“一体两翼”的物理实验教学模式的探究

张 萍 宋金璠 郑长波

(南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳 473061)

“一体两翼”的物理实验教学模式的探究

张 萍 宋金璠 郑长波

(南阳师范学院物理与电子工程学院,河南南阳 473061)

从培养高水平创新型人才的教育目标出发,结合我校实际,阐述了改革物理实验教学体系、教学方法及手段的建设思路和措施.实践表明,充分挖掘经典实验项目的创新性、设计性同样能提高创新型人才的培养效果.

创新能力;物理实验教学;教学体系;技能训练平台

引言

在我国物理教育中不同类型的高校有着不同的分工,在人才培养上存在差异化和层次性,其实验教学质量工程的建设也应有不同的定位和分工[1].经过近几年的国家实验示范中心的创建过程,现代先进的教学理念被普遍接受,与之相应的“分层次、模块化”的实验课程体系也逐步建立.然而在重新整合实验题目和内容的过程中,过分强调创新性、综合性、分层次,而忽略了基础性、物理性、系统性,使所有高校都有了同一种教学理念“创新”、同一种教学体系“分层次”、同一种教学模式“开放”.作为基础物理实验教学,就课程内容而言其教学本质是通识教育,全国各个高校物理实验课程所开设的实验选题都经历过历史的考验,并被证实是培养学生各种能力的好题目,其教学体系内容也很完善,经典实验往往就是革命性的实验,如许多诺贝尔物理奖实验,这些实验实际上包含了不少创新精神和创新点.

通过学习和借鉴兄弟院校的先进经验,结合我校的人才培养目标,把我们的物理实验教学改革归纳定位为:“加强基础、发展能力、突出创新”,提出了以改革物理实验课程教学模式作为“一体”,以实践创新、平台扩展作为“两翼”的发展方向(图1),其中“一体”是培养创新型人才的基础,“两翼”是特色,“一体”促进“两翼”发展,“两翼”为“一体”服务.由于我校地处经济欠发达地区,无法和国内许多知名大学相比,经费短缺,科研薄弱,对现在所要求的设计性、创新性实验选题,我们着眼于踏踏实实、充分挖掘已有的实验项目的创新性、设计性、研究性,对课程体系、教学模式、教学内容、教学方法深入改革,坚持好物理实验教学的基础性,保持好物理实验教学丰富的物理内涵,完善物理实验教学宽广的内容体系,逐步形成了物理实验教学现代化新格局.

图 1

1 深化物理实验教学体系改革

1.1 紧贴科学前沿,更新教学内容

为满足不同专业、不同层次学生在不同阶段学习的需要,2006年建立了新的物理实验教学体系:打破了传统的物理实验教学按力、热、电、光进行划分的教学体系,变孤立实验为以比较、联系、发展为特征的认识和实践过程,建立了物理实验循序渐进的阶梯式教学模式,分级、分层次的教学体系.新实验教学体系的组成部分为:基本实验、综合性实验、设计性实验、研究型实验等,形成了从低到高、从基础到前沿、从接受知识到培养创新能力,逐级提高的一、二、三、四级物理实验教学新体系.每一级的实验大致用一个学期的时间完成,不同的级别标志着不同实验技能和科学思维水平.这样,物理实验课不再是课堂教学内容的简单重复和验证,而是培养学生独立自主、探索求新的综合实践模式[2].

1.2 实施充满活力的教学方法

1)设计丰富新颖的实验方案

(1)“利用同一仪器设计多种实验”.分光计(光学测角仪)是用来精确测量入射光和出射光偏转角度的一种仪器,用它可以测量物体的折射率、色散本领、光波波长、光栅常数等物理量[2].分光计的调整和棱镜折射率的测定是大学普通物理实验必设的一个实验项目,实验内容比较经典,随着物理光学方面的一系列理论和实验研究的不断完善和光电检测技术的不断发展,我们增加了一个新的实验内容——关于表面等离子体共振的新型综合实验平台.学时数由原来的6学时增加到9学时,学生利用实验室开放时间,通过自己阅读实验讲义熟悉分光计的调整方法,自行到实验室学习分光计的调整和使用,然后在此基础上,分3次分别完成棱镜折射率的测定、用透射光栅测波长和采用表面等离子体共振技术测量不同浓度蔗糖溶液的折射率对SPR传感器共振角的关系.最后部分的实验采用的光源是波长为655nm的半导体激光器,自制硅光电池放大电路作为检测元件,利用分光计的转盘来精确地改变入射光的入射角度,自行组装角度指示型的SPR传感器综合实验装置.这一实验表明将表面等离子体共振理论引入到普通物理实验中,学生能更好地了解消失波的概念、表面等离子体共振现象及电介质折射率对共振角的影响等[4].

(2)“用不同仪器或方法完成同一目的的实验”.如分别采用迈克耳孙干涉仪法、光栅衍射法、激光散斑照相法、等色谱法等测定光波波长;又如在光学材料折射率的综合测量实验中,要求学生设计多种方法进行折射率测量有:最小偏向角法、掠入射法、全反射法、位移法、迈克耳孙干涉仪法、夫琅禾费双缝干涉法、偏振法等.

(3)“对比性实验”.创新的根本内涵是超越以往,也就是说在新旧事物、方法的交替中才能体现出创新.因此通过一定量的对比性实验,可以有效地培养学生的创新能力,把最理想的实验结果放在后面,以体现出思维和科学技术的进步.例如“测量衍射光强分布实验”中,先采用传统的测量方法即用丝杆带动光电池(或光电二极管),用灵敏电流计顺次逐点测出各处的光电流,绘出其光强分布曲线,进而得出相对光强和相对光强分布规律.再采用高精度的光栅传感器测量位移,用硅光电池测量光强,因而可精确测出衍射光强的分布,全部数据采集和处理由计算机控制,提高了测量精度,所得测量结果与理论公式计算结果符合较好.前述方法测量原理易懂、测量简单、但误差大,后者使学生掌握计算机程控技术在科研中的实际应用,体会现代技术手段的准确、快速和高效[5].

学生们在完成这些实验后深有感触地说:“这样做实验,能学到真本事.”

2)探索多种教学模式[6]

(1)“问题式讲解”教学方法.传统的教学模式是以教师为主体进行机械的填鸭式、灌注式教学,学生“照单抓药”进行机械性地操作,按部就班完成实验全过程.我校从2007年开始取消普通物理实验课前的讲解和演示,学生进入实验室后,依照实验讲义,可以直接开始动手实验,在实验过程中遇到棘手的问题再请老师讲解.教师在课堂中巡视并解答学生的问题,若发现学生中普遍存在的问题,则会在讲台上集中讲解一次[7].教师的作用不是“教会”,而是引导启发学生,促进学生学会解决具体问题的方法、程序和步骤.如在电学实验中,不限制学生使用何种电路完成要求的实验内容,不同量程的电表、实验元件摆放在公共区,学生根据自己的设计思路选取元件完成实验内容.学生最初接触这种授课方式时,表现出明显的不适应,总是翻看实验讲义很久后才开始试探性连接电路,实验每完成一小步,都要小心翼翼地找老师确认是否合格、是否可以进行下一步实验,在经过一段时间课程训练后,学生的自主能力得到了很大的提高.这种教学模式,鼓励学生“从做中学”,即在“做”的过程中学习,通过“做”达到了“学”的目的,经过思考而领悟道理.

(2)“讨论式解疑”教学方法.在实验过程中,发现学生在走弯路或遇到挫折时,我们不会立即指出并加以纠正,而是换一种教学方法,针对学生在实验过程中所遇到的问题,进行集体讨论,发掘问题的症结所在,不勉强学生接受他人的观点,希望学生按自己的思路和方法进行实验,有时小小的失败可能带给他们的是更大的收获,这样更加开阔了他们的思维,提高了他们的实践能力,让他们用研究的心态来做实验.在实验过程中注意给学生营造一个平等、活跃的学习气氛,以表扬鼓励为主,充分调动学生的学习积极性,保护他们的学习兴趣和创造能力,多与学生交流,把握学生的心理,因材施教,发掘每一个学生学习和创造的潜能,提高他们的实践能力及创新能力.

(3)“竞赛强化式”教学方法.主要是针对有一定难度且工作量较大的研究型层次的实验.在实验教学过程中提出一些研究性的题目供学生讨论和研究,要求学生2～4人一组,学生需要讨论、分析各种可能性,设计并实现多个实验方案以检验其分析判断的合理性与正确性.我们要求每一位同学均需撰写个人报告,每个小组需要提供总的研究报告.为提高竞争性,我们尝试两个小组做一个题目.同一题目的两个小组先后进行口头报告,并对报告进行辩论.通过这种方法,使学生体会从文献调研,方案设计,报告撰写与发布等科研流程,初步积累科研经验,同时,学生在对话和倾听中,明白了对同一问题也可以有不同的解释,有助于学生各自经验和优势的发挥,促使复杂任务的完成.锻炼学生团队合作能力.例如:我校根据学生的专业、理论基础、实验动手能力的不同,对于电子专业的学生,题目测重于物理电子学知识,如“设计恒温控制器”、“路灯节能控制”等题目,对于物理学专业的学生,要求学生偏重物理理论知识的理解与应用,如“叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量”、“激光束的特性研究”、“光敏电阻基本特性的测量”等题目.通过几年的教学实践,使学生的潜能和聪明才智得到了充分发挥,亲自体会科学研究所带来的启迪和成功后的喜悦.其中有的题目已经获得学校的实验教学改革立项的资助,有的题目已作为本科的毕业设计题目完成.

1.3 物理实验课程成绩评定方法

物理实验的考核应当能真实地反映出学生的实验水平和实验素质,我校在实验课程考核过程中,学生的每个实验项目的成绩由预习成绩、操作成绩和实验报告成绩3部分组成,由教师根据基本的评分标准自行掌握.加做实验、分析讨论优秀、有创新想法,可酌情加5～15分,注重知识、能力、素质的全面考核.

2 搭建开放式的技能训练平台

2.1 开展学术研讨,培养学生的创新思维方式

进行专题科学报告,举办各种类型的研讨班和兄弟院校进行经验交流,以及不定期的学术讲座是我们培养学生创新思维的手段之一,通过这类活动的开展,学习他人的先进经验,了解、掌握当今科学技术发展的现状,在实验内容上引入边缘学科、前沿学科和交叉学科,让科研进课堂、进教材.在此基础上,还不定期地对学生开展问卷调查,了解学生的思想动态、兴趣点,了解他们对物理实验教学的意见和建议,从而提高实验教学的水平.

2.2 拓展学科知识,加强工程实践训练

为进一步提高学生的实践能力,将理论知识应用于实践,我们利用南阳市的光电产业在全国具有优势地位的有利条件,和中光学集团、利达光电公司、二胶厂等企业联合共建实验基地,一方面组织学生分期分批到基地进行实习,通过现场教学既增强学生的动手能力,又加强了学生对理论知识的理解和巩固;另一方面可以充分发挥实验教学基地的自身的设备优势,协助生产单位进行科技攻关,提高产品质量,开发创新产品,提升企业发展的后劲,助推企业的发展,实现了我们服务地方经济的人才培养目标[8].

3 结语

通过近几年的教学改革与实践,学生的动手能力和综合素质得到了普遍提高,在3年的实验操作考试中,优秀率达90.2%,各用人单位也普遍反映学生动手能力强,综合素质高,特别是考上研究生的学生,在复试的实验技能考核中,97%的学生都能获高分,深受导师的好评.在目前大学生普遍就业形势不佳的形势下,我院物理学教育专业的学生就业率达100%.

[1] 谭平.地方高校应用型人才工程实践能力的培养[J].实验室研究与探索,2009,28(5):93～96

[2] 金思姬,郭立群,王怡等.物理实验课程体系教学内容的改革与实践[J].大学物理实验,2008,21(4):105～107

[3] 隋成华,林国成.大学基础物理实验教程[M].北京:北京出版社,2007.119～125

[4] 郭守月,单士军,邓灵福.SPR传感器测量液体折射率的原理[J].物理实验,2006,26(11):39～42

[5] 张萍,郑长波.用光栅式位移传感器测量衍射光强分布[J].物理实验,2004,24(5):10～12

[6] 何为,张占龙.综合性大学立体式电工电子实验教学模式[J].实验室研究与探索,2009,28(7):85～87

[7] 王峥,王文文,徐平.法国工程师培养模式物理实验教学的特点与启示[J].实验室研究与探索,2009,28(4):149～150

[8] 吕英波,杨田林,王爱芳等.建设特色鲜明的实验教学过渡期中心[J].实验室研究与探索,2009,28(8):101～103

2009-06-04;

2009-11-24)

河南省高等教育教学改革研究项目(2009SJGLX244).

张萍,(1967年出生),女,汉,浙江丽水人,实验师,本科学历,主要从事物理实验教学和实验室管理工作.