大学物理实验教学的整体改革

李登峰,周 平

(重庆邮电大学物理实验中心,重庆 400065)

随着科学技术的迅猛发展,新的实验技术和实验手段不断涌现,教学对象的综合素质也提高了,实验教学理念、教学体系、教学方法和考核办法等都需要相应的改革[1]。目前普通高校的物理实验室建设普遍存在 3个主要问题:一是经费长期紧缺,使得实验测试手段和方法与科学技术发展严重脱节;二是实验教学虽独立排课,但实际上往往从属于理论教学,是对教科书上已有的基本物理规律、定律的简单重复,因而实验结果的不确定性很低,缺少探究过程;三是虽然购买了一些较先进的实验仪器,但新实验项目未能与已有的实验相融合,有的先进实验仪器集成度太高,学生动手能力无法得到锻炼,有的先进实验仪器精度太高且易坏,学生只能观察,等等。这些问题直接导制学生无兴趣学,老师无兴趣教。因此,大学物理实验教学的各个环节都需要进行改革,使之遵循实验教学的规律,系统培养学生对物理现象和规律的观察、测量、分析和数据处理能力,对未知世界的探究能力,以及发现问题和解决问题能力。

一、更新教学观念

大学物理实验课的教学应充分发挥教师的主导作用,突出学生的主体地位。而在传统的实验教学中,大都是在实验教师的讲解指导中完成的,教师从实验目的、实验仪器、实验原理、实验步骤、数据处理直至操作技巧都一一传授,学生只是机械地模仿,根本不可能培养学生的思维能力和动手能力,更不能期望学生对出现的各种实验现象和得到的一些实验结果进行思考、分析和解决问题,达不到素质教育的目的。因此,实验教学应该让学生独立完成,让他们成为真正的主人,教师只是给学生适当的点拨、引导和启发。为此必须注意两个环节[2]:

首先,实验预习的把关。实验预习是实验过程中非常重要的环节,不是抄袭实验教材或讲义,让学生认识到充分预习是做好实验的前提,实验预习的质量将直接影响到实验的开展和学生能力的提高。要达到预习目标:熟悉与实验有关的理论知识,明确实验目的、原理和步骤,掌握仪器结构、使用方法、读数方法及操作程序,弄清实验的设计思想,能预测实验现象和实验结果,并完成实验预习报告。为了掌握学生对本实验理解情况,教师必须对预习效果进行检验,利用实验预作系统,让学生在网上完成实验预作和相应的思考题后,才有资格进入实验室;在实验操作开始之前,教师针对该实验的原理和重点部分进行提问,允许学生进行讨论,把提问的结果纳入实验成绩考核体系。

其次,实验操作的引导。正确的引导可以保证实验顺利地进行,发挥学生主体作用。教师在讲解完实验的注意事项以后,只需要巡回指导,及时纠正学生不正确的实验操作习惯,对实验中出现的错误、遇到的故障和存在的问题要有针对性地给予个别启发和点拨,引导学生充分认识并解决一些实验现象,真正保证学生独立完成实验的各个环节,培养团队合作精神,善于捕捉不同寻常的实验现象并力求给予合理的解释。

二、重构教学体系

很多高校都认识到了原有的实验教学体系过分依赖理论知识、验证性实验偏多等问题,从而进行了各种改革。我们在“强化基础训练,着力提高能力,实现综合培养”的实践教学总体改革思路下,以人才培养为根本,以能力培养为主线,面向我校相关专业重构并完善以综合、设计和研究创新为主的实验教学体系。

(一)预备性实验

预备性实验是指学生在进入实验室之前对相关实验原理、实验现象和仪器设备有充分的认识,了解相关实验原理在实际生活中的应用,以便更好地在实验室完成实验,提高实验教学质量。预备性实验主要由物理实验导学系统和预做系统组成。导学系统包含导学软件、导学硬件和物理实验资源库,实现计算机信息化,拥有更多的图片和动画,包括实验的视频。预做系统把相关实验过程、实验现象、实验结果和实验注意事项展现出来,便于学生掌握整个实验流程。

(二)基础性实验

基础性实验是基础物理实验课程的基础性实验项目,属于必做实验,主要包括基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能的训练、基本实验分析方法和测量方法、误差分析等涉及力、热、声、光、电和近代物理等不同层面和水平的各个知识点,使学生掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能,养成良好的实验习惯,使之具备从事科学实验的基本素质。

(三)综合性实验

综合性实验注重各学科特色和特点,综合多学科知识和多种仪器、多种测量方法等,重视培养学生综合利用知识、处理信息、分析问题和解决问题的能力。综合性实验内容的深度、广度和实验方法的难度均高于基础性实验,采取必做和选做相结合的方式,与学生所学专业息息相关的实验属于必做部分,对自己感兴趣的其余实验项目可以进行一定数量的选做,在教师指导下由学生独立完成实验。

(四)设计性实验[3]

设计性实验教学以学生自主设计、独立实验为主,教师只起辅助性的指导作用。要求学生自由选题,综合运用已学过的知识、仪器、方法、手段等,独立地设计出能达到实验预期目的的、可行的实验方案,教师负责审查设计方案的物理思想和方案的可行性。学生独立完成一次比较完整的实验过程。并得出合理的实验结果。充分发挥学生在实验中的积极性和主动性,培养学生综合运用实验手段能力和独立实验能力。设计性实验不仅是对基础性实验和综合性实验学习成效的检验,还要为创新性实验打好坚实的基础,因此在教学的各个环节中都要严格把关,落到实处。设计型实验项目流程如图 1所示。

(五)研究创新性实验

研究创新性实验教学目的主要是引导学生进行独立思考,激发学生的创新激情和创新灵感,增强学生的创新意识和创新思维,提高学生处理复杂问题的能力和创新能力,培养学生严谨的科学态度和乐于合作、善于合作的团队精神。实验内容反映了教师的科研水平和特色,把教师课题中的部分研究内容移植到实验室中变为研究创新性实验,根据学生的兴趣,采用导师制方式,双向选择。学生从指导教师处得到实验课题后,从查阅资料、研读文献、钻研有关理论开始,学生先提出自己的实验研究方案,经与指导教师研讨后,开始实验研究,最后以科技论文的格式写出综合研究报告。

图1 设计型实验项目流程图

三、注重因材施教[4-5]

在本、专科大学和综合性大学的理工科专业基本上都开设有普通物理实验课程,有些学校的文科专业为了培养学生的物理思维也把它设为了选修课程。显然,学生的基础有很大的差异,如果都按照原来的同一教学模式,难免就会出现有些学生“吃不饱”而激不起学习兴趣,有的学生“吃不消”而失去学习兴趣,这样很难调动学生的学习积极性和主动性。因此,要因材施教,对不同水平的学生应有不同的要求、不同的标准。大学物理实验中的基础性实验、综合性实验、设计性实验和研究创新性实验都应具有很多实验项目可供学生选择,实验项目不仅体现实验的难易性,而且体现学生的专业性。让基础好的学生可以选择较难的实验项目,还可以选做不是本专业方向所开设的实验项目。教师可以要求学生不仅知道“应该怎么做”,还应该知道“为什么这么做”,进一步启发学生思考“还能怎么做”,试图使学生懂得如何去研究物理问题,把着眼点放在培养学生如何用实验方法去解决问题,为以后从事物理学研究奠定基础,而且提供他们更多的动手动脑的平台,如让他们参加课外科技活动小组等。对基础差的和文科类的学生则着重培养他们规范操作能力,使他们养成良好的实验习惯,启发他们多思考,动手与动脑相结合,学会发现问题并解决问题。

四、推进课外科技活动开展[6]

让学生参加课外科技活动是培养学生实践和创新能力的有效途径之一。把课堂拉到课外,是对教学的有力补充,充分利用实验室特有的设备资源,为基础好的学生营造一个能够充分动手实践,发挥他们的想象力、思维能力和创新能力,体现团队合作精神的健康环境。科技活动可从 3个方面来进行。

(一)维修实验仪器

维修实验仪器有助于学生认识这些仪器的机械机构、电路结构或光学结构,通过故障现象来分析判断故障的原因,学会自己动手去排除故障,在维修过程中逐步熟悉常用工具的使用方法和操作技巧,也培养了学生分析问题和解决问题的能力。

(二)制作小型的教学仪器

学生在制作教学仪器的过程中,一定要去查一些相关方面的资料,让他的知识面更广,而且也锻炼了思维力、想象力以及筛选有用资料的能力。每当一个设计思路出来后,要求教师和几个同学一起来讨论它的可行性,这有利于培养学生们的合作意识,而且亲自制作成功的教学仪器会让学生体验到成就感,让他们对物理实验的兴趣大增。

(三)开发新实验

可由基础好的学生在教师的带领下完成,一般分为两类来实现:把科研成果浓缩转化为物理实验和引进国外的一些典型实验。将科研成果浓缩转化为物理实验有不少好处:一是选题新颖,能够培养学生创新素质,增强科研意识;二是不但能使学生亲自参与实验仪器的制作,还能将前沿科学、新技术及时传授给学生,这类题目能启迪学生创新思维,拓展想象空间,增强学生对实验的兴趣;三是开发成功的实验可以纳入以后的物理实验中去,这有助于教学内容的更新。国外一些大学的物理实验构思巧妙,内容新颖,物理思想丰富,综合性强,在力学、热学、电磁学、光学之间没有严格的界限,值得引进。

[1] 张学军,王锁萍.全面改革实验教学 培养学生创新能力[J].实验室研究与探索,2005(1):4.

[2] 姚橙.提高大学物理实验课教学效率的研究与探索[J].实验室科学,2010(3):31.

[3] 贺梅英,章国英,金丹青,等.设计型物理实验的研究开发与思考[J].实验室科学,2009(4):81.

[4] 魏山城,任玉珍,韩书俭.改革实验教学方法促进学生对实验的兴趣[J].实验室研究与探索,2005 (3):60.

[5] 隗群梅.改变物理实验教学方法培养高素质创新性人才[J].大学物理实验,2009(1):107.

[6] 张萍,李学慧,刘军,等.开展课外科技活动,培养实践能力和创新能力[J].大学物理实验,2003(2):89.

(责任编辑 魏艳君)