大学物理实验分级教学研究

杜秋姣 程永进 苗秀花 王希成

中国地质大学数学与物理学院 湖北武汉 430074

大学物理实验分级教学研究

杜秋姣 程永进 苗秀花 王希成

中国地质大学数学与物理学院 湖北武汉 430074

根据大学物理实验教学现状，对分级实验教学模式提出改进措施。实践表明，改革有效提升了物理实验教学的质量，是对分级实验教学模式的进一步探索。

大学物理实验；分级教学；改进措施

由于我国的理工科教学长期受到教学条件、环境和师资水平的限制，大部分学校的分级教学内容，只按实验的难易程度简单划分为基本、验证、综合以及设计性几个层次，实验内容和项目变化不大。通过对比国内外物理实验教学现状，我国高等学校的实验物理教育起步较晚，国内分级教学还需进一步完善，尤其在综合实验和设计实验的教学内容、教学手段以及考核方法上存在较大差距。随着时代的发展，国内高校的实验教学条件和环境都有很大改善。虽然具备了硬件条件，但是实验内容和项目没有及时更新，经典型的验证性实验比较多，真正的设计性实验比重很少，而国外的实验教学大部分是设计性实验，且与实践紧密结合。针对目前存在的这些问题，我们对物理实验进行了以下几个方面的教学改革，形成了预备实验、基本实验、综合性实验、设计性实验的四级教学课程新体系。

1 增加基础实验的实验背景讲授

在分级教学过程中，由于受多年传统教学模式的影响，需要优化分级教学内容，改革教学方式，进一步细化各级实验项目和实验时间安排。低年级学生开设预备实验和基础实验，大家普遍认为比较单一，对实验报告要求也比较简单，主要是实验数据和结果。实际上基础实验中有的实验对物理概念的深化、发现、总结规律和对规律本质的解释做出了历史性贡献，但在教学中没有过多讲解。学生认识不到当时为什么要设计这样一个实验，科学家是如何思考的，科学的概念和规律是怎么产生的；有一些实验成果为后来的科技发展开辟了新的研究范围，派生出很多研究方向，教学中也没有通过这些实例介绍学科的相关性；有的实验成果则产生了一个新的科学领域或者一个新的产业，但在我们教学中没有介绍当时的科学技术背景和经济背景，学生不了解当时的科学家和工程师是怎样联想到它的应用方向。只有将这一系列的问题搞清楚，才能真正掌握这些科学知识的精髓，进而展宽学生的思路，启发学生提出新问题，培养学生创新思维，因此教学中要加强这方面的讲授和引导。可以利用仿真软件的虚拟实验环境于教学中，通过实验的方法引入新的概念和规律，把理论教学与实验教学有机融为一体，按照科学探索和研究的过程进行教学。

2 加强综合实验的启发和讨论环节

针对高年级学生开设综合实验和设计实验，一般比较复杂，带有研究性质，完成这些实验必须经过讨论，完成实验所需的时间也很长。一般一项实验课时仅4学时，在很短的时间内要学生了解实验原理、仪器原理、熟悉仪器的操作使用并完成实验是不太可能的。因此指导教师只好在实验教学过程中对实验原理、实验步骤、仪器操作方法等尽量交代清楚，结果导致学生自己思考得太少。很多学生是盲目操作走过场，这种教学实际上是一种填鸭式模仿型教学，达不到培养学生创新能力，提高综合素质的教学目的。解决的办法是增加课堂授课，要求教师在课堂讲授时注重引导，鼓励学生独立设计实验方案或步骤，实现教学中师生互动，启发学生在实验中寻找科学问题并领悟关键内容与寻找答案的方法。采用课堂授课、实验和讨论相结合的方式，具体为采用1学时课堂教学、4学时综合实验以及1学时口头报告及讨论的方式。其中课堂教学的内容和形式以及相关教学课件的编写，综合实验项目设计，研究性实验系统自主开发，都是研究的重要内容。

教师需要积极备课，采用启发式、互动式教学，引导学生对实验的兴趣。联系实际最能激发学生的兴趣。在杨氏模量的测定实验中，不仅讲清楚实验原理，而且要告诉学生应变应用。美国的阿波罗登月飞船就曾贴有许多的应变片用以实现多种性能的测试。在材料科学领域一种先进的智能材料很大一部分是通过应变片实现。工程上应用的电子拉伸、压缩传感器、扭矩传感器等，都是借助应变片的工作原理制作的。通过这些例子，使学生对应变片产生浓厚的兴趣，从而调动学生的积极性。在讨论课中引导学生不在“观察-测量-整理数据”中徘徊，而是把实验的重点放在“总结规律-突出新问题-设计新实验”。除了杨氏模量的测定实验中微小形变量测量方法，引导学生设计其他的测量微小形变量的方法，例如结合迈克尔逊干涉仪测波长实验，运用干涉的方法测微小形变量，并且对比各种测量方法的精度。进一步还可以让学生加入单片机控制部分实现自动数据采集。通过一系列问题设计，在学生逐步解决问题的过程中调动了学生的学习热情和想象力。

3 引入前沿科学 增大高级实验的学生受益面

分级教学中的基础实验、综合实验能让学生受到系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，而设计实验是要培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力，特别是与科学技术发展相适应的综合能力，因而实验教学应该面对时代的发展，科技进步的新趋势、新挑战，不断创新。只有这样，才能适应社会对人才知识和科学素质越来越高的要求。在做好综合实验的基础上，开设8学时创新设计实验，引入一些参与过的科研和横向课题项目，启发学生进行选题和实验设计，给学生提供独立思考和解决实际问题的机会，同时也是综合运用基础测试技能的锻炼机会。例如，将超声、传感、激光、CCD、计算机数据采集等高新技术引入实验内容中，反映现代科学技术的发展。这样可以全面考察和提升学生综合运用能力，包括多学科的知识学习和应用，培养了学生的科学思维方式和创新精神。

目前预备实验和基础实验面向全校理工科学生，而综合实验主要对部分专业学生，例如物理专业、地质基地班、资源勘探工程基地班、地质工程实验班等，每年约300人。设计实验面向对物理感兴趣，实践能力强的学生，每年约100人。我们把一些简单、重复的基础实验进行整合，丰富综合实验项目，增加近代物理实验室，逐渐扩大高级实验的受益面。

充分利用有限资源，加强课前预习。由于人力财力不足，目前只有基础实验对全校理工科学生开课，综合实验和设计实验只能对部分学生开课，为了充分利用有限资源，增大高级实验的学生受益面，我们可以通过加强课前预习的方法解决。低年级学生实验课使用自编的实验讲义，有比较详细的实验仪器及计算机软件使用说明；对于高年级学生的实验课，实验室中备有齐全的参考文献和资料，学生做实验时可以随时查找自己需要的资料，并且所有学生都可以很方便地在实验室网页上查到自己所需的实验指导材料。但是根据笔者带综合实验的经验观察，很多学生来到实验室都未做理论上的准备，并未做实验方案，导致教师和学生之间的互动与启发效果较差，在有限的时间内学生的创新思维和自主能动性无从发挥。所以我们要加强预习环节，课前指导教师对学生进行口头测试，如果发现学生预习不够充分，可要求学生重新进行预习，另约时间做实验。如果出现2次预习不认真，就取消该项实验的成绩。在口试时，可以和学生一起对实验中出现的问题进行深入讨论，也可以检查学生对实验原理和实验背景的掌握情况。

4 编写实验教材和多媒体讲义

增加综合实验和研究实验项目，并且编写新增实验项目教材。综合实验和设计实验取材于科研和实际应用，培养学生的创新能力、动手能力和探索精神。基于此，我们需要把实验原理讲清楚，实验仪器介绍详细，而每项实验的实验步骤都不需要明确列出，由学生自己考虑安排，实验内容可以由学生自己扩展，每个实验基本上由学生自主完成。学生以2～3人一组，可以选择不同的设备进行理论分析、探讨、拟定实验方案进行实验，通过查阅资料，数据分析与处理，要求以小论文形式完成综合实验。

在启发式教学过程中，注意使用多媒体教学手段加强授课效果。编写的实验教学课件要生动具体，重点联系实际，引导学生提出问题，提升学生的学习兴趣。利用多媒体教学和网络资源，能有效解决实验演示时人多拥挤，大部分学生看不到教师讲解与示范的问题。

5 改革实验课成绩评定方式

实验成绩是对学生整个实验环节的综合评价，包括学生实验前预习、实验过程中操作技能、实验完成后数据处理。目前对学生实验成绩的评定，大多以实验报告的成绩为依据，忽视了实验前预习和实验过程中的表现，无法全面真实地反映学生的实验水平。因此应实行“实验预习+实验操作+实验报告”的考核模式，既体现公平，又着眼能力培养。

课前通过口头测验监督学生做好预习，课堂通过设置各种问题，引导学生积极思考，拓宽学生思路，培养学生创新精神，给学生提供解决实际问题的机会。实验操作反映学生现场动手和操作能力，能否对实验中出现的问题和现象作正确判断和分析，是实验成绩评定的重要组成部分。实验报告是指对实验数据分析和处理情况。对于高年级的设计实验需要查阅较多的参考材料，要求独立完成，并且按照学术论文的形式写实验报告。训练学生通过网络资源查找论文和参考书，拓宽视野，从中提炼科学问题，提出解决问题的方法，最终达到创新能力的培养。

每项实验的成绩包括实验预习、实验操作以及实验报告三部分，严格把关每一个环节，促进实验教学。通过实验预习、实验操作以及实验报告三方面内容客观评价学生，实现实验培养目标。对设计性实验，不仅要有书面报告，还要在实验动手前做口头报告，及时发现问题，保证教学质量。

教学改革对教师也提出了很高的要求，教师只有倾注更大的精力才能提升实验教学水平。改革充分调动了学生的主动性和积极性，增强师生的互动性，提高了教学效率，提升了实验课效果。

6 结束语

通过教学内容和教学方法的研究，利用课堂授课和实验教学相结合的方式，积极展开启发式、引导式教学，充分调动了学生的积极性、主动性和创造性，有利于提高学生分析问题和解决问题的能力。充分考虑教学内容和现代科技的关系，引入科学前沿，提高学生的学习兴趣。增加综合实验和设计实验项目，引导学生把实验的重点放在“总结规律-突出新问题-设计新实验”，激发学生学习的积极性和创造性。同时引入多媒体教学手段，有效提高教学质量和学习效率。该方案较好地优化了物理实验分级教学，能最大限度提高教师和学生的积极性，充分利用现有的教学资源，提高教学质量。方案可以推广到各大工科院校物理实验教学中，对其他学科实验教学也可起到示范、借鉴作用。

[1] 吕恒林,王永良,郑丽.大学物理实验分层教学的研究与探索[J].实验室科学,2012,15(6):173-175.

[2] 邹文强,罗飞,黄瑞强.大学物理实验中分类教学的探索与研究[J].大学物理实验,2006,19(3):95-97.

[3] 曹辉耕.大学物理实验教学改革的探索[J].中国电力教育,2006(S2):359-360.

[4] 周宙安,张丽娟,李春树.基础物理实验课程体系的改革与实践[J].湖南科技学院学报,2006(11):168-171.

Research of Hierarchical Teaching on College Physics Experiment

Du Qiujiao, Cheng Yongjin, Miao Xiuhua, Wang Xicheng
China University of Geosciences, Wuhan, 430074, China

According to the situation of university physics experiment teaching, improvement measures are put forward on the hierarchical experimental teaching mode. Practice shows that reform effectively improves the quality of physics experiment teaching and is the hierarchical experimental teaching mode for further exploration.

college physics experiment; hierarchical teaching method; improvement measures

2014-10-29

杜秋姣，博士，副教授。

中国地质大学教学研究项目“理工科物理实验分级教学的优化与实践”；实验技术研究项目“高精度杨氏模量高精度自动测量仪器的研制”。