同一设计性实验两种教学模式的探索与实践——“望远镜、显微镜的设计与组装”实验的两种教学模式比较

李 田 汪 涛 叶大梧 陶纯匡

(重庆大学物理学院,重庆 400044)

同一设计性实验两种教学模式的探索与实践
——“望远镜、显微镜的设计与组装”实验的两种教学模式比较

李 田 汪 涛 叶大梧 陶纯匡

(重庆大学物理学院,重庆 400044)

本文讨论比较了“望远镜,显微镜的设计与组装”实验的两种教学模式.指出,设计性实验应充分调动学生的积极性,使他们在实验原理,实验内容,实验方法等方面充分发挥主观能动作用.经过设计性实验的训练,他们的实验能力和分析问题的能力得到更大的提高.

设计性实验;望远镜;显微镜

1 前言

自上个世纪几十年以来,大学物理实验加快了改革的步伐,在国内高校大学物理实验中涌现了一批设计性实验,这应该说是一大进步.但是由于当时并没有一个指导性的文件阐明基础课大学物理实验的设计性实验怎么定位,各校同仁的理解各不相同,因此设计性实验项目及其内容五花八门.

一部分高校将原来的透镜成像实验提升为望远镜、显微镜的设计与组装.由于“望远镜、显微镜的设计与组装”实验(以下简称“二镜”实验)具备较强的知识性、科学性、趣味性和实用性,教学内容有选择性、多样性和效果的可比性,因此对“二镜”实验至少在实验前学生的热情是高涨的,对该实验具有一定期待.但由于大家对该实验项目的认识不足,理解不深刻,准备也不充分,结果实验后学生们很失落.学生普遍反映实验中元件太少,根本没有选择的自由度,谈不上设计(笔者及同事走访了部分院校.发现该实验组装“二镜”的元件太少,大部分高校都仅有3个凸透镜.我们的情况稍好一点,也只有4个透镜:3个凸透镜,1个凹透镜),课后仍然是完成实验报告而非论文.于是,这个设计性实验仅仅是名义上的设计性实验,而实际上仍然是一个验证性的基础实验.

这个被拔高的验证性基础实验至少暴露了如下问题:

实验设计者缺乏对设计性实验中“设计性”一词的深入理解,没有解决设计性实验与普通基础实验的真正区别是什么,在教学中应当有哪些与“设计性”有关的教学内涵与方法等.

由于上述原因导致实验器材准备不充分(3个凸透镜,一个作目镜,一个作望远物镜,最后一个作显微物镜).学生完全没有选择元件参数的自由度,当然谈不上设计,所谓“设计”仅体现在实验项目名称上而已.

另外,由于元件少,组装出来的“二镜”未考虑人眼的构造,人的个体差异和缺乏个性,必然实用性差,观察起来极为不方便,无形中还助长了学生对科学问题马马虎虎、随随便便的态度与作风.实验中缺乏了设计,论文写什么?因此只有以普通实验报告收场.

随着教学改革的不断深入,特别是《理工科非物理类专业大学物理实验课程教学基本要求》颁布实施以来,大家对设计性实验有了深入而全面的认识.我们也反省了自己的教学大纲和实验项目,决定全面改造“二镜”实验,使之从文字意义的设计性实验成为真正的设计性实验并成为教师能施展因材施教教学方法的实验项目;一个深受学生欢迎的设计性实验.

2 真正意义下的设计性实验的探索

1)实验设计思路与目标:“二镜”设计性实验应以信息量相对较大、综合性较强的设计性实验内容和以启发式的教学方法取代传统的验证性实验.学生通过“二镜”设计性实验环节的锻练,既可以学习到较为深入的光学知识,又可以发挥自己在实践中的主动性,培养和提高自己的创新能力.另外,通过本实验环节的锻练和培养,学生还可学习对科学问题一丝不苟、精益求精的严谨态度和作风.

2)适当增加知识点:“二镜”设计性课程的改革提高了“二镜”实验的实用性,这不可避免地增加了许多知识点,有些是教材没有涉及到的.例如“瞳的概念”、“出瞳直径”、“出瞳距离”、“视窗”、“人眼结构与目视效果”、“分辨率”等.其中以“出瞳距离”较为重要,学生在设计具有实用价值的“二镜”实验过程中必须掌握.举例说明:

以下是三组物、目镜配合,按公式 M=fo/fe都可以实现组装放大率为20倍的望远镜:

但事实是:望远镜是目视光学仪器,最终要用人眼观察,考虑到人眼的结构,人眼眼瞳到角膜顶点约4mm,目视光学仪器的瞳孔距一定要大于此值;再加上眼瞳到睫毛距约8mm,因此目镜焦距应不小于10mm.同时,还要考虑学生有正常眼和近视眼以及观察习惯,出瞳距离应该在12～30mm之间较好.因此按此要求,第一组物、目镜数据配合中出瞳距小于12mm,组装的望远镜显然不能用于观察,数据完全不能用;第三组数据出瞳距大于30mm,组装的望远镜可以观察但不方便(要找出瞳像才能获得较大视场);而第二组数据出瞳距在12～30mm范围内,符合人眼的结构要求,组装的望远镜观察起来方便,是我们可以选用的参数.由此我们看到,为了提高“二镜”实验实用性,必须拓展设计性实验的知识点.

另外,实验中我们提供了不同孔径及焦距的透镜有10个以上,学生在预习课程的时候会有相同放大率的几组选择,在实验课设计中还会出现出瞳距的效果好坏及优化问题.

3)课程教学时间安排及要求

该实验的学时数由原来的3学时改为6学时,即课前3学时(学生自查资料),课内3学时.实验共分3阶段进行:第1阶段,教师提前告诉学生“二镜课”实验的教学内容安排与要求以及注意事项.课前学生自查资料,自学新知识,根据实验室能提供的透镜参数(事先提供透镜参数)初步拟定设计方案;第2阶段,课内学生提交设计方案,获教师认可通过后学生就可领取透镜进行“二镜”设计与组装的实施及实验.有问题即时和教师讨论解决.组装的二镜可在小范围内进行效果好坏比较,体现效果的可比性,致使该实验成为真正意义下的研究设计性实验;第3阶段,课后撰写小论文(格式事前提供),字数在2500左右.

4)实验仪器设备及器材的完善

为使实验成为真正义意下的设计性实验并具有好的实验效果,我们还进行了如下实验仪器设备及器材的改造和完善:

(1)每个实验组(2人)配备孔径、焦距 f各不相同的透镜10个以上,供学生按设计方案选择使用.增加透镜的品种和数量,使学生能根据自己的理解、观察习惯(如戴眼镜观察)和个性要求设计不同配组方案,在组装时有较大的选择自由度并实现设计方案的优化.

(2)与原实验相比较,每个实验组还增设了两套实验室自制的全反射镜辅助光路.一套是在组装望远镜时,将物像做二次反射;另一套是在组装显微镜时,将标准尺度做二次反射,提供学生直观快捷地对放大或显微的像与原像或标准作比较.

(3)选配多种输入物(缩微图片或标本)和标准显微镜、望远镜(简易型,主要用于与学生的实验结果进行比较.

(4)为了使实验器材与设计性实验相适应,我们改进了原实验所使用的照明系统,提供实验室自制的LED照明系统从而改善以往该实验中输入物亮度不足、学生视觉易疲劳、读数不准确等弊病,藉以提高学生的实验效果与学习兴趣.

5)加强教师自身建设及实验教学方法的研究

教师的教学质量与教学方法是设计性实验成败的关键,为此我们进行了如下工作:

(1)加强教师的自身建设,增加知识储备.

(2)加强实验教学方法的研究,领悟因材施教的真蒂.教学指导中忌限制学生的思维,学生组装的二镜其效果学生在实验结果的相互比较中自有定论.

(3)搞好各种教学观摩课,教师间相互学习、切磋,共同提高.

3 严格意义的设计性实验教学效果体验

学生在该实验中,面对启发式的教学指导,面对众多的光学透镜和多种组合,按照自己的理解和构思设计并组装4～10倍放大倍数的望远镜和30～100倍显微镜.学生完成该实验后,普遍反映实验内容丰富,完成实验项目有一定的难度,具有挑战性和吸引力.一句话,改进后的实验真正具有研究与设计的意义,学生通过实验可以锻炼和培养自己的创新意识、创新精神和创新能力.

教师认为新的教学模式对教师是一个挑战,也是教学活动的一个突破.原来面对众多学生以同一种模式和方法照本宣科地授课,对学生成绩的度量是实验报告.现在改变了,教师必须加强自身建设,增加知识储备,调动自己的知识把握能力,运用启发式和因材施教的教学方法指导学生完成实验,而对学生的评价则是通过全过程的表现、实验结果以及论文综合起来评分.

本实验中教师用启发式灵活变化的方法指导学生,在理论与实践两个方面结合起来综合考察评价学生,教学活动的“教”与“学”得到有机的最佳统一.

4 为深化教学改革寻找到了一些可资借鉴的思路和方法

通过“二镜”课改的实践,严格意义的设计性实验探索取得较好的效果.我们物理实验中心在课改前期做了大量的准备工作,进行了专门研讨,对可能出现的多种因素有一定的预见,在实际教学中出现的新情况也得到及时整改和完善.

总结“二镜”课改的成功经验,我们还为其他实验课程的教学改革创新以及具体实施寻找到了一些可资借鉴的思路和方法.首先是,对实验课教学方法深化改革的创新可行性要进行充分的研讨,全面掌握该实验项目的特点及课改的可操作性,尽可能预见到设计性实验中会出现的新情况、新问题并设置应对措施;其次是,教学改革应该有学生参与.教学是教师和学生互动的过程,缺一不可.课改可先在小范围尝试,及时听取学生的意见,不断进行完善,总结经验后再推广到涉及面广的大学物理实验中去.

我们希望通过自己的积极努力,使更多的传统实验项目与现代教改相衔接,使其技术含量得到升华,在培养学生创新意识、创新精神和创新能力的教学实践中焕发新的生命.

RESEARCH AND PRACTICE OF TWO DIFFERENT TEACHING MODE OF THE SAME DESIGNING EXPERIMENT

Li Tian Wang Tao Ye Dawu Tao Chunkuang
(College of Physics,Chongqing University,Chongqing 400044)

This paper has discussed and compared the two teaching modes of the design and install of telescope and microscope experiment.It has been pointed out that designing experiments could stimulate the students’motivation and make them fully exert subjective initiative on experiment principle,experiment content and experiment method.After the training of designing experiments,the experiment and analysis ability of the students have been improved greatly.

designing experiment;telescope;microscope

2010-07-15)

李田,女(1958年出生),实验师,中心副主任,主要从事大学物理实验教学及教学管理工作.