自制儀器對應用型本科院校大學物理實驗教學的影響

摘 要：主要針對目前在應用型本科院校大學物理實驗教學中，實驗基礎設施不夠完善、實驗課不單獨開設、不受非物理專業學生重視，實驗儀器無法滿足教學發展需求，導致實驗教學環境較差，實驗教學效果一般，實驗教學內容無特色，教師教學能力有限等問題，提出應用型本科院?？梢圆捎米灾苾x器的方法來解決此類問題。自制儀器具有制作方法簡單易行，取材方便，貼近教學的特點，既能改善大學物理實驗教學環境，促進教學效果的提高，又能夠提高教師對大學物理實驗教學能力，為培養一流的應用型實踐創新人才打好堅實的實驗基礎。

關鍵詞：自制儀器；應用型本科院校；大學物理實驗教學

一、前言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》第七章第22和第十一章31條非常明確地指出，要引導高校尤其是應用型本科院校辦出特色，優化學科專業結構，緊密結合地方經濟社會發展需求，樹立多樣化人才觀，系統化人才觀，大力培養應用型、復合型、技能型、創新型人才等。這是方向性指引，為應用型本科院校的發展開闊了視野，指明了方向，要以培養應用型實踐創新人才為目標，明確自身優勢，走高校本身特色的發展道路，道路上的發展必須離不開大學物理實驗。

大學物理實驗既是學生理論知識運用的檢驗工具，又是學生掌握物理知識和物理思維方式的關鍵環節，旨在鍛煉學生的實驗設計和操作能力，提高學生獨立思考、解決問題的能力。在實驗操作過程中，學生需要積極溝通、合作配合，培養團隊精神和創新能力，同時也能鍛煉處理實驗數據的能力。而許多應用型本科院校在大學物理實驗教學中，仍存在著類似的三大問題：第一，實驗教學環境較差。實驗儀器的更新速度慢，導致一些老舊設備無法跟上時代腳步，也不能信息共享，滿足不了新的教學科研需求；實驗教學經費投入少，導致部分實驗儀器精度不夠、教與學的儀器不配套。第二，實驗教學效果一般。實驗儀器是現成且枯燥的，無需動手組裝也與日常生活聯系較少，激發不起學生的興趣，導致實驗教學效果不佳；現有實驗儀器與特色專業相關程度較低，要采購到完全適合本校特色專業的教學儀器是比較困難，導致得不到非物理專業學生的重視，影響實驗教學效果。第三，教師實驗教學水平能力有限。沒有開設物理專業，物理實驗課只是公共基礎課，教師對實驗這塊重視度不夠，花的心思少；實驗課的課時少，數量少，而且只能在基礎實驗中挑選，導致教師接觸的實驗有限，能力得不到提升。這些問題都困擾著應用型本科院校教師，在這樣的實驗教學環境中進行教學，使其無法專注于大學物理實驗教學水平的提高，影響著高校大學物理實驗教學的效果。解決這個問題的一個有效途徑就是自主研制和開發適合自己教學需要的實驗儀器，尋找適合應用型本科院校特色的自制儀器。

所謂自制儀器，是指市場無定型產品或雖有定型產品但質量功能不能滿足使用要求或制作價格較高的儀器。大學物理實驗課程教學的改革、創新和發展，與它密切相關。師生就地取材進行教具的自制，可以輔助物理概念的教學，實驗教學不再局限于實驗室的儀器和學生實驗的課程安排，為物理實驗教學提供了更多自主探究的機會。

隨著時代的發展、科學技術的不斷進步，人類社會對應用型實踐創新人才的需求越來越高。應用型本科院校大學物理實驗教學也迫切需要尋找一條能夠提高教學效果，體現高校本身特色的發展道路。這就是鼓勵高校采用以培養應用型實踐創新人才為目標進行大學物理實驗自制儀器的特色研發之路。

二、自制儀器對大學物理實驗教學的影響

（一）自制儀器能改善大學物理實驗教學環境

1、加快儀器更新速度、實現信息共享，改善實驗教學環境

關于實驗儀器的發展趨勢，國家一直強調，“科技創新”“科技強國”“大國重器”“儀器共享”，這就足以看到國家對儀器的發展的重視性?？茖W技術的進步不斷對儀器提出更高更新的要求，以便于提高教學效率。

而目前各應用型本科院校的大學物理實驗教學環境中存在儀器更新慢、普遍老舊問題，甚至部分實驗還在采用2010年生產的儀器甚至更久遠，這就為實驗教學中新信息的接收產生了很大的障礙。我們肯定，老舊的儀器在過去的實驗教學里發揮著不可替代的作用，但是隨著科學時代的發展，對學生的教育要與時俱進，大步往前走。例如在講授《萬用表的使用》這一實驗時，可以介紹指針式萬用表的原理、使用方法，但使用的儀器得是數字萬用表，讓學生學會使用數字萬用表來測電學值，比如二極管的正反向電阻、正向導通電壓值，人體頭發和手臂的電阻值等。

針對此問題，我們必須從根源入手，采用自制儀器方式來解決儀器更新慢的問題，將老舊型號的實驗儀器進行改造或者自行研發新儀器，順應時代的發展。與此同時，通過自制儀器，利用網絡有線連接或者無線連接，使實驗教學儀器能夠實現最基本的數據采集、視頻信號傳輸的功能，實現實驗信息的共享。能讓多臺實驗儀器的數據聯通起來，甚至還能遠程多臺實驗儀器，方便實驗教師進行教學。例如在《方波的合成》實驗中，學生在各自示波器上進行操作，由于每個組學生基礎水平不同，進展不同，遇到的有各有各樣的問題，由于老師不能實時觀察到每個組的情況，就得不到反饋，不能及時解決遇到的問題，從而影響到教學效果。采用自制信息共享儀器，就可以讓老師隨時觀察，指出每個組的問題，引領學生更好更快地完成實驗，提高實驗教學效率，營造良好的實驗教學環境。

2、獲得合適儀器精度、讓教與學配套，改善實驗教學環境

絕大部分的應用型本科院校要進行大學物理實驗教學，就要購買該物理實驗的儀器，會在儀器生產廠家間進行招標，購置標準儀器。由于這些標準儀器的設計者并不是使用者，沒有深入到物理實驗課堂中，不清楚物理實驗教學要求，就造成不能夠完全站在使用者的角度上進行設計，這些儀器很好，但與要求的實驗數據精度不同，與所教授的實驗教學內容不能完全配套，這會導致營造的實驗教學環境是實驗教學測量精度不夠，所教的與學生所使用的儀器并不配套。

我們可以通過自制儀器來解決，自制的實驗儀器是高校根據自身需求、特色，可以說是量身定做，因此教師在自主研發實驗儀器時，在儀器精度方面，為避免出現精度不夠、數據結果有誤的情況，可根據自身實驗教學需求，通過理論論證、實踐操作儀器的精度和需要測量的實驗數據，通過反復論證和實踐總結出來，就會得到最佳儀器精度和數據結果。在不配套方面，為滿足自身實驗教學需求，在自主研發儀器時，將教學設計融入進去，讓儀器本土化，為實驗教學服務。可以把實驗原理圖解加入儀器中，讓復雜的原理簡單化，簡單的問題明了化，也可以讓儀器更加有整體教學演示性，更具有直觀性，學生可以掌握實驗原理、直觀觀察實驗現象，快速操作得到正確的實驗數據，以徹底解決教與用不配套的問題，創造更好的實驗教學環境。

（二）自制儀器能促進實驗教學效果的提高

1、激發學生好奇心和求知欲，提高實驗教學效果

興趣是學生學習物理實驗的內在積極因素，只要激發起他們做實驗的興趣，就會以滿腔熱情，積極主動投身到實驗學習中來，實驗教學的氛圍就會一改往日的沉悶、死板，變得活躍、開放起來，實驗教學效果自然會好。

由于自制儀器所用的材料多來自學生的身邊，取材容易，制作簡單，生動有趣，能自然地引起學生濃厚的興趣，激發他們的探索欲望。而且實驗一旦有所收獲，有所創新，有所前進，就能使趣味性更加穩定，激勵學生熱愛科學、不斷探索，繼續登攀。例如，在講授《情境演示實驗》這一教學內容時，其中有個儀器實驗原理為系統向能量低的方向演變，具體說就是朝著重心降低的方向運動。在重力場中，重心較低的物體較穩定，因此，該原理在生活中有很多應用。比如：一般情況下體操運動員身高都比較矮，走鋼絲的雜技演員手持一鐵棒，以降低重心保持穩定等。為讓學生掌握該原理，讓學生小組合作自己動手制作一個儀器以實現小球從低往高處走，提供的實驗器材很簡單，取材容易，有兩根筷子、快遞盒（學生自己準備）、小球和雙面膠。這比直接讓學生看實驗室已有的《椎體上滾》儀器，更能激發起學生的好奇心和求知欲，因為這需要小組合作討論該如何實現這一看似反?，F象。學生馬上就開始動手操作，組員討論得很是激烈，經過大家努力和教師的指點，最終大部分小組都做出了屬于自己的《球體上滾》作品，五花八門體現了大家的創意，教師總結失敗的原因以及改進的思路作為這個實驗的結尾，學生在掌握實驗實驗原理的同時還培養了創新思維，對實驗留下了深刻印象，實驗教學效果極好。

2、自制適合本校特色專業的儀器，提高實驗教學效果

不是每一條河流都可以注入海洋，除非找到了適宜的道路；不是每一只鳥兒都能夠飛上天，除非它有一雙適合自己的翅膀；實驗儀器也是如此，適合自己的才是最好的。為保證學生實踐和創新能力培養的需要，為培養應用型實踐創新專業人才，必須結合專業實驗教學體系的特點，自行研制實驗教學儀器，并不斷改進、完善、提高自制儀器的功能，以服務于物理實驗教學中，提高實驗教學效果。

例如，針對電子信息科學與技術專業的學生，在《方波的合成》實驗中自主研發儀器，有助于該專業學生將掌握的傅里葉級數理論知識用到合成方波實驗中，讓理論與實踐相結合。

（三）自制儀器能提高教師的物理實驗教學能力

1、重視物理實驗，提高實驗教學能力

物理實驗教育事業的快速發展對教師的實驗數學能力和使用教學水平提出了更高的要求。提高教師的教學能力不僅需要教師不斷學習和掌握新知識和新技術，還需要教師具備一定的教學經驗和教育教學研究能力。但由于目前應用型本科院校還沒開設物理專業，物理實驗課只是非物理專業學生的公共基礎課，相比專業課，受到的重視不高，投入的精力不夠，是造成教師實驗教學能力弱的一個外在原因。

自制儀器客觀上促使教師必須給與足夠的重視，為了設計出更加合理的大學物理實驗儀器，深入地了解大學物理實驗原理；為了獲得更高的儀器穩定性能，必須去學習儀器的相關知識。例如，為了設計的《方波的使用》實驗儀器結構合理，讓波形不會異常晃動，就需要教師去學習各種軟件和示波器的原理；為了體現人性化理念，就要深入到學生群體去，時刻關注到學生的需求，課后多與學生交流實驗操作心得，獲得儀器的不足之處，以對其有針對性的改進。

2、開展勞動教育課，提高實驗教學能力

大學物理實驗數量是很多的，這些實驗涵蓋了力學、熱學、光學、電磁學、原子物理等多個物理學科，取得的成果和所帶來的貢獻，不僅是今天的物理研究領域所需要的，更是未來應用型實踐創新人才所必須了解和掌握的。但目前應用型本科院校在物理實驗數量上的形勢很不樂觀，表現在由之前的單獨開設物理實驗課程，轉變為在理論課程中插入實驗課，而且還在不斷壓縮實驗課時，實驗個數太少，涵蓋面不全，基礎實驗尚且涵蓋不到，更何況講授探究性實驗，教師接觸到的實驗少，是造成實驗教學能力差的又一原因。

短時間改變這一現狀是很困難的，但我們可以通過開展勞動教育課這種曲線救國的方式讓學生盡可能多接觸到物理實驗，開展此門課程會使用到大量的自制儀器，這就需要教師必須要多接觸物理實驗，從中選擇適合該門課程的實驗內容供學生動手操作。例如，為讓學生掌握液體壓強這一知識點，可讓學生制作虹吸和陰陽壺，教師提前要選好制作工具，經過操作看實驗能否成功，虹吸看液體能否從低處往高處走，陰陽壺看堵住不同的孔，是否流出不同的液體，不堵孔，兩種液體是否都流出。

三、結語

綜上所述，自制適合本校特色專業的儀器，既能改善大學物理實驗教學環境，還能促進實驗教學效果的提高，提高教師的物理實驗教學能力，為應用型本科院校培養應用型實踐創新人才，走出一條屬于自己的特色發展之路。因此，提倡和鼓勵教師自主研發儀器對應用型本科院校的大學物理實驗教學有著深遠影響。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/201008/t20100802_93704.html，2010-7-29.

[2] 李斌，譚鵬，陳國杰，謝嘉寧.自制物理實驗儀器的探索與實踐[J]. 實驗技術與管理，2013，30（06）46-49.

[3] 王周斌.自制信息共享實驗儀器對大學物理實驗教學的影響[J]. 公安海警學院學報，2018，17（03）：28-32.

[4] 王璠. 應用型本科院校自制大學物理演示實驗自制儀器的研究與實踐[J]. 客聯，2021，22（10）：109.

[5] 王璠. 以應用型為導向的民辦院校大學物理實驗教材的建設與實踐[J]. 物理通報，2023（05）：9-12.

作者簡介：王璠（1992-），女，山西長治人，碩士，講師，研究方向：物理實驗教學改革。

基金項目：2022年度南昌工學院人文社科課題項目“自制儀器對應用型本科院校大學物理實驗教學影響的實踐研究—以南昌工學院為例”（編號：NGRW-22-12）。