大學物理實驗教學改革的背景與思考

1、大學物理實驗教學改革的背景與思考本世紀以數(shù)字化為核心的信息技術的高度發(fā)展，預示人類社會在21世紀又將經歷一次重大變革。如果說前世紀的工業(yè)革命使人類從依靠體力的勞動中擺脫出來，那么今天的信息革命將使人類社會從繁雜的形式化腦力勞動中解放出來，大規(guī)模memory的記憶容量，計算機的運算速度，Internet網的交互管理能力，智能數(shù)據庫、CAD等各種應用軟件的功能，以及它們的準確性都是人腦所不能比擬的，21世紀人類對待這類腦力勞動如同操縱機器完成體力勞動一樣簡單。也就是說將來的腦力勞動性質將發(fā)生深刻的變化，站在這個角度來思考對未來科技人才培養(yǎng)的目標，它應該是具有對所學知識的凌駕程度，具有對知識的探索，

2、應用開發(fā)能力的新型腦力勞動者。但是，我們的理工科教學長期受到教學條件、環(huán)境和師資水平的限制，因襲多年的傳統(tǒng)教學模式客觀上引導學生向形式化，記憶型方式學習，過重的學習負擔也制約了學生的創(chuàng)新能力及科學素質的養(yǎng)成。物理學在人的科學素質培養(yǎng)中具有重要的地位，物理實驗課程曾經為培養(yǎng)20世紀的優(yōu)秀人才作出了卓越的貢獻，實驗為物理學的基礎，它反映了理工科實驗的共性和普遍性問題。當我們從21世紀培養(yǎng)合格科技人才的角度看，當前物理課程體系與教學內容與新世紀的新觀念、新的思維方法及交叉學科的發(fā)展不甚適應。本世紀中葉以來，以計算機信息科學技術、生命科學、空間科學、材料科學等為代表的新的科學技術革命，極大地加速了科學

3、技術的發(fā)展和各學科之間的相互交叉和滲透，新的綜合化趨勢已成為科學發(fā)展的主流。因此，高等教育人才培養(yǎng)的思路必然要適應這些變化，課程體系，教學內容和教學方法、手段必須由封閉型向開放型轉變。基礎物理實驗作為大學生在進校后的第一門科學實驗課程，不僅應讓學生受到嚴格的、系統(tǒng)的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，更主要的是要培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維能力和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、分析和解決實際問題的能力，特別是與科學技術的發(fā)展相適應的綜合能力，因而實驗教學應該面對時代的發(fā)展，科技進步的新趨勢和新挑戰(zhàn)，不斷有所創(chuàng)新。只有這樣，才能適應社會對人才知識和科學素質越來越高的要求。根據上述的想法，

4、我們反省目前教學上存在的弊端如下：n 長期以來，我國大學基礎實驗教學基本上處于一種封閉的狀態(tài)，多年不變的教學體系和教學內容與當今飛速發(fā)展的前沿科學新理論，新技術嚴重脫節(jié)，陳舊落后的實驗教學設備，因襲多年的傳統(tǒng)教學模式、方法和手段更是遠遠落后于科學技術進步的步伐。就大學物理實驗而言，原有的大學基礎物理實驗被分割為普通物理與近代物理兩門獨立課程，其中普通物理又被分為力、熱、電、光等各自獨立部分?；A物理實驗實際上只是處于課堂教學的從屬地位，其內容往往只是教科書上已有的基本物理規(guī)律、定律的簡單重復。二十世紀后期，科學技術發(fā)展的巨大成就很少能在基礎物理實驗中得到反映。因此，學生對基礎物理實驗課越來越感

5、到枯燥無味，相當嚴重地阻礙了學生學習的積極性、主動性、創(chuàng)造性以及現(xiàn)代科學思維方法的形成。n 對本科生的實驗教學一般一項實驗課時是34個學時，在這樣一個很短時間內要學生了解實驗原理、儀器原理、熟悉儀器的操作使用并完成實驗是不太可能的，沒有辦法只好在實驗教學過程中教師對實驗原理、實驗步驟、儀器操作方法等盡量交待清楚一點，讓學生自己思考的太少，很多學生是盲目操作，走了過場，這實際上是一種呆板的模仿型教學。n 現(xiàn)代科學技術的創(chuàng)新都是在實驗室里產生的。目前大學本科開設的有些物理實驗是當時科技發(fā)展的突破性成果。有的實驗對物理概念的深化、發(fā)現(xiàn)、總結規(guī)律和對規(guī)律本質的解釋做出了歷史性的巨大貢獻。但教學中沒有作

6、太多講解，學生認識不到當時科學家為什么要設計這樣一個實驗，科學的概念和規(guī)律是怎么產生的；還有一些實驗成果為后來的科技發(fā)展開辟了新的研究范圍，派生出很多研究方向，但在教學中也沒有通過這些例子介紹學科的相關性，展寬學生的思路；有的實驗成果則產生了一個新的科學領域或者一個新的產業(yè)，但在我們教學中沒有介紹當時的科學技術背景和經濟背景，學生不了解當時的科學家和工程師怎么聯(lián)想到它的應用方向，以及發(fā)展過程。這些內容是培養(yǎng)學生科學素質、創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)和很好的教材。n 物理學是以實驗作為基礎的科學，它的概念和規(guī)律是通過實驗形成的。愛因斯坦把物理理論稱之為“理想實驗”的結果。在我們的理論教學中對概念的引進缺乏

7、對實驗背景和該概念前的學科背景講解。這樣雖然學生理解了概念，但不理解概念是通過怎樣的思考、怎樣的實驗產生和進化而來。這樣的學習容易使學生把概念絕對化，形成對理論的形式化理解，這樣的學習不利于科學素質和理論聯(lián)系實際的思考能力的培養(yǎng)。從面向21世紀科技發(fā)展和人才科學素質需求的角度來考慮，物理實驗教學的改革，必須建立一種適合當代科技發(fā)展、有利于培養(yǎng)具有深厚的基礎知識的創(chuàng)造性人才的教學新體系。教學內容應反映當代教育思想和高科技成果，教學方法和手段應改變過去的單一模式，建立多級開放實驗室，滿足不同層次的學生獨立進行學習和研究的需求，采用CAI、Internet網等現(xiàn)代教學手段，改善我們的教學條件，形成多

8、元化的教學環(huán)境，激發(fā)學生學習的主動性。大學物理實驗教學改革的基本內容與實踐n 發(fā)展教育技術，創(chuàng)新教學模式教育資源的缺乏是長期困擾教學質量提高的難題，也是教學改革發(fā)展的瓶頸。隨著時代的發(fā)展，科技進步對教育提出越來越高的要求，對人才的創(chuàng)新思維和實踐能力的培養(yǎng)是一種趨向個性化的教學，需要比普通公共教學占用更多的教學資源，對公共教育來講也要進一步提高教學質量和教學效益，這些矛盾只能通過發(fā)展教育技術、創(chuàng)新教育手段來解決。在這些方面，我們進行了多年的探索與研究，研制和開發(fā)一批物理教學軟件。其中，96年我們在國際上首創(chuàng)開發(fā)出第一套仿真實驗教學軟件；98年升級為Windows版本，在規(guī)模和虛擬技術水平上得到進

9、一步提高和完善，實現(xiàn)國際領先水平。99年我們又推出了大學物理虛擬實驗的Internet網遠程教學系統(tǒng)，在國際和國內物理教學界都產生了很大的影響，得到了廣泛應用和贊揚。它的意義主要在如下三個方面：= 開創(chuàng)了物理實驗教學的新模式，該成果利用計算機把實驗設備、教學內容（包括理論教學）、教師指導和學習者的思考、操作有機融合為一體，形成一部可操作的活的教科書，為物理實驗改革提供了有力工具，同時克服了實驗教學長期受到課堂、課時限制的困擾，使實驗教學內容在時間和空間上得到延伸； = 為網絡教育最難實現(xiàn)的遠程實驗教學開創(chuàng)了一種新的方法和途徑；= 開拓了CAI研究的新思路，帶動了國內CAI發(fā)展的新趨勢，同時為它

10、的應用開辟了重要的方向和更寬廣的應用領域。這項新的教育技術為我校的教學改革提供了有力武器，開創(chuàng)了新的教學模式。= 實現(xiàn)理論教學與實驗教學的結合：針對物理學概念的深化，發(fā)現(xiàn)、總結規(guī)律和對規(guī)律本質的解釋作出了歷史性的巨大貢獻的典型實驗，利用仿真軟件的虛擬實驗環(huán)境于教學中，通過實驗的方法引入新的概念和規(guī)律，把理論教學與實驗教學有機的融為一體，按照科學探索和研究的過程進行教學。對一些典型的知識點，通過CAI教學軟件展開應用的介紹。這種教學模式在過去的教學環(huán)境條件下是不太可能的。= 利用CAI軟件多媒體教學，開設“物理思想進化啟迪”Seminar課程，按照物理學的發(fā)展，從機械觀的興起，場與相對論到量子觀

11、，針對物理概念的重大革新和在其中起過重要作用的著名實驗為線索來探討科學發(fā)展的規(guī)律，理論與實驗的關系，科學研究與技術創(chuàng)新的關系，培養(yǎng)學生的軟思維能力和科學素質。= 在提高公共物理實驗教學水平與質量，培養(yǎng)學生實踐能力上，對一些難度高、復雜的實驗，學生在34個學時內對實驗設備原理、使用方法、實驗的設計原理難以仔細消化，對實驗中所遇到的現(xiàn)象也很難通過短時間分析建立起認識，因此復雜的實驗不能容許學生自行設計實驗參數(shù)，反復調整后，觀察實驗現(xiàn)象，分析實驗結果。針對這些問題，我們采用虛擬實驗、遠程教學（在校園網上完成虛擬實驗）與實際實驗相結合的二段、三段式等的教學模式，使學生在課堂外可充分消化實驗內容，在課堂

12、內獨立完成實際實驗，有充分的思考與分析的時間，使學生真正受益，同時，合理配置教學資源，針對實驗課量大質低的狀況，在總學時不變的情況下，精簡實驗項目，整合實驗教學內容，適當擴大設計性實驗，綜合性實驗的單項實驗課時到58學時。大量的一般性實驗可通過仿真實驗進行，取得很好的教學效果。激發(fā)了學生的學習主動性和積極性，大大提高了實驗教學的質量和水平。n 以素質教育為目標，建立物理實驗課程新體系新實驗課程的組成部分為：基本實驗、綜合性實驗、設計性實驗、科學小實驗等，形成從低到高、從基礎到前沿、從接授知識到培養(yǎng)綜合能力，逐級提高的一、二、三級基礎物理實驗課程新體系。每一級物理實驗大致用一個學期的時間完成，不

13、同的級標志著不同實驗技能和科學思維水平。這樣，基礎物理實驗課不再是課堂教學內容的簡單重復和驗證，也不再是把力、電、光、近代物理等獨立學科的實驗簡單地串聯(lián)起來構成的實驗系列。使學生從較高起點上進入大學物理實驗，一個臺階、一個臺階地走向科學的高峰。其中：一級物理實驗，主要為基本物理量的測量、基本實驗儀器的使用、基本實驗技能的訓練和基本測量方法與誤差分析等，涉及到力、熱、電、光、近代和物理各個學科，為普及性實驗，適合于理、工、文商學院各專業(yè)學生的學習和基本訓練。二、三級物理實驗，逐步增加綜合性實驗和設計性實驗的比例及難度，通過這兩級物理實驗課程，激發(fā)學生的學習熱情，變被動學習為主動學習。由以前教師排

14、好實驗、準備好儀器、學生來做實驗的狀態(tài)，過渡到學生在教師指導下，自己設計方案來完成實驗，從而培養(yǎng)學生的綜合思維和創(chuàng)造能力。學生通過做設計實驗，從成功與失敗中受到訓練，得到素質的提高。四級物理實驗以科學小實踐為主題，組織若干個圍繞基礎物理實驗的課題，以科研方式進行實驗，培養(yǎng)學生的研究、開發(fā)應用能力。 在課程安排上一級物理面向全校各學科專業(yè)學生開課，二、三級物理實驗對理工類專業(yè)開課，第四級物理實驗為物理類各專業(yè)學生必修課，理科非物理類各專業(yè)學生的選修課。我校一從95級學生開始全面實行四級物理實驗體系。 n 注重物理實驗的時代性與先進性，改革實驗教學內容物理實驗必須與現(xiàn)代科學技術接軌，才能激發(fā)學生的

15、學習積極性與熱情，也才能使現(xiàn)代科技進步的成果滲透到傳統(tǒng)的經典課程內容之中，例如將計算機技術、光纖技術、光聲譜技術、磁共振技術、核物理技術、軟X射線顯微技術、光譜技術、真空技術、傳感器技術等現(xiàn)代科研成果用于學生物理實驗之中。在對我校量大面廣的工、商、文科學生在一、二年級所開設的物理實驗中，已涉及光譜技術、真空技術、磁共振技術、核物理技術、X光衍射的技術、光纖技術、傳感器技術、光學信息處理技術等。開設這些項目的目的是為了從物理實驗的設計思想、物理實驗方法、儀器的設計原理、結構及其應用等方面拓寬學生的知識面。培養(yǎng)他們綜合實驗能力。在多年的教學中起到了非常好的作用。n 營造創(chuàng)新人才培養(yǎng)的多元化教學環(huán)境

16、目前我校開設的實驗類型有公共必修實驗、選修實驗、仿真實驗、遠程網絡實驗、開放實驗等。= 利用現(xiàn)代教育技術開設“大學物理實驗遠程教學”通過開設遠程網上物理實驗教學以來，學生利用校園網或Internet網對實驗教學內容進行課前預習和課后復習，使實驗教學與課堂理論教學一樣，使教學內容在時間和空間上得到延伸，學生能夠充分的學習和掌握實驗教學內容。開設網上虛擬物理實驗選修課，學生可以根據自己的時間，在任何地點自主的進行學習，開拓學生的眼界，滿足不同層次學生的學習需求和給學生提供了自學物理實驗的環(huán)境，培養(yǎng)學生對實驗的自學能力。= 開設開放服務實驗室在每一級物理實驗中，開設開放服務實驗室，它不僅時間上對學生

17、開放，而且在內容上也開放，它不同與公共教學，是一種個性教學模式，滿足學生求知、探索和創(chuàng)新的欲望，側重創(chuàng)新精神與能力培養(yǎng)，近兩年我們開放實驗的項目有:擺的運動規(guī)律及應用研究、電學儀器的設計與制作、光學儀器的設計與制作、波的特性研究、教學軟件的設計與開發(fā)等。在開放服務實驗室中，學生可利用實驗室提供的設備，自己設立題目，教師只是指導和審核學生提出的實驗方案與題目，允許失敗，最后以小論文的形式在Seminar課中上臺發(fā)表，討論和總結成功和失敗的原因，自己的創(chuàng)新點。= 仿真實驗室實驗室提供計算機和物理實驗教學軟件，根據實驗的特點和復雜性，與實際實驗相配合，進行多種方式的教學組合，完成各種物理實驗。主要貢

18、獻和成果n 近幾年獲得省部級以上教學成果獎獎項5項(1) 97年“大學物理仿真實驗（for dos）” 獲國家級教學成果二等獎。(2) 96年“大學物理仿真實驗（for dos）” 獲中國科學院教學成果一等獎。(3) 97年“大學物理仿真實驗(for windows 第一部分) 獲教育部全國優(yōu)秀教學成果二等獎。(4) 99年“大學物理仿真實驗（for windows 第二部分）獲安徽省優(yōu)秀CAI成果一等獎。(5) 99年“物理學CAI” 獲安徽省優(yōu)秀CAI成果一等獎。n 多年來我們對大學物理實驗的課程體系，教學內容，教學模式，教學方法進行改革，承擔了省部級以上教學研究項目十一項：(1) “理科

19、實驗教學培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的研究與實踐”（世界銀行貸款21 世紀初高等教育教學改革項目）(2) “九五”國家重點科技攻關項目計算機輔助教學軟件研制開發(fā)與應用：“大學物理仿真實驗for Windows”；(3) “九五”國家重點科技攻關項目計算機輔助教學軟件研制開發(fā)與應用：“物理學”；(4) “九五”國家重點科技攻關項目計算機輔助教學軟件研制開發(fā)與應用：“物理實驗CAI”；(5) 教育部“九五”重點教材和面向21世紀教材：“物理實驗”（一，二，三，四冊）的編寫；(6) “四級物理實驗教學模式的研究”（安徽省重點課題）；(7) 國家理科基地創(chuàng)名牌課程“大學物理實驗”；(8) 教育部教改項目

20、（子課題）一：“面向21世紀高等工科教育教學內容和課程體系改革”；(9) 教育部教改項目（子課題）二：“面向21世紀教學內容和課程體系改革研究計劃”；(10) 教育部遠程教學試點課程：“大學物理虛擬實驗”；(11) “大學物理虛擬實驗遠程教學系統(tǒng)”（安徽省教學研究課題）n 作為我們的教學成果近幾年研制開發(fā)的教學軟件和教材有17部，由高等教育出版社出版教材一部（共計四冊），物理教學軟件五部：(1) “大學物理仿真實驗for windows ”（第一部分）(2) “大學物理仿真實驗for windows ”（第二部分）(3) “大學物理” (4) “基礎物理學CAI”(5) “大學物理仿真實驗fo

21、r DOS”(6) “大學物理虛擬實驗遠程教學系統(tǒng)”(7) 面向二十一世紀教育部“九五”重點教材：“大學物理實驗”（一，二，三，四冊）(8) 幾何光學實驗設計平臺（三維、用VR眼鏡）(9) 天體物理學(10) 廣播電視大學大學物理虛擬實驗(11) 物理學史的啟迪(12) 天文概論網絡課程(13) 數(shù)理方法網絡課程(14) 微電子學網絡課程(15) 物理化學網絡課程(16) 材料科學網絡課程(17) 現(xiàn)代光學網絡課程其中“大學物理仿真實驗for windows ”（第一部分）；“大學物理仿真實驗for windows ”（第二部分）；“大學物理”；“基礎物理學CAI”；“大學物理仿真實驗for DOS”；及教材“大學物理實驗”（一，二，三，四冊）共計六部，已由高等教育出版社出版。n 在國內核心雜志和重要國際會議上，發(fā)