大學(xué)物理實驗動手能力探究

大學(xué)物理實驗動手能力探究第一章緒論1.1物理實驗動手能力概念分析大學(xué)物理實驗課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?。而學(xué)生的實驗?zāi)芰旧峡梢苑譃閷嶒瀯邮帜芰?、實驗研究能力和實驗?chuàng)新能力三部分[1]。其中實驗動手能力是基礎(chǔ)，只有這個基礎(chǔ)打好了，對實驗研究能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)才成為可能。實驗動手能力,主要指實驗操作能力、實驗觀察能力和實驗制作能力。實驗操作能力就是指利用現(xiàn)有儀器設(shè)備條件實現(xiàn)既定實驗方案的能力；實驗觀察能力就是指觀察客觀現(xiàn)象,捕捉過程信息的能力；實驗制作能力就是指根據(jù)自行設(shè)計的實驗方案自己動手制作簡單實驗儀器和工具的能力。物理實驗的動手能力是物理實驗?zāi)芰Φ囊环N。它主要是訓(xùn)練大學(xué)生安裝、調(diào)試、操作實驗裝置的技能。實驗的動手能力并不是簡單地、機械地操作實驗，而是大學(xué)生通過學(xué)習(xí)物理知識，在解決物理問題的過程中，根據(jù)一定的實驗?zāi)康暮腿蝿?wù)，借助實驗儀器，運用一切已知信息，實現(xiàn)實驗方案或計劃的能力。它具有以下特點[2]：1、理論知識與操作技能相結(jié)合。物理實驗的動手能力離不開物理知識和實驗操作技能，物理知識匾乏，物理實驗操作就無從談起，而動手能力差，也無法實現(xiàn)物理實驗操作。物理實驗有簡單的，復(fù)雜的實驗，再簡單的實驗要完成它也必須具有理論知識和操作技能兩個條件。2、要有一定的物質(zhì)主體作為動手對象。如操作儀器，使用工具等。3、動手操作過程可以看得見，且切實執(zhí)行，動手操作過程不能合并，省略和簡縮。4、實驗操作具有精確性、定時性、協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。每個實驗步驟或每種儀器的都有一定的規(guī)范，操作過程要有時間要求，執(zhí)行操作時動作要配合得體，協(xié)調(diào)，要適應(yīng)實驗條件的變化。5、物理實驗動手能力是屬于細微型、斷續(xù)型的能力，需要借助物理實驗裝置來體現(xiàn)。6、動手能力是一種綜合能力，大學(xué)生在操作實驗的整個過程中，有了正確的實驗原理，良好的實驗設(shè)計和儀器，也不一定能順利完成實驗操作過程，只有操作能力、智力、非智力等因素共同發(fā)揮作用才能使實驗過程得以順利進行。1.2提高大學(xué)生物理實驗動手能力的意義大學(xué)物理實驗課程是大學(xué)生進行科學(xué)實驗的一門獨立設(shè)置的必修課，是同學(xué)們進入大學(xué)后學(xué)習(xí)系統(tǒng)實驗方法和接受實驗技能訓(xùn)練的開端。通過一定數(shù)量的力學(xué)，電磁學(xué)，光學(xué)等基礎(chǔ)物理實驗和近代物理實驗及誤差與數(shù)據(jù)處理理論、CAI實驗教學(xué)課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)大學(xué)生對物理現(xiàn)象的觀察、分析能力。物理實驗的動手能力是物理實驗的核心部分，每一個物理實驗的全過程都離不開對實驗裝置的安裝、調(diào)試和操作，動手能力的高低直接影響到完成實驗的質(zhì)量[2]。每個實驗都有它的目的、要求和具體任務(wù)，正確的安裝實驗儀器、實驗裝置，是實驗動手操作最基本的要求。調(diào)試實驗儀器和實驗裝置是為實驗儀器，實驗裝置達到最佳工作狀態(tài)，提高實驗精度。認真細致的使用儀器，操作實驗裝置，這是物理實驗必須達到的要求，是完成一項實驗的基本保證。實驗的動手能力滲透在實驗全過程的各個環(huán)節(jié)[3]。大學(xué)物理實驗是工科院校的學(xué)生進人大學(xué)后受到系統(tǒng)的實驗技能和方法訓(xùn)練的開端，是后繼課程的實驗基礎(chǔ)，要使大學(xué)生具備較為深廣的理論知識和足夠的現(xiàn)代科學(xué)實驗?zāi)芰?。動手能力不強，會直接影響工作就業(yè)，會影響科技創(chuàng)新。對實驗的安全也是一種隱患。提升動手能力有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提升自身的實踐能力，提高分析問題，解決問題的能力以適應(yīng)現(xiàn)代化工科人才的培養(yǎng)[4]。第二章大學(xué)生物理實驗動手能力現(xiàn)狀調(diào)查與形成原因2.1大學(xué)生物理實驗動手能力現(xiàn)狀大學(xué)物理實驗課程的基本內(nèi)容[5]：1、誤差與數(shù)據(jù)處理。理解與掌握測量數(shù)據(jù)處理的基本知識：誤差概念、有效數(shù)字及運算規(guī)則、數(shù)據(jù)處理的基本方法（列表法、圖示法、圖解法、逐差法、最小二乘法等）。2、物理測量與力學(xué)實驗。長度密度測量、金屬絲楊氏彈性模量的測定、扭擺法測轉(zhuǎn)動慣量、三線懸擺測轉(zhuǎn)動慣量、液體表明張力系數(shù)測定、液體黏滯系數(shù)的測定、聲速的測定等實驗。3、電磁學(xué)實驗。包括伏安特性曲線的繪測、電表改裝和標程、萬用表的使用直流電橋測電阻、模擬靜電場、用電位差計測量溫差電動勢、磁場的測量（霍爾效應(yīng)法測磁場、感應(yīng)法測螺線管磁場）、示波器的調(diào)整和使用等實驗。4、光學(xué)實驗。包括分光計的調(diào)整和使用、光的等厚干涉、邁克爾遜干涉儀、光柵衍射法測定光波的波長、光的偏振等實驗。5、綜合性與近代中級物理實驗。包括全息攝影光電效應(yīng)法測普蘭克常量、密立根油滴實驗、弗蘭克-赫茲實驗、動態(tài)楊氏模量、金屬溢出功實驗、核磁共振等實驗。6、設(shè)計性與課題物理實驗。包括焦利秤測固體密度、碰撞設(shè)計、彈簧振子運動、測定電振音叉振動頻率、簡易歐姆表設(shè)計、設(shè)計組裝電位差計、彈簧振光的波長、單縫衍射的光強分布、光偏振現(xiàn)象的研究等實驗。7、設(shè)計仿真實驗（CAI）。通過計算機仿真物理實驗的模擬操作，對大學(xué)生理解實驗原理和剖析儀器的性能和構(gòu)造，了解實驗的設(shè)計思想與方法有很大幫助，同時在一定程度上也提高了大學(xué)生的計算應(yīng)用能力。在了解了大學(xué)物理實驗課程內(nèi)容后，本人經(jīng)過查閱大量文獻并訪談一部分同學(xué)后了解到，大學(xué)生在大學(xué)物理實驗中動手能力有些不足，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：1、部分同學(xué)不會正確地對測量數(shù)據(jù)進行處理，不了解誤差、不確定度的概念，也沒有掌握一些數(shù)據(jù)處理的基本方法。2、實驗前沒有通過預(yù)習(xí)明確實驗原理，對實驗內(nèi)容不熟悉，準備不充分。3、實驗中不能獨立地完成實驗，有些同學(xué)不能獨立正確地安裝、調(diào)整常用的實驗裝置，沒有掌握一些基本的實驗操作技術(shù)（如零點核準、消除視察差等），有些同學(xué)不清楚基本實驗方法（如換測法、靜態(tài)與動態(tài)研究法、模擬法、干涉法等）。4、實驗后不能寫出合格的實驗報告。實驗報告主要有三部分組成：實驗預(yù)習(xí)報告，實驗原始數(shù)據(jù)表，實驗數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)果。有的同學(xué)原始數(shù)據(jù)表缺失，有的同學(xué)不知道所測量的物理常量的理論值是多少，個別同學(xué)自己不撰寫實驗報告，而是抄襲他人的。2.2形成大學(xué)物理實驗動手能力不足的原因分析以查閱的文獻和訪談的結(jié)果為基礎(chǔ)上結(jié)合自己的體會來分析，大學(xué)生物理實驗動手能力不足的原因有以下幾點：一、大學(xué)生對物理實驗的重視程度不夠，部分同學(xué)對物理實驗只是持一種應(yīng)付態(tài)度。大學(xué)生對物理實驗并沒有認真對待。有些大學(xué)生單純的為了學(xué)分或者因為是必修課而不得不學(xué)習(xí)，卻不知道利用實驗提升自己動手能力并學(xué)習(xí)一些物理原理。造成重視不夠的原因有很多，最主要是大學(xué)物理實驗畢竟只是從屬課程[6]，許多同學(xué)認為只要拿到學(xué)分就可以了，而把重心放在所謂的主要課程上，比如英語，計算機等。二、大學(xué)生對物理實驗課程的興趣不足，許多大學(xué)生對物理實驗都不感興趣。剛做實驗的同學(xué)只喜歡擺弄實驗儀器，一旦新鮮感過了以后便不喜歡動手，不愿意努力專研深入進去。在課后也不愿意參加一些開放性實驗課程，在物理實驗操作較好的同學(xué)中，也只有少部分同學(xué)有興趣參加大學(xué)物理實驗競賽。雖然大多數(shù)興趣是靠后天培養(yǎng)的，可許多同學(xué)對大學(xué)物理實驗基本不熟悉，在操作過程中沒有仔細觀察實驗現(xiàn)象，分析現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，也就很少體會到實驗的樂趣，因此也就很難培養(yǎng)做物理實驗的興趣。三、大學(xué)生在物理實驗前沒有做預(yù)習(xí)工作，在課前沒有明確實驗原理，對實驗內(nèi)容并不十分熟悉，準備不夠充分，導(dǎo)致了在實驗過程中有些倉促，加上實驗課時間有限，往往導(dǎo)致實驗沒做完就草草了事。個別同學(xué)在課后也不去實驗室補完實驗。大學(xué)生不做預(yù)習(xí)工作的原因有很多，最主要的應(yīng)該是偷懶，怕辛苦，認為實驗預(yù)習(xí)沒必要，還有些同學(xué)都把精力放在了其他一些所謂主要的課程上，而放棄了對實驗課的預(yù)習(xí)工作。四、大學(xué)生在物理實驗過程中沒有注重自己的基礎(chǔ)操作，對錯誤或者不規(guī)范的操作不予以改正，對產(chǎn)生的物理實驗現(xiàn)象也沒有進行認真的研究和分析。比如在示波器的調(diào)整和使用的實驗課上，當(dāng)示波器上的圖形不符合要求時，部分同學(xué)沒有分析自己操作錯誤的地方，而是盲目的調(diào)動一些按鈕。許多同學(xué)都能在示波器上調(diào)出李薩如圖形，但一般的李薩如圖形都不太穩(wěn)定，同學(xué)們對其抖動原因不求甚解，也不知道用示波器的“同步”按鈕來穩(wěn)定?；A(chǔ)操作不過關(guān)，就會影響到實驗的科學(xué)性，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患，因此不能正確和安全地完成實驗。五、在實驗過程中同學(xué)們恥于問于老師，喜歡低成本地問同學(xué)，不喜歡費力地看書問老師。大學(xué)物理實驗課程包含的內(nèi)容十分復(fù)雜，涉及到許多方面，這其中大學(xué)生必然有許多不懂的地方，部分同學(xué)遇到問題時，恥于下問老師，對問題不管不顧，或者只是問下同學(xué)，知道個大概就可以了，而沒有去深究，細究。因此也就不能通過物理實驗學(xué)到更多的物理知識，也就無法更有效的提升自己物理實驗動手能力。六、在實驗課后部分同學(xué)沒有很好處理實驗數(shù)據(jù)，有些同學(xué)認為實驗只要有數(shù)據(jù)就可以了，而對實驗數(shù)據(jù)的處理十分草率，對誤差和不確定度沒有進行精確的計算，因此無法撰寫出較好的實驗報告。七、在實驗結(jié)束后，部分同學(xué)對實驗不做復(fù)習(xí)，不加深對實驗內(nèi)容的理解與記憶。在完成每個實驗后應(yīng)當(dāng)對實驗內(nèi)容做復(fù)習(xí)，并思考一些相關(guān)的內(nèi)容，如在金屬楊氏彈性模量的測定實驗后，可以思考實驗中“光杠桿”放大法與力學(xué)中的杠桿原理有什么異同點。這樣不僅能鞏固實驗課中所學(xué)內(nèi)容，更好地掌握實驗操作過程，還能學(xué)習(xí)到另外相關(guān)的一些物理知識。第三章對大學(xué)生提高其物理實驗動手能力的一些建議針對第二章分析出動手能力不足的原因，為培養(yǎng)與提升大學(xué)生物理實驗動手能力對大學(xué)生物理實驗學(xué)習(xí)提出了以下一些方法與建議：一、提高自身對物理實驗的重視程度物理實驗課程并不是只給我們拿學(xué)分，拿學(xué)位證書的工具。教學(xué)大綱要求大學(xué)生必修物理實驗課程，我們應(yīng)當(dāng)充分了解并認識到物理實驗對專業(yè)成績的幫助作用，物理實驗不僅能讓我們了解到一些物理原理，還能提升我們的動手能力，認識一些物理常識，能夠更好的認識客觀世界。提升動手能力有利于培養(yǎng)自身的創(chuàng)新意識，提升自身的實踐能力，提高分析問題，解決問題的能力以適應(yīng)現(xiàn)代化工科人才的培養(yǎng)。二、提高自身對物理實驗的興趣大學(xué)物理實驗課程對于理科，工科的大學(xué)生來說是必修的一門基礎(chǔ)實驗課程，大學(xué)一年級就開設(shè)物理實驗課[7]。物理實驗的儀器，中學(xué)和大學(xué)的通用率很低，大一新生總會對大學(xué)的物理實驗充滿向往。雖然物理實驗都是一些基礎(chǔ)性實驗，但很多物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，高科技的發(fā)明創(chuàng)造都是在簡單的基礎(chǔ)實驗中獲得啟發(fā)的。大學(xué)生們要在各個具體的實驗中歸納和學(xué)習(xí)相關(guān)的物理思想和物理知識，不僅要注重自身技能的訓(xùn)練也要注重培養(yǎng)自身的研究問題、解決問題的思路和方法，使自己覺得物理實驗不是分散的，零碎的東西，而是有規(guī)律的，整體的[8]。對物理實驗的一些原理與實驗現(xiàn)象仔細了解和觀察，激發(fā)與培養(yǎng)自己對實驗的興趣。三、課前對物理實驗做預(yù)習(xí)在實驗前，對實驗做預(yù)習(xí)是十分有必要的，實驗課的時間十分緊張，如果課前不做預(yù)習(xí)，對實驗的操作過程和原理都不清楚，在實驗課上就會非常盲目，不知從哪里下手。理解學(xué)習(xí)任務(wù),既涉及對學(xué)習(xí)任務(wù)本身的界定以及說明,也涉及自身積極利用以往相關(guān)的經(jīng)驗,讓現(xiàn)在的學(xué)習(xí)與以往的經(jīng)驗相聯(lián)系[11]。具體到物理實驗中,就是指我們在進行實驗之初,首先要明確地知道該實驗要求掌握哪些實驗操作技能,并詳細地了解這些實驗操作技能的性質(zhì)、特點以及注意事項,使自己對將要完成的任務(wù)有一個明確的期望和目標。當(dāng)然這種目標和期望的提出既要考慮到任務(wù)的難易,也應(yīng)以熟悉自身的實際情況為前提,不能超出自己的能力范圍。四、注重自身基礎(chǔ)操作的培養(yǎng)物理實驗涉及的知識面很廣，包括力、熱、光、電、磁聲及近代物理，對于這些實驗內(nèi)容，根據(jù)自身的實驗?zāi)芰?，循序漸進、從易到難，針對每項實驗的內(nèi)容去培養(yǎng)自身的動手能力[9]。物理實驗中的很多實驗裝置都是由基本實驗儀器組成的，因此首先要學(xué)習(xí)懂得使用基本實驗儀器如力學(xué)中的游標卡尺、螺旋測微計、光杠桿、讀數(shù)望遠鏡等等。電磁學(xué)中的指針萬用表、數(shù)字萬用表、示波器、滑線變阻器、電阻箱及各種電表等等。還有光學(xué)、熱學(xué)等其他課程的實驗基本儀器，都應(yīng)掌握它們的基本原理及使用方法，這些儀器的使用方法，可集中練習(xí)，可分散練習(xí)。在每個實驗過程中基礎(chǔ)操作都是十分重要的?；A(chǔ)操作不規(guī)范，影響到實驗的許多方面，實驗就很可能失敗，就無法提升自己的動手能力。很多物理實驗裝置都需要自行安裝、調(diào)試、然后才能操作實驗。為了提升動手能力我們應(yīng)自行安裝實驗裝置，實驗結(jié)束后再拆下來。如復(fù)擺振動的研究[10]，剛體轉(zhuǎn)動的研究等實驗都可以看說明書動手安裝實驗儀器，然后調(diào)試實驗儀器，最后操作實驗。光學(xué)中分光計的調(diào)節(jié)實驗，是操作規(guī)范，手腦協(xié)調(diào)訓(xùn)練的最好體現(xiàn)。首先要了解分光計的結(jié)構(gòu)、規(guī)格、其次進行粗調(diào)、粗調(diào)很重要。如果粗調(diào)不認真，可能給細調(diào)造成困難，再次是細調(diào)細調(diào)要非常有耐心而且必須按步驟。按要求進行才能把分光計調(diào)節(jié)好。其實物理實驗就應(yīng)先布置、安裝和調(diào)試儀器、檢查桌面上若干儀器的布置是否合理，讀數(shù)是否方便，耐心細致的調(diào)試儀器達到最佳工作狀態(tài)，做到操做有序。這樣可能會花去很多時間，但就整個實驗進程來說，實際是加快速度，而且實驗質(zhì)量也較好。五、注重實驗過程，要多問問題在實驗過程中有必要得到策略方面的指導(dǎo)才能更有效地完成動作技能的學(xué)習(xí)[12]。因此在實驗過程中,應(yīng)該根據(jù)自己的實驗?zāi)芰σ蠼處煂ψ约旱膶嶒灢僮鬟^程加以指導(dǎo)。不僅要學(xué)習(xí)正確的實驗方法和實驗技巧,還要糾正自身錯誤的理解和不正確的操作。當(dāng)實驗的內(nèi)容比較復(fù)雜、難度比較大時,可以要求老師進行示范操作,并且配合指導(dǎo)性的講解,這樣有利于更快的學(xué)習(xí)與提升自身的能力。在實驗結(jié)束后，對自己測出的實驗結(jié)果或者數(shù)據(jù)要有信心。如果數(shù)據(jù)不正確，不要抄襲別人或者自己瞎編亂造數(shù)據(jù)，而是因該仔細分析自己的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)自己在實驗中犯得錯誤，并且重新進行測定。六、充分利用學(xué)校的實驗室，在課余時間多參與開放性實驗由于自身的水平、能力、興趣、愛好等因人而異。因此在要在實驗課的規(guī)定時間內(nèi)，要求完成某些復(fù)雜實驗內(nèi)容有些不現(xiàn)實，所以要根據(jù)自己的情況和需要來安排實驗進度[13]。在實驗課上未完成的實驗，我們應(yīng)當(dāng)在課后的空余時間利用學(xué)校開放的實驗室繼續(xù)完成實驗。另外自己覺得學(xué)有余力的同學(xué)還可以在課余時間搞一些小實驗、小制作，并讓老師對自己的作品進行評定，記入實驗課的成績。這些措施都是培養(yǎng)自身動手能力的有效途徑。在實驗過程中應(yīng)大膽仔細，在實驗過程中由于非故意的原因造成的儀器損壞或故障,我們應(yīng)不必害怕并且主動分析原因、排除故障，使自身敢于動手操作在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程中可以學(xué)到更多的操作技能。在課余時間可以報名參加學(xué)校開設(shè)的開放性實驗，這些創(chuàng)新與綜合性實驗對提升自身的動手能力有很大幫助。在物理實驗課上，由于有學(xué)時和要求的限制，一般都是在課堂上按規(guī)定的步驟完成實驗。而在開放性實驗中，從實驗器具的安裝、調(diào)試與觀察實驗現(xiàn)象等實驗過程和實驗結(jié)果的整理，都由自己獨立完成。同學(xué)們的動手能力有了明顯的提高。參加開放性實驗還可以提高自身主動學(xué)習(xí)的積極性。實驗項目可以根據(jù)自己的興趣和需要自選。因此，同學(xué)們一般在實驗前就充分預(yù)習(xí)，資料準備也較為充分，實驗過程就會非常認真并且十分高效。開放性實驗全部安排在課余時間，這樣也不會占用到大學(xué)物理實驗課程的時間。七、有能力的大學(xué)生要積極參加大學(xué)生物理實驗競賽近期開展的省大學(xué)生物理實驗競賽涉及到許多大學(xué)物理實驗課程中的實驗內(nèi)容，比如霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用，光的等厚干涉，夫蘭克-赫茲實驗等等。這些都是平常我們實驗課所做過的內(nèi)容。實驗競賽的實驗方案要自行設(shè)計，這可以提高我們進行實驗設(shè)計，分析問題和解決問題等方面的能力，從而提高了自身的綜合能力素質(zhì)。實驗競賽的項目也比較貼近實際生活，使自己對物理實驗的產(chǎn)生濃厚興趣。這些建議可以具體到實際的實驗課程中，比如在電表的改裝和校準的實驗中，在實驗前應(yīng)該自己主動的先做預(yù)習(xí)，掌握電表改裝的基本原理和方法，并學(xué)習(xí)用比較法校準電表并繪制校準曲線。學(xué)會利用并聯(lián)電阻分流擴大電流量程，利用串聯(lián)電阻分壓擴大電壓量程。還可以在實驗前通過網(wǎng)絡(luò)了解電表的使用范圍，了解一些電表發(fā)明的歷史，增加對電表知識的興趣。與此同時也要熟悉電表在日常生活中的作用，認識到學(xué)會使用電表的重要性。在實驗過程中，熟悉要使用的儀器相關(guān)參數(shù)，如表頭的量程，滑線變阻器的阻值范圍等等。還應(yīng)當(dāng)注重自己的一些基本操作，比如電阻的接入，實驗電路的連接。特別是在測表頭內(nèi)阻的時候，注意活動變阻器的正確安裝，合理的閉合打開開關(guān)，以免使表頭過載。在改裝好電表和應(yīng)該予以校準，在校準過程中要熟悉校準的原理，用一個準確度較高的電表進行比較，在校準前應(yīng)學(xué)會機械調(diào)零，并按照要求校準量程與刻度。在實驗結(jié)束后對數(shù)據(jù)要進行處理并且進行不確定度的計算。在實驗課后可以思考怎樣把表頭改裝成多量程的電流表，并在課后利用學(xué)校的實驗室進行實驗。第四章對大學(xué)物理實驗教學(xué)的幾點建議一、充分利用計算機對實驗進行仿真并且演示充分利用計算機技術(shù)獲取物理實驗信息及處理數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)豐富實驗教學(xué)手段[14]。計算機輔助教學(xué)己成為現(xiàn)代化的教學(xué)手段通過交互操作和多媒體技術(shù)圖、文、聲并茂等方法,可以形象、生動、全面、準確地演示教學(xué)內(nèi)容。利用計算機模擬仿真技術(shù)完成虛擬與現(xiàn)實、模擬與仿真的實驗?？梢噪S意改變實驗的參數(shù),測試各種數(shù)據(jù),能模擬各種實際狀況進行快速實驗,并且能夠獲得良好的實驗感