養(yǎng)大學(xué)生不畏懼困難、勇于登攀、渴望真理、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、通力合作和勇于獻(xiàn)身的科學(xué)精神。而現(xiàn)在的大學(xué)生在學(xué)習(xí)生活中遇到困難就會生畏，缺乏堅(jiān)韌不拔的精神和毅力，通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，使他們增強(qiáng)克服困難的信心和主動學(xué)習(xí)的精神并激發(fā)愛國熱情。

2 引入哲學(xué)思想培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)精神

物理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就是檢驗(yàn)相關(guān)理論，由于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，總會有現(xiàn)有理論不能解釋的現(xiàn)象，面對這樣的選擇我們能做的就是堅(jiān)持實(shí)事求是，如學(xué)生做改裝電流表的實(shí)驗(yàn)時，根據(jù)測量改裝表的內(nèi)阻計(jì)算分流電阻的阻值，能按照老師的要求正常操作，但測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)常常有很大誤差，要求學(xué)生逐一排除實(shí)驗(yàn)儀器，找到實(shí)驗(yàn)誤差所在；實(shí)證改裝電流表存在問題，誤差的根源在于實(shí)驗(yàn)用改裝表內(nèi)阻值測量不夠精準(zhǔn)或分壓用電阻箱阻值不夠精準(zhǔn)，而電阻箱阻值不夠精準(zhǔn)的原因是由于實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度影響和設(shè)備長期閑置。通過具體實(shí)例告訴學(xué)生要堅(jiān)持實(shí)事求是，尊重客觀規(guī)律，去追求客觀真理。

學(xué)生要堅(jiān)持實(shí)事求是的思想去對待物理世界，同時也要讓學(xué)生深刻意識到物理世界的對立統(tǒng)一，如質(zhì)量和能量、引力和斥力、波動性和粒子性。同時物理世界充滿了相對性，如對不同的參考系物體的運(yùn)動狀態(tài)是不一樣的，物理定義、規(guī)律的相對性，如驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，它是動力學(xué)中的基本定律，即任何物體系統(tǒng)如無外力做功或外力做功之和為零，系統(tǒng)內(nèi)又只有保守力做功時，則系統(tǒng)的機(jī)械能保持不變。所以學(xué)生要學(xué)會從不同的角度看問題，看問題的角度不同會得到不同的結(jié)論，教會學(xué)生在絕對和相對的對立統(tǒng)一關(guān)系中了解發(fā)展的動力源泉、根本內(nèi)容和實(shí)在過程，并在此基礎(chǔ)上嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、開拓創(chuàng)新。

3 教學(xué)改革培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)精神

3.1 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

物理實(shí)驗(yàn)課的上課環(huán)節(jié)分為課前預(yù)習(xí)、課上實(shí)驗(yàn)、課后作業(yè)及答疑、結(jié)課考核，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，把這些高科技教學(xué)手段應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)課的各個環(huán)節(jié)，可以達(dá)到事半功倍的效果。

物理實(shí)驗(yàn)上課前要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，并寫好預(yù)習(xí)報告，如果學(xué)生預(yù)習(xí)的參考資料匱乏，預(yù)習(xí)困難，原因在于對實(shí)驗(yàn)中用到的儀器設(shè)備一無所知，而且參考課本上實(shí)驗(yàn)設(shè)備的描述和圖片是抽象模糊的，很難達(dá)到預(yù)習(xí)的理想效果，為了解決預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)遇到的種種問題，我們開通了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，在這個平臺上傳3D視頻，學(xué)生通過視頻了解復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、使用方法、注意事項(xiàng)等，這樣學(xué)生會對相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用了如指掌，為課上實(shí)驗(yàn)做好理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，同時學(xué)生會心情愉悅、信心滿滿地去上課，將會取得更好的實(shí)驗(yàn)效果和教學(xué)效果。

學(xué)生課上實(shí)驗(yàn)主要是以操作為主，操作過程中學(xué)生會出現(xiàn)問題，操作基本完成后，不會急于告訴學(xué)生問題所在，而是以小組形式集中討論操作過程中出現(xiàn)的問題，要求每個學(xué)生各抒己見，并評選最佳小組，以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和集體榮譽(yù)感。討論結(jié)束后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題是否正確，需要自己來驗(yàn)證，要借助于網(wǎng)絡(luò)平臺的仿真實(shí)驗(yàn)平臺和MOOC平臺，學(xué)生根據(jù)視頻演示實(shí)驗(yàn)找到自己操作過程中的錯誤和不當(dāng)之處，集中總結(jié)并糾正，在課上集中改正操作，并獲取正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若時間不允許學(xué)生糾正或重做實(shí)驗(yàn)可以在下次上課之前的開放實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)完成，所以借助于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺學(xué)生更精準(zhǔn)地掌握每個實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的原理及使用，為以后的實(shí)驗(yàn)過程做好理論基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)學(xué)生的語言表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作精神、集體榮譽(yù)感。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成之后，要求學(xué)生課后對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方法的處理、誤差計(jì)算及相關(guān)誤差分析，有部分學(xué)生也會存在相關(guān)問題，要求老師及時指導(dǎo)和解答，此時我們會借助微信公眾號，實(shí)現(xiàn)了與學(xué)生隨時通信，及時解決問題，充分利用課余時間，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂。老師除了通過微信平臺上傳實(shí)驗(yàn)教材、實(shí)驗(yàn)報告、相關(guān)圖片等，最重要的是學(xué)生在課后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程中遇到問題，可以通過語音、圖片、視頻及時與老師和同學(xué)交流溝通，老師可以對同學(xué)們存在的共性問題集中解答，從而實(shí)現(xiàn)老師學(xué)生的合作交流，提高學(xué)生的嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)精神、團(tuán)結(jié)合作精神，同時學(xué)生可以通過微信平臺隨時查閱資料、交流、提問，這樣學(xué)生能充分利用碎片化的時間和課余時間，使學(xué)生能精確掌握所學(xué)知識，能及時解決問題，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂，同時增強(qiáng)了學(xué)生的自信心和奉獻(xiàn)精神。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，除了上傳相關(guān)實(shí)驗(yàn)的理論知識，相關(guān)儀器設(shè)備的應(yīng)用及原理的3D視頻，MOCC視頻，開通微信公眾號，加深學(xué)生對理論知識和實(shí)驗(yàn)的理解，利用平臺給學(xué)生提出問題、設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生進(jìn)行交流、合作；利用平臺查閱相關(guān)資料，完成問題、加深了學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解，可以更牢固地掌握基本原理和實(shí)驗(yàn)方法；在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中學(xué)以致用，課后討論解決問題，利用碎片化的時間完成課堂反轉(zhuǎn)，提高教學(xué)效果和效率，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)他們的自信心和解決問題的能力。

3.2 進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)

開放的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有兩部分，一是課上實(shí)驗(yàn)存在問題，通過討論之后沒有糾正，或者實(shí)驗(yàn)有項(xiàng)目操作過程比較煩瑣，課上時間無法做到游刃有余，比如說分光計(jì)實(shí)驗(yàn)測定三棱鏡的頂角最難的地方就在分光計(jì)的調(diào)試和使用上，大部分學(xué)生經(jīng)過課下預(yù)習(xí)和課上實(shí)驗(yàn)不能很好地把握，需要課下反復(fù)調(diào)試，學(xué)生熟悉之后會對學(xué)生提出新的要求，如分光計(jì)課上要求學(xué)生測量三棱鏡的頂角，開放實(shí)驗(yàn)學(xué)生更加熟悉分光計(jì)的使用之后，要求學(xué)生測量三棱鏡的折射率，這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目會定期對學(xué)生開放，來解決課上遺留的問題，同時也加深了對實(shí)驗(yàn)理論的理解和對實(shí)驗(yàn)儀器的熟練使用，以達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果；另一部分是開放設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時和上課時間的限制，每個學(xué)期課只開設(shè)一個設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，為了培養(yǎng)學(xué)生思維和獨(dú)立解決問題的能力，充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺給同學(xué)們提出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的要求，通過小組查閱資料和集體討論，完成相關(guān)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。目前設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要在光學(xué)平臺上完成，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有自組望遠(yuǎn)鏡、測量凸透鏡焦距、平行光的產(chǎn)生與檢驗(yàn)、偏振光的產(chǎn)生與檢驗(yàn)；通過開放實(shí)驗(yàn)學(xué)生的思維能力、動手能力、解決問題的能力會大幅提升，在此基礎(chǔ)上組織學(xué)生參加校級物理實(shí)驗(yàn)競賽和省級、國家級的物理實(shí)驗(yàn)比賽，每一項(xiàng)比賽都是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，且由小組合作完成，這正是21世紀(jì)高科技信息時代對人才提出的新要求，團(tuán)結(jié)協(xié)作精神是時代的需要，我們必須在物理教學(xué)倡導(dǎo)與他人合作的科學(xué)精神[4]，實(shí)行實(shí)驗(yàn)室開放，參加各級實(shí)驗(yàn)競賽，鼓勵學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)團(tuán)結(jié)協(xié)作克服困難；同時可利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)、不同學(xué)校間大學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作，高校學(xué)生的相互協(xié)作有利于更好地發(fā)揮個人才能，更容易取得個人成功。

3.3 改革考核方式

物理實(shí)驗(yàn)課為考查課，一般考核方式都非常簡單，比如寫一篇學(xué)習(xí)心得或完成一份實(shí)驗(yàn)報告等，這樣限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，所以要提高學(xué)生的積極性，要對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程考核方式進(jìn)行改革。把學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒉僮髂芰徒鉀Q問題的能力作為主要的考核指標(biāo)，新的考核方式摒棄掉了一份實(shí)驗(yàn)報告來決定學(xué)生最終成績的片面的考核方式。參加考核的學(xué)生抽簽實(shí)驗(yàn)操作，限時完成，當(dāng)場打分，操作成績會占總成績的40%；另外進(jìn)行的是一個多元化的考核方式，實(shí)驗(yàn)中的每個環(huán)節(jié)都會占考試成績的一定比例，如預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)10%、課上操作10%、課上討論10%、課下數(shù)據(jù)處理10%、開放實(shí)驗(yàn)10%、實(shí)驗(yàn)競賽10%，這樣每個環(huán)節(jié)都不會被忽視，學(xué)生也會盡力做最好的自己，提升學(xué)生在學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中的主體作用，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探索精神、數(shù)據(jù)處理能力、思維能力、數(shù)據(jù)分析能力和創(chuàng)新能力。同時考核的好多環(huán)節(jié)是以小組的形式合作完成的，這樣增強(qiáng)了學(xué)生互相交流的信心和團(tuán)隊(duì)合作精神，這是新時代科學(xué)精神的基本要求，為學(xué)生將來工作中的合作和交流提供基礎(chǔ)保障。

結(jié)語

物理學(xué)與哲學(xué)有著密切相關(guān)的關(guān)系，物理學(xué)曾被稱為自然哲學(xué)，也就是物理學(xué)是哲學(xué)的一部分，牛頓運(yùn)動三定律和萬有引力定律都來源于牛頓的哲學(xué)巨著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》[5]；通過物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，學(xué)生知道許多物理學(xué)的新理論與哲學(xué)思想有解不開的淵源，同時物理學(xué)理論又反作用于相關(guān)哲學(xué)思想，物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)給哲學(xué)思想提供重要論證依據(jù)，而哲學(xué)則為物理學(xué)指明了前進(jìn)的方向，如能量守恒定律發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)是康德哲學(xué)，同時能量守恒定律是康德哲學(xué)成為辯證唯物主義的重要依據(jù)，所以將物理學(xué)史和哲學(xué)思想引入物理實(shí)驗(yàn)課程是由它們之間密切的關(guān)系決定的，這樣能讓學(xué)生了解相關(guān)物理理論的源頭，使學(xué)生融會貫通地學(xué)習(xí)，才能做到應(yīng)用自如，還能更好地掌握科學(xué)知識，從而更加有效地服務(wù)人類和社會。物理實(shí)驗(yàn)是研究物理理論、定律的重要手段，長期以來物理實(shí)驗(yàn)輕視了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力、實(shí)驗(yàn)思想、創(chuàng)新思維等各方面能力，重視物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研究改革并有效實(shí)施合理的物理實(shí)驗(yàn)考核方案，對培養(yǎng)學(xué)生追求真理不斷創(chuàng)新、實(shí)事求是不斷求證、團(tuán)結(jié)協(xié)作無私奉獻(xiàn)的時代精神都有重要意義。