大学物理实验改革研究

魏江，汪昭，李嘉亮

（常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏常熟 215500）

大学物理实验改革研究

魏江，汪昭，李嘉亮

（常熟理工学院物理与电子工程学院，江苏常熟 215500）

根据现今大学物理实验教学中出现的一些问题，阐述了实验教学改革的必要性，提出了从合理利用时间、增设实验专题、充分利用资源、利用先进技术和完善考核制度等方面的改革措施。

大学物理实验；改革措施；仿真实验

一、大学物理实验改革的必要性

大学物理实验是一门传统学科，旨在培养学生的科学实验能力，开发学生创新思维。我校经历了由1958年的师范专科到1989年的“文理渗透”，再到2004年的“向理工应用学科为主”的发展［1］，大学物理实验教学在不断改革创新中发展，取得了一定的成绩。但是，随着专业的增加、生源的变化，大学物理模块化教学体系的改革和实验器材的更新，也出现了一些新的大学物理实验教学问题。

常熟理工学院的《大学物理实验》课分为基础性实验、综合性实验与设计研究性实验三部分［2］，旨在循序渐进地培养学生的操作技能和创新能力。但是基础性和综合性实验的内容还是按照传统的教学模式进行，由教师介绍实验重点和注意事项，并手把手指导，虽然实验结果令人满意，但在整个教学过程中缺少了学生自己的思考和探究，在一定程度上限制了他们的学习积极性和创造性。主要问题是：一、部分基础性实验时间利用不够合理，实验注重了对理论的验证而轻视了在实际生活中的应用；二、部分综合实验内容繁杂，深入研究不足；三、某些研究性实验仪器功能高度智能化，不利于培养学生的创造性思维；四、教学手段单一，现代化教学技术应用不足；五、实验考核较简单，学生重视程度不足。

二、大学物理实验改革措施

（一）合理利用时间，提高学习效率

基础性实验内容相对简单，完成时间较短，往往安排的三节实验课时间，一半甚至三分之一时间内就有同学做完。针对这种情况，现在的安排是将剩余时间用于处理实验数据并完成实验报告。实验数据的分析与处理当然是实验的重要组成部分，但这些完全可以利用课后或课余时间完成。由于实验仪器数量相对来说还不是很充足，不能把宝贵的实验时间充分利用就是浪费资源。因此，建议增添一些与实验相关的简单内容，这样既可以提高学生操作仪器的熟练程度，又可以加深学生对实验原理的理解。

例如在基本测量实验中，除测量固体密度外也可以测量液体密度（不同浓度盐水或糖水）。方案一：利用密度的定义：ρ=m/v，其中m是天平测得的液体质量，v是用量杯测量的体积。方案二：用天平测量量杯质量m.，加入水到某一刻度，称量质量为m1，注入待测液体到同一刻度，测出质量为m2，根据ρ=（m2-m0）ρ0/（m1-m0）求解待测液体密度ρ（ρ0为水的密度）。方案三［3］：借助一个正方体软木塞（边长为a），由于它的密度小于水的密度，放入水中将处于漂浮状态，测量它露出水面高度b，再放入待测液体中，测量露出液面高度为c，根据阿基米德定律，待求液体密度为ρ=（a-b）ρ0/（a-c）。可以根据实验时间安排两到三种方案，并将测量结果比较分析。对以上内容的具体时间安排见图1。

再如在液体表面张力测定实验中，可以在水中加入洗衣粉［4］，测量不同浓度的液体表面张力系数，通过实验结果了解表面张力在生活实践中的应用。

在透镜实验中对凸透镜焦距的测量采用了四种方法，在适当补充镜片度数的条件下（眼镜的度数等于镜片焦距倒数的100倍，即等于100/f，镜片焦距单位是米），可以尝试对老花镜度数的测量。虽然是基础实验，但是由于加入了生活元素，更容易激发学生的好奇心和求知欲，加深了他们对实验原理的理解，提高对仪器的熟练操作程度，提高了实验教学效率。

（二）增设实验专题，开发综合实验

综合实验是在学生具有基本操作技能的基础上，将各个基础学科的知识相互交叉、优化整合的实验内容。大学物理实验中心的综合实验个数达12个之多，涵盖力、热、光、电和近代物理实验，每一综合实验涉及多个学科，但美中不足是针对每一综合实验的深入研究探讨不足。针对不同专业的特点，尝试引入专题教学，每一专题可根据内容安排两到三次实验。例如针对数学、物理、化学的相关专业，声速的测量就可以成立一个专题，除了测量空气中的声速，还可以测量液体中的声速。在测得液体温度、不同浓度盐水（或糖水）密度的基础上，找出液体中声速随温度和浓度的变化规律［5］，并从分子运动理论的角度来解释实验结果［6］。通过这一专题的研究，加深了学生对宏观规律与微观规律间关系的理解。对机械、自动化等工科专业可将电桥作为一个专题，内容包括直流电桥（测中值电阻的惠斯通电桥和测小电阻的开尔文电桥）与交流电桥。通过直流电桥与伏安法测电阻实验结果准确性的比较［7］，更容易掌握合理的测电阻方法，通过桥臂电阻数值的选择找出桥臂与电桥灵敏度的关系［8］，掌握更准确测量电阻时参数的选取。

综合实验专题的设立是相关实验内容的整合、重构，它对教学水平提出了更高的要求，在开拓学生思路的同时，也提高了他们的学习兴趣。专题的设立同时也锻炼了学生的科学素养，对他们独立思考能力的培养起到了推动作用。专题的设立也可以对后续的研究性实验提供必要的技术支持，例如在声速测量的基础上，如果再进一步测量出系统的压强和密度（或者是测量出系统的温度和空气的摩尔质量），也可以得到被测系统的绝热指数和系统的等体热容量和等压热容量［9］；如果在此基础上再进一步探究，还可以得到常温常压下等容热容量和等压热容量与温度无关的结论。

（三）充分利用资源，激发创造思维

设计、研究性实验中有些仪器集成化、智能化较强，功能单一，数据输出前甚至已经处理，如研究性实验《粘度系数随温度变化的研究》所用的PH-Ⅳ型变温粘滞系数实验仪，《压强与沸点关系的研究》中LB-PB压强-沸点实验仪。这类实验操作较少，只需记录几个数据就完成了实验，这当然简化了操作步骤和数据处理，但是对于学生动手能力的培养收效甚微。而研究性实验的内容有时可以自行设计，器材也可以就地取材。例如由于仪器的使用和更新，实验室里经常有各种即将或已经报废的仪器，大到整个实验箱，小到一个单相开关，虽然整体使用已经不符合实验要求，但拆开利用也能起到不错的效果。如霍尔传感器中的螺线管可以当做电感在自搭的RLC电路中使用；螺线管中漆包线也可以测出电阻，通过公式R= 4ρL/（πd2）算出漆包线的长度L［10］，其中ρ是材料的电阻率，d是漆包线的直径，这就是一个较好的设计性实验的内容。如报废的物理天平可以重新组装，经过对横梁、吊耳、挂架和托盘的调试［11，12］，使其还能发挥作用（对测量精度要求不高时）。经过学生的尝试和创新，不但提高了动手能力，同时也为今后的学习深造打下了良好的基础。

物理实验室有许多贴合生活的实验内容，如立体电影、激光琴、梦幻点阵（魔球）、超导磁悬浮列车等五十多个精彩实验，可以在适当的时间组织安排学生参观学习，参观后可以各自选取感兴趣的内容，进行相关资料文献的收集和整理，最后以小论文的形式阐述某一内容的原理、操作、现象、解释及生活中的应用。通过各种形式充分利用现有的实验资源，使同学们了解到物理实验在现实生活和工业生产中的具体应用，特别是了解先进技术和基础科学的紧密联系，激发他们的创新意识和创造思维。

（四）利用先进技术、改革实验方式

随着科技的进步，传统的实验教学也急需改革。利用计算机技术开展的模拟仿真实验已经越来越受到高校的重视，我校已经有教师申请了科研项目，正在进行这方面的研究和开发工作。模拟仿真实验利用多媒体技术和网络技术对现有实验内容进行模拟仿真，系统能提供简单的、通用的交互界面，可以模拟仪器操作、参数设置、结果分析的整体实验流程。

1996年中国科技大学天文与物理系在国际上首创了第一套仿真物理实验教学软件［13］，1988年升级到windows版本，其中的模拟技术水平和实验规模达到国际领先水平。1999年推出了《大学物理虚拟实验》的internet远程教学系统，在国内和国际的物理教学界产生了巨大的影响，系统得到了广泛的应用和赞誉。这种新颖的实验方式克服了传统实验受仪器测量范围、操作环境、时空条件等因素的限制，特别对某些结构较复杂的仪器，模拟系统可将仪器拆卸、解剖，便于学生对内部结构和工作原理的理解和使用。

在网络信息越来越普及的当下，更多的学习活动可以通过网络来实现。虚拟实验室丰富了现今的实验内容和实验手段，在增大教学对象范围的同时，也减少了资金的投入，使我们有限的教育资源得以更好地利用。利用模拟系统良好的交互性、计算机的高效仿真性可以更好地展示实验现象的微观及整体，有利于提高学生的能动性，同时预习过程中的模拟操作也可减少实际操作中由于操作不当而造成的失误。随着模拟仪器库的完善，有望实现更多的仿真实验，这是对现行实验室教学的有效补充，也是今后实验教学改革的主要研究方向。

远程实验教学一直是网络教育的一大难题，中国科技大学推出的《大学物理虚拟实验》的Internet网远程教学系统为我们提供了一种新的思路和方法，系统结构见图2［14］。系统实现了网上学生间和师生间的实时交互教学，使实验教学在时间和空间上得到延伸。实践证明，这套系统在教学中取得了很好的教学效果。

图2 大学物理虚拟实验远程教学系统结构图

（五）完善考核制度，规范实验教学

《大学物理实验》现有的考核方法较为宽松，基本上只要是来做实验并能独立完成实验报告的同学都可以有不错的成绩。由于受到多种因素的制约（实验人数众多、教师资源不足、各学院时间调配困难、选课内容繁杂），只能重视平时考核，忽视期末考核。导致部分学生对《大学物理实验》课程不够重视。现在随着学院的实验教学改革，这一问题将有所缓解。建议每学期集中安排一次实验理论考试（也可以以小论文的形式讨论或总结实验相关内容）；期末安排一到两周时间开放所有实验室，安排专门教师对选课同学进行操作考核，操作考核形式可以适当灵活［15］；最终由平时、理论、操作三部分得出课程最终分数。在最终成绩的评价中，注重的应该是学生的实验过程，而不是实验结果。

三、结论

在科技发达的今天，《大学物理实验》仍然是一门适应时代发展、培养高素质人才的基础学科。大学物理实验的教学内容应能反映生活实践和最新的科技成果，教学手段应改变传统的单一教学模式，建立虚拟课程和远程教育相结合的多元化教学模式，以满足不同层次、不同专业学生的需求。这些改革措施，正在或将要应用在实践教学中，我们期望它们在教学实践中能取得较好的效果。

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［15］魏江，实验操作考核—物理实验教学的重要环节［J］.物理测试，2002，（5）：36-37.

Studies on Innovation in Experiments of College Physics

WEI Jiang,WANG Zhao,LI Jia-liang
(School of Physics and Electronic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

Some problems in the teaching of college physics experiment are presented in this paper.The necessity of reformation is postulated,and the proposals on the practical reformation are put forward,such as making proper use of teaching time and resources,adding special topics in the experiment,employing advanced technology,and improving the evaluation system.

experiment of college physics;proposal on reformation;simulation experiment

G423.07

A

1008-2794（2013）06-0106-04

2013-09-07

常熟理工学院教学改革研究项目“大学物理实验虚拟仿真技术研究”（CITJGGN201328）

魏江（1971—），女，河南新野人，实验师，硕士，研究方向：物理实验、光栅拼接。