大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討與建議.pdf

管理觀察 Management Observer 總第 608 期 第 9 期 2016 年 3 月 下旬出版 82 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討與建議 沈希雅，王斌斌，竺江峰 ( 浙江海洋學(xué)院，浙江 舟山 3 1 6 0 0 0 ) 摘要：本文針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前存在的一些弊端，闡述了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改革的必要性。 從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和提高學(xué)生在課堂上的主動(dòng)性出發(fā)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考評(píng)制度上提出了 改革的幾點(diǎn)建議。 關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 教學(xué)改革 多媒體 考核 作者簡(jiǎn)介： 竺江峰（1 9 6 1 - ），男，籍貫：浙江寧波，職稱：高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。 21 世紀(jì)是人才競(jìng)爭(zhēng)、教育競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，亟需有穩(wěn)固 的基礎(chǔ)知識(shí)、扎實(shí)的專業(yè)技能、具有創(chuàng)新意識(shí)的人才， 而大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校理工科學(xué)生的必修課， 是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要環(huán)節(jié)。 由于師資水平和教學(xué)環(huán)境的限制，現(xiàn)如今大部分高 校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)都還是“教師主導(dǎo)”的傳統(tǒng)課堂 模式。在課堂上，教師演示完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生不需 要進(jìn)行自主思考，只需機(jī)械式地模仿，使實(shí)驗(yàn)變成了一 種形式化，記憶性的過(guò)程。一定程度上，這限制了學(xué)生 的思維創(chuàng)新，造成了學(xué)生對(duì)老師的依賴心理。 為了實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)“應(yīng)用型”人才的 教學(xué)目標(biāo)，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革的關(guān)鍵是提高 教學(xué)質(zhì)量的和完善期末的考核體系。 一、引入多媒體資源，激發(fā)學(xué)生興趣 獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)課的最終結(jié)果， 也是實(shí)驗(yàn)課的重要組成部分。相對(duì)而言，對(duì)實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí) 環(huán)節(jié)的重視不夠。 從提高學(xué)生的素質(zhì)和能力的角度來(lái)看， 實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)非常重要。 現(xiàn)在學(xué)生在預(yù)習(xí)上課要講授的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，一來(lái)可 以根據(jù)教材上的內(nèi)容介紹，二來(lái)可以根據(jù)在學(xué)校網(wǎng)站上 發(fā)布的預(yù)習(xí)提綱和實(shí)驗(yàn)示范報(bào)告。學(xué)生可以通過(guò)閱讀教 材上關(guān)于實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)的相關(guān) 介紹等基本知識(shí)結(jié)合預(yù)習(xí)提綱來(lái)對(duì)下次課要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn) 行思考，充分發(fā)揮他們?cè)趯W(xué)習(xí)中的主體作用 3。 但由于學(xué)生課業(yè)繁重，學(xué)校教學(xué)資源有限等原因， 學(xué)生往往不能在實(shí)驗(yàn)課之前接觸到實(shí)驗(yàn)器材。這樣紙上 談兵的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)， 往往會(huì)造成學(xué)生對(duì)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)缺乏興趣， 而大大影響了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的效果。為了讓學(xué)生對(duì)預(yù)習(xí)內(nèi)容 建立起生動(dòng)具體的形象，引入多媒體資源是行之有效的 辦法。即在學(xué)校網(wǎng)站上逐步上傳一些教學(xué)資源 7，比如 拍攝的一些教學(xué)視頻，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的動(dòng)畫(huà)模擬視頻等。這 對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)說(shuō)也是一種全新的授課方式。 另外，學(xué)校也可以在網(wǎng)站上建立網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。 虛擬實(shí)驗(yàn)是利用多媒體、仿真軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)來(lái)模擬實(shí) 驗(yàn)的環(huán)境和操作過(guò)程，實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一 樣完成各種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。與實(shí)驗(yàn)室一些設(shè)計(jì)精密、價(jià)格昂 貴的儀器相比，學(xué)校只需很少的投入，就可以緩解教學(xué) 資源不足的問(wèn)題。對(duì)學(xué)生而言，虛擬實(shí)驗(yàn)無(wú)疑是富有吸 引力的，這極大地激發(fā)了學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興 趣，提高了教學(xué)的效率 4。 除了三線擺等必修的實(shí)驗(yàn)課程之外，虛擬實(shí)驗(yàn)中可 以加入一些拓展性、創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)，供學(xué)有余力的同學(xué) 自學(xué)。 然而，虛擬實(shí)驗(yàn)雖然突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受時(shí)空限制的 弊端，但是它仍然無(wú)法代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作，它只能作 為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一種具有可行性的補(bǔ)充。只有把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 和虛擬實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，才能最大程度地發(fā)揮它們 的優(yōu)勢(shì)。 83 中國(guó)高校管理 二、采取多種授課模式，提高課堂教學(xué)質(zhì)量 引導(dǎo)學(xué)生讀懂實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)儀器的 運(yùn)行操作是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一步，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)成敗的關(guān) 鍵。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是理工科學(xué)生的必修課，學(xué)生來(lái)自 不同學(xué)院不同專業(yè)，的實(shí)驗(yàn)的能力也是參差不齊，因此， 可以以學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平為指標(biāo)，對(duì)不同班級(jí)采取不同的 授課方式。 對(duì)于實(shí)驗(yàn)水平較高的班級(jí)，可以通過(guò)課上提問(wèn)的方 式讓學(xué)生自行講解實(shí)驗(yàn)原理和介紹實(shí)驗(yàn)方法，這一方面 可以檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)效果，另一方面也可以加深學(xué)生對(duì) 實(shí)驗(yàn)的印象。 比如在“密立根油滴儀測(cè)油滴電荷”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中， 由于密立根油滴儀在操作不當(dāng)?shù)那闆r極容易損壞 1，教 師可以讓預(yù)習(xí)得好的同學(xué)介紹實(shí)驗(yàn)步驟，再補(bǔ)充強(qiáng)調(diào)學(xué) 生介紹里的疏漏之處。這樣，一方面體現(xiàn)了學(xué)生在課堂 里的主體作用，另一方面也提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的掌 握程度。而對(duì)于長(zhǎng)度測(cè)量工具等一些基本使用工具，可 以讓學(xué)生自行看教材上的說(shuō)明來(lái)進(jìn)行操作，教師則在課 堂里面巡查，發(fā)現(xiàn)并記錄學(xué)生操作上存在的問(wèn)題，在大 部分的學(xué)生都操作完畢之后，教師可以采用反問(wèn)的方式 提問(wèn)學(xué)生操作上的問(wèn)題，最后由教師進(jìn)行系統(tǒng)的分析和 評(píng)價(jià)。 從而不僅使學(xué)生掌握了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)技能， 而且有效地激發(fā)了他們對(duì)學(xué)習(xí)的熱情。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 的課堂上出現(xiàn)學(xué)生積極思考，主動(dòng)參與，敢于創(chuàng)新的熱 烈場(chǎng)面 6。 而對(duì)于實(shí)驗(yàn)水平相對(duì)較弱的班級(jí)，教師可以先向?qū)W 生介紹有關(guān)實(shí)驗(yàn)背景，實(shí)驗(yàn)儀器的使用以及在實(shí)際生活 中的應(yīng)用，給學(xué)生一個(gè)直觀的印象，同時(shí)也擴(kuò)大學(xué)生的 認(rèn)知面。例如在講解示波器的時(shí)候，由于示波器的按鍵 很多，教師可以利用投影儀先給學(xué)生看一遍示波器使用 的操作視頻，讓學(xué)生對(duì)示波器的使用有初步的印象，然 后提出實(shí)驗(yàn)的思路和方向，引導(dǎo)學(xué)生讀懂實(shí)驗(yàn)原理，思 考實(shí)驗(yàn)的可靠性， 從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思維， 加深學(xué)生印象， 起到事半功倍的效果。 三、在教學(xué)和數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用 Ma t l a b Matlab 在物理實(shí)驗(yàn)的作圖、數(shù)據(jù)處理、模擬仿真方 面起著重大的作用，有助于將物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程轉(zhuǎn)變 成一個(gè)師生間共同探討的互動(dòng)過(guò)程。 例如在“等厚干涉牛頓環(huán)”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，教師 可以在講授實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，根據(jù)光的干涉的基本原理，利 用 Matlab 進(jìn)行牛頓環(huán)的干涉模擬，從而得到模擬出的干 涉圖像，使學(xué)生建立一個(gè)干涉現(xiàn)象的初步印象，有助于 學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理和掌握實(shí)驗(yàn)操作，從而更快地 找到干涉條紋。 另外，Matlab 不僅在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著重要應(yīng)用，而 且在電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中也有著較多的應(yīng)用。例如，學(xué)生在使 用示波器觀察李薩如圖形時(shí)，常常會(huì)由于信號(hào)源的不穩(wěn) 定而造成圖像不穩(wěn)。如果采用 Matlab 進(jìn)行模擬，則可以 將實(shí)驗(yàn)中觀察到的圖形與模擬產(chǎn)生的圖形進(jìn)行對(duì)照，有 利于提高學(xué)生的認(rèn)知水平以及盡快地發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤 8。 Matlab 不僅有助于繪制物理實(shí)驗(yàn)的圖形圖像，而且 在數(shù)據(jù)的分析處理方面表現(xiàn)優(yōu)異。 在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，涉及的物理規(guī)律一般可以 分為線性規(guī)律和非線性規(guī)律兩種。 對(duì)于呈線性規(guī)律的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理一般采用逐 差法、作圖法和最小二乘法。但在數(shù)據(jù)點(diǎn)不多的情況下， 逐差法可能會(huì)產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差。而作圖法則是人為 手工繪制一條直線，當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較為松散時(shí)，學(xué)生繪 制這條直線不僅難度較大而且極可能產(chǎn)生較大誤差。 最小二乘法體現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)的規(guī)律，目的在于尋找“最 優(yōu)擬合”，也就是最佳的擬合直線，但它的缺點(diǎn)在于運(yùn) 算量龐大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用 Matlab 進(jìn)行運(yùn)算，從而將學(xué)生從復(fù)雜的人工運(yùn)算中解放 出來(lái)。 教師先引導(dǎo)學(xué)生編寫(xiě)好最小二乘法的運(yùn)算程序，然 后通過(guò)修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)用程序，就可以得到需要的擬 合直線、相關(guān)系數(shù)、線性回歸方程和不確定度。這樣不 僅節(jié)約了時(shí)間，而且有效地避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法受 諸多因素干擾的弊端。 而對(duì)于呈非線性關(guān)系的物理規(guī)律，數(shù)據(jù)處理一般采 用作圖法，并且通常不需要得到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)曲線的函數(shù)關(guān) 系式。為了得到滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一般情況下需要先測(cè) 量好數(shù)據(jù)點(diǎn)再進(jìn)行作圖。然而描點(diǎn)連線不僅容易引入實(shí) 驗(yàn)誤差而且耗時(shí)巨大，學(xué)生易產(chǎn)生厭倦心理，進(jìn)而對(duì)完 成實(shí)驗(yàn)報(bào)告抱著應(yīng)付的心態(tài)，極大影響了實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì) 量。若與 Matlab 相結(jié)合，采用曲線擬合和插值的方法， 則可以得到理想的平滑曲線。 84 中國(guó)高校管理 在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)引入 Matlab，不僅提高數(shù)據(jù)處理的 速度和質(zhì)量， 并且可以便捷地得到直觀圖像和函數(shù)方程。 既緩解了學(xué)生對(duì)處理數(shù)據(jù)的倦怠心理，又提高了學(xué)生的 主動(dòng)性和操作能力。當(dāng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差時(shí)，也方 便了學(xué)生及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，及時(shí)重做實(shí)驗(yàn)，避免學(xué)生在課 后因?yàn)檎`差過(guò)大而篡改實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的科 學(xué)性和真實(shí)性。 四、完善期末考評(píng)制度 目前普遍采用的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)考核方式是將平時(shí)實(shí) 驗(yàn)成績(jī)和期末考試成績(jī)兩個(gè)部分按一定的比例進(jìn)行綜合 評(píng)價(jià)。雖然平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)和期末考試成績(jī)兩個(gè)部分的綜 合評(píng)價(jià)能夠比較公平地反映學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課 程的掌握程度，但仍然存在一定的弊端 2。 例如目前平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定主要以撰寫(xiě)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告 為依據(jù)，雖然教師會(huì)在課堂上對(duì)預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)行檢查并作 標(biāo)記，但仍然存在學(xué)生篡改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告的 現(xiàn)象。這不僅不能準(zhǔn)確地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，而且挫 傷了認(rèn)真學(xué)習(xí)的同學(xué)的積極性。 考慮到現(xiàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)往往采取大班上 課的模式，教師無(wú)法對(duì)每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行考量， 提出如下幾點(diǎn)建議： （一）在期末考評(píng)中加入閉卷理論考試成績(jī) 理論考試一定程度上可以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握情 況。在試題內(nèi)容的設(shè)置上，可以是與學(xué)生選擇的操作性 實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論問(wèn)題。比如簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)原理、對(duì)某項(xiàng)操作 是否出現(xiàn)錯(cuò)誤的判斷、實(shí)驗(yàn)可能存在的誤差以及誤差分 析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法等 5。必要時(shí)，還可以加入一 些延伸性的問(wèn)題。比如“等厚干涉牛頓環(huán)”這個(gè)實(shí) 驗(yàn)的理論試題可以問(wèn)如何測(cè)量水的折射率，這與實(shí)驗(yàn)課 堂中測(cè)量透鏡曲率半徑的方法類似。 ( 二 ) 加入預(yù)習(xí)成績(jī)作為平時(shí)成績(jī)一部分 好的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，是完成實(shí)驗(yàn) 的必要前提。但學(xué)生在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)往往存在諸多問(wèn)題。例 如部分學(xué)生僅僅是為了應(yīng)付教師的檢查，將教材上的內(nèi) 容原封不動(dòng)地搬到預(yù)習(xí)報(bào)告上，沒(méi)有進(jìn)行任何思考，并 不能達(dá)到預(yù)習(xí)目的。 為了端正學(xué)生對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)這門(mén)課的學(xué)習(xí)態(tài)度， 達(dá)到良好的預(yù)習(xí)效果，教師除了檢查預(yù)習(xí)報(bào)告之外，可 以在學(xué)校網(wǎng)站上開(kāi)拓一個(gè)版面，要求學(xué)生在上面對(duì)教師 提出的問(wèn)題進(jìn)行回答，并規(guī)定答題時(shí)間為下一次課的上 課前。例如，在“用三線擺測(cè)定物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”這個(gè)實(shí) 驗(yàn)中，教師可以設(shè)置一些典型的問(wèn)題“為什么扭擺的轉(zhuǎn) 角需要控制在以內(nèi)？”、“如何調(diào)節(jié)光電門(mén)？何謂光電 門(mén)平衡位置？”等，最后由教師對(duì)學(xué)生的回答進(jìn)行記錄 和評(píng)分，將這個(gè)成績(jī)作為平時(shí)成績(jī)的一部分。 為了防止學(xué)生不經(jīng)思考，直接將網(wǎng)絡(luò)上搜索出來(lái)的 答案復(fù)制粘貼在網(wǎng)站上，教師可以在課堂上以抽查的方 式提問(wèn)這些問(wèn)題，并根據(jù)學(xué)生的回答情況隨機(jī)引申一些 相關(guān)問(wèn)題。這樣的問(wèn)答既能了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容 的掌握情況，又能加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、內(nèi)容的理解。 另外，學(xué)生也可以向教師提問(wèn)不理解的部分或與教師一 同探討實(shí)驗(yàn)中可能存在的問(wèn)題， 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。 參考文獻(xiàn)： 1 竺江峰 . 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程M . 北京 : 中國(guó)水利水電出 版社 2 張顯悅 , 常艷杰等 . 對(duì)物理實(shí)驗(yàn)考核方式的探索 J . 重慶 交通大學(xué)學(xué)報(bào) ( 社科版 ) , 2 0 0 8 , 8 ( 2 ) : 1 3 0 - 1 3 2 . 3 魏江，汪昭，李嘉亮 . 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)改革研究 J . 常熟理 工學(xué)院學(xué)報(bào)（教育科學(xué)），2 0 1 3 （6 ）. 4 那日 . 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探 J . 實(shí)驗(yàn)室研究與探索 , 2 0 0 4 ( S 1 ) . 5 韓紅梅 . 學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) J . 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào) , 2 0 0 6 , 2 0 ( 8 ) : 1 7 5 - 1 7 7 . 6 許森東 , 馮元新 , 李祖樟 . 大學(xué)物理