物理实验多元化教学模式的研究

周群　郭露芳　林立华

摘要：结合上海理工大学大学物理实验中心的教学经验，探讨了实验教学和大学物理实验创新的方式，阐述了营造多元化教学模式的必要性，从实验教学内容、实验教学方式以及创新平台建设方面提出了可行的方法。

关键词：大学物理实验；改革创新；多元化教学

中图分类号：G642.0 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003 6970.2016.05.003

本文著录格式：周群，郭露芳，林立华.物理实验多元化教学模式的研究[J].软件，2016，37（5）：11-14

0.引言

改革创新在高校建设中十分重要。实验教学是高等学校整个教学过程的重要组成部分，直接影响学生的综合素质与能力的培养，其基本任务是向学生传授实验技术理论，培养学生的观察动手能力、分析问题能力以及创新能力，使学生养成理论联系实际和勇于探索的科学精神。上海理工大学十分重视大学物理实验课的教学和建设。2001年大学物理实验室被上海市教委授予上海市高校基础课教学实验室地区评估合格证书；2002年因在实验室管理工作中成绩显著，大学物理实验室再次受到上海市教委的表彰。为进一步提高大学物理实验课的教学质量，改善实验设备陈旧、实验用房紧张的状况，学校于2003年投入两百多万元对大学物理实验室进行了改造。改造后的大学物理实验室能开出力学实验10个、热学实验6个、电磁学实验11个、光学实验9个、近代物理实验6个，共计42个实验，物理演示实验27个。在学校的大力支持下，2005年大学物理实验室又实施了一项总经费为180多万元的中央和地方共建项目，增设基础实验5个，提高和设计性实验20余个，计算机仿真实验室一个（可开出仿真实验52个，其中35个实验为全新实验）。大学物理实验中心目前下设基础物理实验室、提高实验窒、创新开放实验室、演示实验室和计算机仿真实验室。

20世纪中叶以来，以计算机信息科学技术，生命科学，空间科学，材料科学等为代表的新的科学技术革命，极大地加速了科学技术的发展和各学科之间的相互交叉和渗透，新的综合化趋势已成为科学发展的主流。因此，物理实验课程体系、教学内容和教学方法必须由封闭型向开放型转变。大学物理实验作为大学生在进校后的第一门科学实验课程，不仅应让学生受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识，更主要的是要培养学生严谨的科学思维能力和创新精神，分析和解决实际问题的能力，特别是与科学技术的发展相适应的综合能力，适应时代的发展，科技进步的创新能力。改变实验教学依附于理论教学的传统观念，实施多元化实验教学理念是目前高校教育学改革的重要内容。我们在这方面采取了多种手段以提高学生学习兴趣，培养学生的创新意识。

1.实验教学形式多元化

1.1大学物理仿真实验

仿真实验开创了物理实验教学的新模式。课堂上利用计算机把实验设备、教学内容（包括理论教学）和学生操作有机融合为一体，为物理实验改革提供了有力工具，同时克服了实验教学长期受到课堂、课时限制的困扰，使实验教学内容在时间和空间上得到延伸，将实验的原理、思想、方法和应用与仿真软件的虚拟实验仪器、实验环境相结合，将理论教学与实验教学有机地融为一体。学生可以在学习物理概念的基础上，有目的地去设计实验，又能通过实验深化对物理概念、思想的理解。利用仿真实验，实现理论与实验的互动学习，培养学生的创新思维和能力。

1.2开设现代物理实验技术系列讲座

现代科学技术的创新都是在实验室里产生的。目前大学本科开设的有些物理实验是当时科技发展的突破性成果；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，甚至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其背景、思想和应用。这些内容是培养学生科学素质、创新意识的重要环节和很好的教材。

因此我们在开设物理实验课的同时，对学生开设物理实验技术系列讲座，例如有：结合上海工博会介绍新能源轿车，有燃料电池轿车、混合动力轿车等；力学传感器在工业机器人和服务机器人上的应用。2012年工博会上，我校除“基于太赫兹技术的地沟油快速检测仪”项目受到媒体及参展观众的广泛关注，并荣获高校展区展品三等奖外，“节能冷却塔组及全工况冷却系统”项目更是受到业内专家的一致推崇，荣获高校展区展品一等奖。经过我们的介绍有一批学生自发组织去观看工博会，在展览现场了解到了很多当今的新科技。在实际教学中，激发了学生学习的热情和主动性，出现了生动、活泼的学习氛围。

1.3开设物理学史课程

物理学史是研究人类对自然界各种物理现象的认识史，是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，很值得我们去发掘。通过物理学史的学习，不但能增长见识，加深对物理学的理解，更重要的是可以从中得到教益，开阔眼界，从前人的经验中得到启示。开设这门课的目的，就是为了强化学生物理文化教育素质，从物理学史这块精神财富的宝地中，汲取营养，学习物理学前辈们的科学创造方法、严谨的治学方法和实事求是的科学态度，在新世纪的高科技领域中创造更光辉的业绩。

1.4大学物理创新实验设计大赛

为进一步激发我校学生对物理实验的热情和兴趣，培养学生运用物理知识独立思考问题解决问题的能力以及实验动手能力和创新能力，加强学生科学素养，提高学生的综合实践能力，每年举办一次大学物理创新实验设计大赛，至今已举办了三届。从中选拔出一批实验基础扎实、创新思维活跃、动手能力强的学生，为大学生创新实践活动及科研训练选拔人才奠定基础。例如2010年创新设计大赛的一等奖是滴水起电、太阳能风能为机器人供电，二等奖是风洞机翼上升制作等。学生一般是5人一组，团结协作完成设计课题，增强了学生的合作意识。

1.5实行开放式教学

实行开放式教学，它不仅时间上对学生开放，而且在内容上也开放，是一种个性教学模式。这种教学模式能满足学生求知、探索和创新的欲望，侧重创新精神与能力的培养。学生在完成38个学时的基础实验和综合性实验学习后，可以根据自己的能力、专业特点和兴趣以及时间，自主地选择不同的实验内容和实验时段。开放性实验对全校所有学生开放，实行网上预约制。开放性实验里有和目前的科技发展联系密切的实验项目，比如液晶电光效应、燃料电池的综合特性、传感器系列实验等。

除了教学手段多元化外，我们还在其他软件硬件方面进行配套的调整，以达到实验教学的最优效果。

2.整体优化实验教学内容体系

实验内容框架体系分成三个层次：基础性实验、综合性实验和设计性实验。另外还开设了开放性实验和创新性实验，供有兴趣和能力的学生选做。在保证基础的前提下，更新内容，提高起点，减少简单验证性实验。综合和设计性实验的比例逐年增加。

按照学校加强基础，重视应用，提高素质的人才培养要求，在保证基本教学要求的前提下，对原有实验项目进行精选，合并，更新。我们淘汰了一些陈旧的、验证性的实验，如：静电场的描绘、薄透镜焦距的测定等实验。增设一些能提高学生创新思维，综合能力应用的实验，如夫兰克一赫兹实验、传感器技术等实验。学生在完成一定数量的基础实验，根据自身的兴趣和爱好自主地选择综合性和设计性实验。我们给学生开设的设计性实验，要求学生课前根据设计实验题目和实验室提供的仪器，查阅资料，推证有关理论公式，画出设计线路图，并按照理论上可行的实验方法拟定实验步骤。教师只负责检查设计方案是否正确，学生自行完成实验全过程。目的是以培养学生学会简单的物理实验设计思想、方法和测试技能。难度不是太大，实验中提供的仪器在先前的实验中也都用过，例如：用示波器测电感、用迈克耳逊干涉仪测空气折射率等。目前，高等院校非物理类的本课程教学基本要求中综合性、设计性实验比例只要求达到10%，而我们的综合性、设计性实验比例接近33%。

3.实现教学手段现代化

本实验中心教学人员利用微机，购买和自行编写了一些教学软件。为了在教学中配合这些软件的运行，每个实验室配置微机、音响、投影仪和话筒。一方面用于教师上课演示实验内容，另一方面学生在做完实验，可在计算机上进行数据处理，以检查结果对错，误差较大的数据，要求学生重做实验，采集数据，重新上机处理，使学生受到了严谨的科学素质训练。

教学中配合使用投影设备和CCD微观图象摄像显示设备，使物理现象直观地展现在学生面前，增强了教学效果。例如：密立根油滴实验、分光计、牛顿环等实验，使原先学生无法观察到的实验现象，利用CCD微观图象摄像显示设备，通过电脑展现在学生面前，给教学代来了很大方便。学生对教师讲解的内容心领神会，既节省了教师上课讲解的时间，学生又能很快地将仪器调节到正常的工作状态，提高了教学效果。

4.做好实验教材建设

教材的改革是实验改革的总结和理论上的提高。我们认真分析了各高校的实验教材，把握住实验改革和发展的脉搏和方向，在多年使用校内印刷的原自编教材的基础上，09年4月编写出版了《大学物理实验》教材，16年3月出版了《大学物理创新设计实验》教材。教材充分体现了“拓展知识面，灵活性，实用性，时代性”。教学方法有特色，《大学物理实验》教材中分阶段，分层次地组织教学，以基础性实验，综合提高性实验，设计性实验为三个台阶，并附加开放性实验和应用物理实验，来实现从低到高，从基础到前沿，从接受知识型到培养综合能力型逐阶提高的物理实验教学目的。此教材使用5年多来效果明显。有一万多名学生都使用了该教材。

5.建立物理演示展厅

物理演示实验能开扩学生的视野，启发思维，开发创造力，增加学生学习物理的兴趣，对提高学生的科学素质起到极其重要的作用。课堂演示实验的特点是紧密配合教学，原理清晰，形象直观，易于操作，安全方便。随教学手段的进步，演示实验也有多种表现形式。现场实验确实对深化理解启发思维起到了十分重要的作用。目前演示厅能演示近40个实验项目，具有一定的规模。特别是有的实验一般日常生活不能遇见到的现象，学生就非常关注，如：激光琴、导光水柱和测力机器人就是如此。每次学生看完演示后，都不愿离开演示室。有时几个同学围在一起，边看实验边争论，从中悟出现象背后的物理原理。学期结束后，要求学生选择一个他最感兴趣的物理演示实验，解释其原理。

6.结语

几年来我们在大学物理实验教学改革中，以学生知识、能力和素质的综合培养为目标，在教学的组织上着力体现以学生为主体、教师为主导，注重学生个性发展和创新能力培养的原则。形成了有一定特色的大学物理实验课程教学体系，取得了一系列的大学物理实验的教学改革成果。我们还要继续发扬党提出的改革创新精神，不断优化实验教学体系，使更多的学生受益。