拓展物理实验教学需求调研报告

朱亚彬 王 超 赵红敏 范 玲 魏敏建 彭继迎

（北京交通大学理学院，北京 100044）

1 调研背景

2010年7月国家颁布实施《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》，其中提出要全面提高高等教育质量，提高人才培养质量.北京交通大学作为国家重点大学之一，在轨道交通、通信和运输等领域具有明显的行业优势.在多年的教育教学实践基础上，秉承“厚数博理、学科复合、践实笃行、自主发展”的教育理念，积极贯彻落实《教育规划纲要》精神，出台了一系列科学、实效的教学改革措施，针对基础教学方面，提出了理科平台建设方案.北京交通大学于2011年将“工科物理教育改革研究”作为学校重点项目进行支持，拓展物理实验教学研究作为其子项目，主要研究内容是调研物理学与我校优势专业的结合点，根据优势专业中所需要的物理知识发掘新的物理实验项目.

物理学与其他学科密切相关，在现代科学技术的各个分支几乎都渗透着物理学的内容.例如，机械和建筑学科的发展，离不开力学理论；现代交通的发展离不开运动学的知识；通信技术的发展离不开电磁学的支持.纵观物理学和科学领域的发展史，每次发现新的物理现象和物理规律都会带来科学技术的飞速发展和进步，而各种科学技术的进步又推动了物理学的发展和繁荣.如，现代航天技术和纳米技术，就为物理学带来丰富的研究内容［1，2］.

物理学是以实验为基础的科学，物理实验为物理学本身发展创造条件，又为各种新技术的发展提供了物质基础.如，电力和电子技术广泛应用，可以获得精确计量的电动装置和电子设备；高温超导技术的应用，可以获得超快的磁悬浮列车.现代科学技术正以惊人的速度发展，在其中酝酿着新的物理现象和物理规律［3，4］.

基于物理学与科学技术相辅相成的关系，作为从事大学物理实验教学的教师，我们需要考虑从两个方面进行大学物理实验课程的设置：一是让学生们通过验证物理学中经典和重要的物理实验，使学生能够直观地理解物理规律和物理理论，培养学生的物理思想；二是让学生们能够从所学的专业课程和专业实验中总结和发现物理现象和规律.我们调研了国内外大学物理实验课程的设置［5－7］，发现目前大学物理实验课程均能完成第一个任务，而第二个功能几乎为空白.目前的情况是，学生在大一和大二进行大学物理和大学物理实验的学习之后，就不再接触物理课程.在进入大三和大四专业课程学习后，并没有把物理知识与专业课程联系起来，更不会深究其中的物理原理.这样，不利于培养学生创新能力和科学素质，更不能实现研究型和应用型工程技术人才的培养目标.因此，我们提出拓展实验物理教学研究项目，加强学生在专业课学习过程中对物理知识的了解和掌握.

2 调研问卷设计

通过电信学院开设的专业基础和专业实验课程，及学生在物理学方面所掌握的知识，设计出与通信、自动化和电子专业相关的物理原理问题调查问卷.

调查问卷设计依据的几个原则：

（1）差异性.与电信学院已开设的专业实验，特别是专业基础实验不能重复；

（2）物理基础性.挑选的实验本身是蕴含着自然科学的最基本的规律、基本方法、基本思想最具典型的物理实验；

（3）实验基础性.该实验在完成过程中能使基本实验技能得到较充分的训练，有一定覆盖面并具典型性；

（4）工程应用性.挑选开设的实验要能直接体现或联系延伸工程技术的典型方法、典型原理、典型思想，并能贴近专业、贴近现代新技术，如自动控制中光、机、电一体化技术设计等；

（5）新颖性.开设的实验要从设备原理、方法上跟踪现实生活和生产技术并应具有相当的超前，如，自控、信息化、自动化、数字化、综合集成化等；

（6）有弹性.实验设置的内容既包括主体的基本部分，又有多个扩展延伸部分供学生选择，将基础部分与延伸部分进行有机的分层次的结合.可适应不同层次，不同梯次训练，可高可低、可增可减方便机动选择与安排.

问卷涉及的问题数量较多，考虑到学生答卷的时间和质量，将问题分为A卷和B卷，各12个题目.为了解学生对现有物理实验课程的意见，A卷和B卷均有类似的题目.

A卷中有：

1.在大一时，您上过的大学物理实验课中，

您能回忆起的实验是：

A.力学实验：如，杨氏模量静态法测量，刚体转动惯量等；

B.光学实验；如，分光计的使用，迈克耳孙干涉仪等；

C.电学实验：如，分压限流，示波器的使用等.

B卷中有：

1.您对大一时开设的大学物理实验课的看法是

A.很有意义，对自己帮助也很大，有一些收获

B.没有什么感觉，对自己影响不大

C.帮助不大，感觉有些耽误时间

为了解学生对拓展物理实验开设形式的建议，A卷和B卷设计了相同的题目：

11.如果理学院决定在您大二下学期和大三期间开设一门物理实验课，其实验题目都是从您专业课程中提取.您觉得怎么样？

A.比较好，可以帮助自己更牢固地掌握一些基础层面的知识.

B.可以，如果能够拓展知识面，并提高实验技能.

C.感觉会加重自己的课业负担，而且帮助会很小.

12.如果此实验课已经决定开设，您最希望的课程类型是什么？

A.必修课； B.限选课； C.任选课.

3 调研结果分析

A卷和B卷分别打印了300份，共600份，收回的有效问卷505份.调研对象以电信学院大三、大四的同学为主，还有部分是已完成物理实验课程学习的电信学院大二的学生.

A卷第1题统计结果见图1，对于力、热、光实验各有30%左右的学生印象深刻.B卷第1题统计结果见图2，约57%的学生持无所谓的态度，只是当必修课应付.A卷其他题目统计结果见图3，50%～90% 的学生对问卷A中涉及的物理原理理解不深刻或完全不了解.B卷其他题目统计结果如图4所示，可以看出，70%～90% 的学生对问卷B中涉及的物理原理理解不深刻或完全不了解.A卷和B卷相同题目统计结果见图5和图6，从图5中可看出，67%同学认为可以开设后续拓展实验课.从图6中可看出，86%同学认为可以作为任选课程开设.

图1 A卷第1题统计结果分布图

图2 B卷第1题统计结果分布图

图3 A卷其他题目统计结果分布图

根据对具体问题的统计情况，90%以上的学生不了解的知识点有：电子设备内部干扰，空间频谱和滤波，四探针测薄膜的电阻率，像素的灰度值，混沌现象，双光栅测量微弱振动，电磁感应测交变磁场，铁磁体弦振动仪器等.80%以上的学生不了解的知识点有：光纤传输模式，微波基本参数，热噪声及噪声电压等.70%以上的学生不了解的知识点有：光电效应及应用，多普勒频移，光电二极管等.50%以上的学生不了解的知识点有：门限效应和霍尔效应.

图4 B卷其他题目统计结果分布图

图5 A和B卷相同题目结果分布图

图6 A和B卷相同题目结果分布图

其中，混沌效应和电子设备内部干扰的相关知识在学生们将要学习的电路设计中具有非常重要的意义，但是学生并不了解其中的物理原理.双光栅微弱振动和铁磁体弦振动测量方法不了解，并有77%的学生在之后的学习中遇到与此相关的问题.空间滤波技术对于通信信道的优化具有重要作用，但是学生对阿贝成像原理与空间滤波技术之间的联系不了解.电磁感应法测量交变磁场和微波的基本参数在电磁波与电磁场一课中非常重要，但是在电信学院只作为演示实验开设，学生印象不深刻.光电效应、PN结单向导电性和PN结的雪崩击穿现象，学生在专业课程学习中经常遇到，但是没有做实验，理解并不深刻.

从以上统计结果可看出，70%左右的学生并没有在专业课的学习过程中，提炼和总结物理知识和规律.如果物理实验中心开设后续拓展实验课程，有67%的学生愿意参加学习，86%的学生认为以任选课的形式开课.

4 部分物理实验项目

通过对调查问卷的分析，归纳出电信学院专业课程中涉及的，而目前没有相应的实验配套的物理知识点，见表1.无线通信课程中涉及多普勒频移，可开展多普勒效应实验.模拟电路课程中有光电二极管等知识，可开展光敏电阻、硅光电池、光电二极管、三极管等光电探测器实验.通信原理课程中有热噪声、电阻两端的噪声压电现象，可设计关于电阻和晶体三极管中的噪声实验.通信原理课程中还有频谱、频率调制时门限效应，可设计周期信号频谱实验、高密度频谱实验.集成电路设计基础课程中有集成电路制造技术，可开展微纳结构制备及观测实验（如，薄膜制备、光刻技术和扫描电镜等）.通信系统原理课程中有通信安全，可设计同步混沌电路及其在保密通信中的应用实验.电磁场与电磁波课程中有电磁波的传播，可开展单缝衍射实验、双缝干涉实验、迈克耳孙干涉实验、无损介质介电常数实验、布拉格衍射实验、电磁波偏振实验、圆极化波的产生与检测、右旋与左旋，反射和折射等.

表1 可开设拓展物理实验的知识点

根据现有的物理实验教学示范中心的仪器设备，请电信学院的8位同学进行试做，试做的实验题目及知识点有：微波衍射、激光多普勒测速、光信号传输和导体薄膜电阻测试.学生反馈意见是：微波衍射实验，加深了对该现象的理解，拓展了知识面；激光多普勒测速实验与专业所学相关度很大，第一次接触到Labview软件，通过软件硬件结合来实现控制，激发学生的学习兴趣；光信号传输实验对专业帮助很大，通过自己动手操作，了解光通信的全过程，印象深刻；导体薄膜电阻测试，有利于理解电子元器件的内部构造，拓展了知识面.

后续拓展物理实验作为一门课程建设，不仅需要确定实验项目，还需要有相应的实验设备配套，及讲义编著等其他环节.因此，这方面的工作才刚刚起步，今后还需要继续开展此方面的教学研究.

5 结语

大学物理实验课程是工科院校大学生进校后的第一门科学实验课程，对于提高学生的科学素养、培养学生的创新意识、创新精神和创新能力具有重要的作用.作为讲授大学物理实验课程的教师，需要在教学内容、教学方法、教学手段等诸方面进行不断创新.拓展物理实验课程开设，作为大学物理实验的后续课程，让学生在接受本专业技能训练的同时“知其然，也知其所以然”，将科学与技术融会贯通，增强学生的创新能力和应用能力.在未来的工作中，找到物理与其专业交叉的突破点，有所发明和创造.

［1］ 赵凯华.20世纪是物理学推动了高技术的发展［J］.物理，1997，26（11）：703－704.

［2］ 赵凯华.谈谈物理学与自然科学中姐妹学科的关系［J］.物理，1997，26（11）：755－756.

［3］ 国家教委高教司.当代科学技术发展与教学改革［M］.北京：高等教育出版社，1995.49－62.

［4］ 王刚.大学物理与相关学科关系探讨［J］.科技市场经济，2010，3：101－7102.

［5］ 张慧云.浅谈曼彻斯特理工大学物理系的实验教学［J］.物理实验，2004，24（7）：42－44.

［6］ 沈元华.访美归来谈物理实验的教学改革［J］.物理实验，2001，21（6）：43－46.

［7］ 马兴坤，小林正明.东京理科大学物理系的物理实验教学［J］.物理实验，2000，20（10）：35－36.

［8］ 张映辉.提高设计性、研究性实验教学质量的实践探索［J］.物理与工程，2011，21（1）：8－9.