物理實驗教學(xué)內(nèi)容與實踐探討

1、物理實驗教學(xué)內(nèi)容與實踐探討摘要:為了促進教學(xué)和科研相輔相成，共同發(fā)展，推動物理實驗教學(xué)發(fā)展，需要將科研成果拓展為物理實驗教學(xué)內(nèi)容。本教學(xué)改革項目從兩方面入手，一是在課堂教學(xué)中引入最新科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容，二是將高壓電暈電場與生物質(zhì)相互作用引入物理實驗課程等。經(jīng)過3個學(xué)期的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，將科研成果拓展為實驗教學(xué)內(nèi)容，可以更好地吸引學(xué)生課堂注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增加課堂知識更新率，培養(yǎng)學(xué)生在物理實驗中尋找科研題目的能力，從而喚醒學(xué)生創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力，也可對本科生提前進行科研基本素養(yǎng)訓(xùn)練。關(guān)鍵詞:科研成果;教學(xué)內(nèi)容;創(chuàng)新實踐著名物理學(xué)家密立根曾說:“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗，有時一條腿

2、走在前面，有時另一條腿走在前面，但只有兩條腿才能前進?！逼鋵崒Ω叩冉逃陌l(fā)展來說，何嘗不也是要靠“教學(xué)”和“科研”兩條腿來走路，只有這兩條腿相輔相成，一起向前，才能推動高等教育的發(fā)展。因為教學(xué)和科研是高等院校工作中不可分割的兩個方面1。教學(xué)工作是給學(xué)生講授已知的成熟的知識，目前的教學(xué)工作已經(jīng)融合了各種有效的教學(xué)手段如翻轉(zhuǎn)課堂、慕課(mooc)、微課等。通過有效的教學(xué)方式把已有的知識講解明了，使學(xué)生對相關(guān)知識體系和相應(yīng)的知識點能把握整體，明了細(xì)節(jié)，以達(dá)到學(xué)通、學(xué)懂、學(xué)會的目的，同時培養(yǎng)學(xué)生用已學(xué)知識解決實際問題能力，做到學(xué)有所用，學(xué)為所用;科學(xué)研究則是引導(dǎo)學(xué)生運用一些科學(xué)思維、科學(xué)實驗、科學(xué)方法

3、對未知領(lǐng)域的探索研究，重在培養(yǎng)學(xué)生分析解決未知領(lǐng)域問題的科學(xué)思維和能力。教學(xué)和科研是互相融合、互相促進的關(guān)系，正如德國著名學(xué)者雅斯貝爾斯所言，尤其重要的是教學(xué)要以研究成果為內(nèi)容，因此教學(xué)與研究并重是大學(xué)的首要原則2。物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)的實驗思想、方法和技術(shù)是各學(xué)科科學(xué)實驗的基礎(chǔ)，所以物理實驗教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新人才必不可少的組成部分，對學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)實驗、科學(xué)方法的養(yǎng)成具有重要作用。當(dāng)前物理學(xué)科的迅速發(fā)展對物理實驗課程的教學(xué)提出了新的要求，因此，物理實驗內(nèi)容需要進一步拓展并與最新的科研成果接軌，使最新的科研成果及現(xiàn)代科技滲透到傳統(tǒng)的物理實驗課程內(nèi)容之中，將科研成果拓展、融入物

4、理實驗課程教學(xué)內(nèi)容之中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識，以及用科學(xué)思維、科學(xué)實驗、科學(xué)方法解決未知問題能力，這將有助于提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力、掌握進行科學(xué)實驗的基本方法，以適應(yīng)新時代學(xué)生的發(fā)展要求。為此，近些年，課題組開始將一些科研成果拓展為大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容，進行系列研究與實踐。這方面的教學(xué)改革主要從以下兩方面入手。1在課堂教學(xué)中引入最新科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容大學(xué)物理實驗中，有些題目比較經(jīng)典，一直延續(xù)了幾十年，學(xué)生認(rèn)為這些題目知識比較陳舊，對這些題目的學(xué)習(xí)興趣不高。其實可以換個角度考慮問題，因為大學(xué)物理實驗大部分題目是針對經(jīng)典物理學(xué)中的一些知識內(nèi)容所設(shè)計，不管的物理實驗題

5、目多么陳舊，總是可以把實驗內(nèi)容與最新的科學(xué)發(fā)展前沿領(lǐng)域相聯(lián)系。既可以讓學(xué)生覺得實驗是有意義的，又可以讓學(xué)生領(lǐng)略科學(xué)研究的進展。11磁場分布測量實驗中引入科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容在磁場分布測量實驗中，給學(xué)生介紹我國在合肥建立的強磁場國家中心，特別是強磁場在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，這就是大家在大學(xué)物理實驗中認(rèn)識的磁場的魅力之一。還可以給同學(xué)們介紹我國的東方超環(huán)，簡稱east。該實驗裝置是用來實現(xiàn)可控核聚變的。核聚變的燃料是氘和氚，要發(fā)生可控制的核聚變反應(yīng)需要超高溫和超高壓。大約需要1億攝氏度。而在如此高的溫度下任何固體容器都會化為灰燼。而用來約束這些高溫高壓的等離子體的物質(zhì)就是磁場。2022年我國宣布，在全球首

6、次實現(xiàn)了穩(wěn)定的1012秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運行，等離子體溫度達(dá)到5000萬，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，為人類開發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。這是大學(xué)物理實驗中認(rèn)識的磁場的又一魅力。12在組合干涉儀實驗和固體線膨脹系數(shù)測定實驗中引入科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容在組合干涉儀實驗或固體線膨脹系數(shù)測定的實驗中，用到了邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜本人也因為這一貢獻(xiàn)獲得了1907年的諾貝爾物理學(xué)獎。2022年，三位來自美國的引力波研究專家雷納·韋斯、基普·索恩以及巴里·巴里什榮膺當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎的殊榮，以表彰他們對激光干涉引力波天文臺(ligo)和觀測引力波所做出的決定性貢獻(xiàn)

7、。ligo是laserinterferometergravitationalwaveobserv-atory的縮寫，是借助于激光干涉儀來聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。截至目前，ligo由兩個干涉儀組成，每一個都帶有兩個4千米長的臂并組成l型，它們分別位于相距3000千米的美國南海岸livingston和美國西北海岸hanford。每個臂由直徑為12米的真空鋼管組成。換句話說，ligo就是一個放大版的邁克爾遜干涉儀。1916年，愛因斯坦提出了廣義相對論，他認(rèn)為任何有質(zhì)量的物體加速運動都會對周圍的時空產(chǎn)生作用，這個作用就是以引力波的形式發(fā)生的。三位美國物理學(xué)家也因利用改進后放大版的邁克爾遜

8、干涉儀探測到了引力波，從而證明了100年前愛因斯坦廣義相對論的正確性。愛因斯坦和他的廣義相對論，同學(xué)們都是熟悉的，引入這樣的科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容可以引起學(xué)生對這兩個實驗題目的興趣和好奇，而好奇可以推動學(xué)生理解背后原理。13在熵和熱機實驗中引入科學(xué)發(fā)展前沿在熱機效率實驗中，熵的概念比較抽象難懂，引入了美國賓夕法尼亞大學(xué)物理和天文系的幾位科學(xué)家合作的一個有趣的實驗。實驗結(jié)果在物理學(xué)的頂級期刊物理評論快報上發(fā)表。科學(xué)家先將一個直徑只有0474微米“大球”放入梨形容器里。通過長時間多次光學(xué)攝影觀察，發(fā)現(xiàn)到這個大球可以出現(xiàn)在這個容器中任何一處。接下來，又將很多的更小的球(0084微米)放了進去。這時候，從攝

9、影照片看，大球基本上只能待在邊上了。這個結(jié)果是如何發(fā)生的呢?其實，這樣的結(jié)果是由于熵力(entropy)的作用。熵是表征體系自由度的一個物理量。容器中的大球、小球都在不停地做隨機運動，同時小球也在不停地從各個方向撞擊著大球。每一時刻，大球在不同方向上受到的小球撞擊一般來說是不一樣多的(因為容器是有限大小的)，大球就會因為受力的不同而向某個方向運動。當(dāng)大球碰到了容器壁的時候，陰影部分面積就減小了，因為大球周圍的陰影部分和容器壁的陰影部分面積有了重疊。這說明，小球可以去的地方就變大了一些。那么體系的自由度也就變大了。物理規(guī)律說一個封閉的體系總是要趨向于熵最大，也就是熵增加原理，這說明封閉體系更喜歡

10、自由度大的情況。這樣一來，大球由于受這個規(guī)律的制約就跑到容器邊緣上待著。經(jīng)過教師這樣講解，同學(xué)們對熵增加原理就有了較深體會和認(rèn)識，也增加了大學(xué)物理實驗的趣味性。2將高壓電暈電場與生物質(zhì)相互作用引入物理實驗課程近年來，課題組共承擔(dān)3項有關(guān)高壓電場與生物質(zhì)相互作用的國家自然科學(xué)基金項目和5項內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目。同時還承擔(dān)2項有關(guān)科研與教學(xué)促進方面的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項目。在這些項目基金的資助下，教學(xué)改革取得了一些成果，在近年將高壓電暈電場與生物質(zhì)相互作用研究取得的系列成果轉(zhuǎn)化為物理興趣與創(chuàng)新實驗選修課及大學(xué)生創(chuàng)新實驗課程的一個教學(xué)內(nèi)容，以構(gòu)建具有綜合物理及生物學(xué)知識、強化實驗技能訓(xùn)練

11、和將基礎(chǔ)知識運用于科技前沿研究特點的實驗教學(xué)模式。這樣不僅使教學(xué)內(nèi)容更加新穎，而且也使學(xué)生消除了對科研的神秘感，提高了學(xué)習(xí)積極性，開闊了思路，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識。21將電場干燥技術(shù)拓展為物理實驗教學(xué)內(nèi)容高壓電場干燥技術(shù)又稱為electrohydrodynamic(ehd)干燥是一種新型的干燥技術(shù)，它是通過將被干燥物料放在下極板上，然后給上極板(平板、針狀、線狀等不同形狀82的電極)加一定幅度的直流或交流高電壓，在兩電極間形成電暈電場實現(xiàn)物料干燥。日本的淺川1976年就發(fā)現(xiàn)了“淺川效應(yīng)”，即在高壓電場下，水的蒸發(fā)變得十分活躍，施加電壓后水的蒸發(fā)速度加快，并認(rèn)為電場消耗的能量很小3。但一直到了20世紀(jì)

12、80年代末期這個現(xiàn)象才受到重視，人們逐漸研究起來，并且放到了一個新興學(xué)科里面電流體動力學(xué)electrohydrodynamic(ehd)。本文作者丁昌江教授通過高壓電場干燥技術(shù)對多種物料進行研究，發(fā)現(xiàn)高壓電場干燥不但干燥速度快，而且具有能耗低、不污染環(huán)境、干燥均勻、物料不升溫、還可殺滅細(xì)菌的優(yōu)點，并能很好的保存物料的有效成分4。與對流干燥和冷凍干燥相比，該技術(shù)具有設(shè)備設(shè)計簡單、造價低、運行費用低等優(yōu)點5。拓展的物理實驗教學(xué)內(nèi)容為:對高壓電場干燥枸杞過程當(dāng)中的一些參數(shù)(如電壓參數(shù)、干燥速度、含水量、電極形狀等)進行比較細(xì)致、系統(tǒng)地統(tǒng)計，得到比較全面地枸杞在高壓電場中的干燥特性數(shù)據(jù);對干燥后枸杞干

13、制品的一些指標(biāo)(如顏色、收縮率、復(fù)水率等)進行測定，對干制品的品質(zhì)進行分析，及不同電壓參數(shù)下品質(zhì)的比較，找到品質(zhì)和電壓之間的規(guī)律。同時，讓學(xué)生對高壓電場干燥技術(shù)機制有初步的了解，并鼓勵學(xué)生探索其他機理解釋。22將分析電暈放電產(chǎn)生的低溫等離子診斷拓展為物理實驗教學(xué)內(nèi)容高壓電暈電場是指能產(chǎn)生局部電暈放電的電場。在非均勻電場中，電極的尖端處電力線最集中，電場強度也最大。當(dāng)加上高壓后，由于空氣游離會在電極附近產(chǎn)生局部放電電暈放電。近年來，這一技術(shù)被拓展應(yīng)運于生物誘變及轉(zhuǎn)基因6-9。近期課題組又申請了專利，國家專利局已授權(quán)實用新型專利。多針-板電暈電場可以產(chǎn)生電暈放電，而電暈放電可以使空氣電離產(chǎn)生較多低

14、溫等離子體，這些等離子體由oh、h2o2、o、n+、n2+、o2-等自由基、活性原子和正負(fù)離子組成，這些低溫等離子體在電場作用下會被加速而形成離子風(fēng)，進而與處于電場的物質(zhì)發(fā)生相互作用。作者認(rèn)為，正是電暈放電才引起生物誘變，所以對電暈放電產(chǎn)生的等離子體進行診斷，揭示不同電場參數(shù)下電暈電場中產(chǎn)生的低溫等離子體的各種參數(shù)，電暈放電所產(chǎn)生的低溫等離子體對高壓電暈電場誘變效應(yīng)的貢獻(xiàn)率。拓展的物理實驗教學(xué)內(nèi)容為:用發(fā)射光譜儀測量不同放電時間、不同電壓、不同電極間距、不同環(huán)境濕度下針板電暈電場所產(chǎn)生等離子體中的物種成分、空間分布、粒子相對密度等多種重要參數(shù)，進而讓學(xué)生了解處于此種電場中的生物體受電暈放電所產(chǎn)生的低溫等離子體的影響程度。3結(jié)論總之，為了突出“教學(xué)”和“科研”兩條腿相輔相成走路，推動物理實驗教學(xué)的發(fā)展，嘗試了以上兩種方法。這樣改革將最新的科研成果或項目滲透到傳統(tǒng)的物理實驗課程內(nèi)容之中，注重物理學(xué)和生物學(xué)的交叉，將有助于提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。另外，高壓電暈電場與生物體相互作用研究是實驗中心教師的主要科研方向之一，通過將教師的部分科研成果轉(zhuǎn)化為物理實驗教學(xué)內(nèi)容具有一定特色。學(xué)生的實驗教學(xué)內(nèi)容與科研