大学物理实验教学应突出原理性

2014-03-28张崇辉吴俊芳王安祥

大学物理实验 2014年6期

张崇辉，吴俊芳，王安祥

(西安工程大学，陕西西安 710048)

实验是理工科大学教学过程中一个重要环节，大学物理则是其中最基础、最重要的实验课程之一了。近年来围绕大学物理实验教学中的教学内容［1］、教学手段、考核方式、实验设计等等一系列环节进行了富有成效的改革和有益的探索［2-4］，取得了丰硕的研究成果。随着科技的发展和大学教育大形势的变化，以及社会对人才的需求不断变化，尽管不断发现问题及时改革，积极探索与时俱进的实验教学模式，但仍然凸显不少问题和矛盾。单就实验内容和实验设备设计方面来说，目前步入一个误区，轻视原理重操作，实验仪器设备高度集成化、智能化，这与基础教学的目的相悖，更达不到大学教育的内涵式发展总要求和创新能力的基础积淀。

1 目前实验发展的趋势与存在的问题

目前在大学在校生数目急剧扩张和新的社会需求的大环境下，针对物理实验教学的教育改革多集中的:教学模式改革，教学方法、现代教学手段，实验考核体系改革等方面。在这种主流改革的推动下，为了满足实验硬件相对紧张的矛盾，实验教学向着缩短实验课时，简化实验过程和原理，实验仪器和管理高度智能化的方向发展，与大学物理基础课程的性质和设置初衷相对照，存在以下突出问题。

(1)学生人数急剧增长，实验室、实验设备等硬件建设相对滞后和严重不足。在这种很现实的情况下，实验室除了高频次运转以外，就是用相对维修成本低的虚拟实验或仿真实验代替原来的实际操作实验。

(2)实验设备高度集成化、智能化。现在实验设备厂商为了迎合现在市场的需要，不断将原有基本实验集成化，微型化，以缩小体积，并加入电脑自动控装置，在外围学生根本看不到实际的实验原理，面对的就是一个“黑匣子”，部分外表只提供一个实验原理示意图，如光路图或电路图，然后只有几个见得旋钮和鼠标。学生只需看着说明书点击下鼠标，数据、图线电脑直接给出。

(3)承担过多的创新任务，为了创新而求新求异。尤其在当前“创新”为主题的教育背景下，许多实验教学工作者也发现大学物理实验则是十分合适的培养大学生创新能力的课程，创新能力所要体现各个环节都能赋予实现。大学物理负起它不该负的创新义务，不懂得原理，没有真正的基本技能和知识的积淀，只是简单地拼接和表面上的新异罢了，没有完善的原理支撑，真正的使用性和创新性也就有限，当然也就谈不上原创性的创新了。

2 大学物理实验教学中原理的重要性

2.1 大学物理实验的基础定位不能变

对于理工科学生来说，开设的像以大学物理实验为主的各类基础实验课，其首要的、最基本的教学目的是让学生受到严格的、系统的实验技能训练，掌握进行科学实验的基本知识、方法和技巧，常用实验仪器的正确使用;更直接的目的就是为后续课程和专业实验课程打基础。然后才应该谈及培养学生敏锐的观察力和严谨的思维能力，培养学生理论联系实际、分析问题和解决问题的能，培养学生动手能力、创新能力和实践能力，特别是与科学技术发展相适应的综合能力和创新精神。

许多相关实验教学改革的文章都较实验教学依附于理论教学列为突出问题或缺点之一，都倾向于求新求变的思想，全盘否定过去基础教学实验原有的教学方式，背离了基础实验教学的目标，造成学生只是记忆的训练，虽然，21世纪科学技术的竞争、人才的竞争等将集中体现在创造性人才的竞争上。而一味追求创新能力，将这一任务全部落在物理实验教学，就会失去其最基本的初衷，也是不现实的。况且这几年基础实验教学地位不是的到加强，而是不断在减弱，教学学实不断削减，总教学计划中的比例就下降的更加厉害，在这种情况下，提出更多、更高要求，赋予更多的培养任务，手段的不断现代化，使不切实际的。据笔者调研，各校大学物理实验学时近年来都被其他新增课程挤占，学时大幅缩减，现在还在不断减少，甚至有的理工科专业彻底都不开设大学物理实验了。最终不仅没有达到传授给学生已有知识的教育最终目的，也并未真正做到创造力诱导出来，失去的和得到的就一目了然了。

2.2 加强实验原理的重要性

我国理工科院校大学物理实验按照教学委员会《大纲》要求安排基本分为四大类，基础性实验、综合性实验、演示实验和设计性实验。这其基础实验占有绝大部分学时，各学校都在60%以上学时。这一层次实验就是按照实验教学大纲要求，选取单一知识内容的验证性实验教学，看似最低层次的要求，但实则最重要的实验教学，主要是让学生加深理解实验原理涉及的理论知识，掌握常用仪器仪表的使用和实验结果的分析等基本实验技能，以达到动手能力的锻炼。

本着基础性实验教学的这一定位，大学物理实验应当减少高度集成、高度自动化的“黑匣子”实验仪器和装置。像铁磁质材料的磁滞回线实验仪，学生只需看着仪器盒盖上的连线图在外壳上的插孔链接4根导线，然后开通电源，下来就是在电脑上看着菜单提示点鼠标，标准的电滞回线图就呈现出来，点“数据处理”按钮，特征参数很规范的列表给出，学生只需打印结果即可。另外，像光栅光谱仪和光纤传感器两个实验，实验的核心装置完全封装在固定的实验柜里，只有与之连接操控电脑可以点点鼠标，本来第一个实验是让学生从实验理解平面光栅利用衍射原理将不同频率的光分开，得到测试光的成分以及和成分的频率、强度等特点，进一步判断材料的光学特性。现在学生知识按照说明点鼠标操作，得到“完美”的光谱，对原理一无所知。第二个实验，本来是利用光的干涉原理，以光纤为媒介传输光信号，测量微小应力或温度引起的微小位移的实验，结果也是操作电脑鼠标，得到看似“完美”的实验结果，实则根本体现不出真正的实验原理。像这样高度集成化、智能化的实验例子很多，将来比例还会不断增加。

这种实验设备更新换代的趋势，表面看是与时俱进，淘汰了过去“赤裸裸”重在表现实验原理搭建的简单实验装置，采用现代科技发展的成果，充分将现代实验手段引入大学物理实验教学，的确是进步，档次有所提高。另外，生产厂商也正好抓住这一特点，大肆宣传集成化、智能化的优点，以增加收入，根本就不谈原理如何，误导实验室建设。作为基础性质的大学物理实验应尽量做到实验原理的透明化，重视原理，看到本质［5］，把实验原理的体现放在整个实验环节设计的首要位置。只拨几个按钮，按几下键盘的实验，一点都不利于教学，基本上起不到学习知识的作用，更谈不上实践能力的培养，只起到操作员的机械培训。作为专业的生产、制造等实际应用的专用仪器，当然这样集成化越高、智能化越强、精度越高越好。基础实验不是为了追求省时、高精度为目的的。无需越先进越好，为的是对物理现象的理解和理论知识运用为首要目的。那怕简陋一些，落后一些也是值得的。像过去示波器原理及应用实验用的就是一个跟简单地体积较大的显像管，整体装置放在一个相对简单开放性有机玻璃盒内，学生自己连接电路，调节信号，直接可以看到在电磁铁产生的磁场中电子束如何偏转，电子束打在荧光屏上如何显示，偏转幅度与偏转电压直接关系，信号的输入、亮度的调节和聚焦等等一目了然，是学生真正了解示波器的工作原理。

在德国大学中，实验设备中通用仪器(如示波器、信号源等)为大公司生产产品，专用仪器中有很大一部分是自制的，仪器透明度高，不采用集成化的仪器。在美国和加拿大一些大学里大学物理实验仪器有一半多是自制的［6］。

没有真正懂得物理现象背后的物理本质，就是今后走向工作岗位，面对实际应用的高集成，高智能化的专业仪器，根本看不到设计原理，就是想方设法看到，也提不出有建设性的改进，怎么谈实实在在创新。