专题实验教学在基础物理实验中的探索实践

王 龙, 尹玉芳, 王洛秋, 李书光, 黄柳宾, 李东霞

(中国石油大学(华东) 理学院； 山东 青岛 266580)

专题实验教学在基础物理实验中的探索实践

王 龙, 尹玉芳, 王洛秋, 李书光, 黄柳宾, 李东霞

(中国石油大学(华东) 理学院； 山东 青岛 266580)

针对目前理科实验班基础物理实验课程中固定实验项目上课、学生知识面狭窄、缺乏实验方法的融会贯通及实验综合应用能力,提出了基于理科实验班的专题实验教学模式。通过实施表明,专题教学模式改革提高了学生的实验兴趣和积极性,取得了一定的成效,为学校其他专业教学改革提供了参考和借鉴。

专题实验教学； 基础物理实验； 理科实验班

目前,国内大部分高校物理实验课程基本都采用了开放式教学模式[1-3],按照不同专业的培养方案及学时要求,规定了学生至少完成的实验个数。我校刘华东副校长在2013年提出了构建“三三三”本科培养体系的目标[4],理科实验班作为学校实行多元化培养模式之一,对学生科学研究素养、实验综合创新能力的培养提出了更高的要求。理科实验班“基础物理实验I、II”共72学时,分2学期完成,要求学生在第3、4学期各完成8个独立的固定实验项目。8个实验项目分属于力学、热学、电磁学、光学、近代物理等,逻辑性、系统性不强,具有一定程度的独立性。相对独立的8个实验项目无法兼顾理科实验班后续专业分流的需要[5]。每个项目4个学时的教学安排,能让学生加深记忆,但却使得部分学生停留在本实验操作基本细节上。通过后续的创新训练环节发现,学生知识面狭窄,缺乏各种实验测量方法的融会贯通及各种实验技能综合应用能力,与理科实验班学生培养目标有一定差距。

1 整体方案设计

在所开设实验项目的基础上,进行深入挖掘整合,将相关的实验项目串联形成一个专题,探索专题实验教学改革,为后续理科实验班创新、创业训练打下良好的基础,有利于培养学生发散思维、实验综合应用创新能力,符合理科实验班通识基础教育的宽口径培养目标。整个方案共分为3个环节,如图1所示:顶层专题设计、研究点(子专题)确定、考核设计。

首先,由教师根据目前开设的实验项目、现有仪器配件等进行专题实验的顶层设计,即确定专题研究的大方向。教师课上着重串联、梳理、总结与专题相关的实验项目,将专题布置给学生,由学生课下进行相关调研。然后,在此基础上指导学生或学生自己根据相关调研,又或通过讨论，提炼出个人的研究点子专题,自行进行实验方案设计并实施,进行数据测量并对比,分析各种测量方法的优缺点、适用范围,得出相应的结论,完成研究报告。教师从实验方案、研究报告2个层面对学生进行考核,其成绩比例分别为40%、60%[6]。

图1 专题实验教学整体设计

1.1 专题设计及教学实施

针对目前实验室开设的38个实验项目,设计出适合理科实验班的实验教学专题,即研究大方向。以实验共性和差异性为切入点,深入挖掘内涵和联系,形成一系列的实验研究专题,以某个物理量不同的测量方法、手段为切入点,形成专题实验,也可以将同一个物理量的不同测量实验进行对比,形成一个专题[7]。比如:在分光计实验中通过衍射光栅测量出汞灯或钠光灯波长；在光强分布实验中通过给定单缝的缝宽,可推出激光的波长；光的等厚干涉中可以通过牛顿环的曲率半径计算入射光的波长；对于迈克尔孙干涉实验,测量出可移动反射镜的距离变化量并数出条纹变化数,也可以计算得出光源波长。因此上述实验可形成一个关于波长测量的专题[8],如图2所示。

图2 波长测量专题

如此,原来固定的实验项目——迈克尔孙干涉实验,变成了波长测量的专题，不再局限于单个的实验项目内容,而是串联起来的有机整体——实验专题。波长的测量本质其实是频率的测量,在数字示波器的使用实验中进行过信号频率测量,而数字示波器是有带宽的,对于光波频率的测量是做不到的,但是通过类似简单的条纹计数操作能够获得数字示波器等精密仪器设备都不能测量的光波频率,如果学生能体会到这一点,无疑会增加学习的兴趣。

对于另一实验项目——热敏电阻温度特性及数字温度计的设计,学生通过该实验了解了利用热敏电阻温度特性及非平衡电桥设计数字温度计的思想。同时,在PN结物理特性研究实验中,通过研究恒定弱电流的PN结电压与温度的输出关系,可以设计出PN结数字温度计。同样,在稳态法测量导热系数中,用到了铜和康铜组成的热电偶测量温度,其原理基于热电效应(塞贝克效应),然后热效率实验中又用到了半导体的热电效应；气体绝热指数实验是基于AD590测温,新式导热系数实验仪用到了Pt100,热敏电阻仪器配件中还提供了Cu50等,将以上实验联系起来,形成一个温度测量及温度计设计的专题实验,如图3所示。可使学生认识到目前实验室和生活中用到的各类温度传感器的测温原理,结合所学电路理论、单片机知识完成一套完整的数字温度计设计,并进行校准测温,不仅可以为后续的创新应用打下基础,而且可以达到学以致用、提高学生实验积极性的作用。

图3 温度测量数字温度计设计专题

类似的,针对基础物理实验II中的固定实验项目,形成了如表1所示实验专题(左侧为目前基础物理实验II开设的独立的项目,中间为形成的专题实验)。

表1 专题设计

表1(续)

表1(续)

教学中不再局限于单一实验项目内容,不再是单一的物理规律的验证,而是注重引导学生发散、灵动跳跃思维,围绕专题,把重点放在学生科研素养的培养上,鼓励学生拓展研究内容,围绕专题自行探究研究点[10]。

1.2 研究点:子专题的确定

教师在课上主要串联与顶层专题大方向相关的实验项目,进行梳理总结,确定研究点。在教师的指导下,或者让学生在课下调研的基础上相互讨论,也可以教师学生相互讨论确定相应的研究点。比如,温度测量专题中,可以针对半导体类型热敏电阻(联系热敏电阻数字温度计设计实验)、金属类型热敏电阻(Cu50、Pt100)进行对比研究,也可以研究半导体的热电效应(联系热效率实验)、金属的热电效应(铜、康铜做成的热电偶,联系稳态法测量不良导体导热系数实验)的区别等,通过数据测量得出相应的实验结论。拿出规定的时间开放与专题相关的实验室,让学生根据自己课外的时间进入实验室完成确定的研究内容,不仅包括教材中的必做内容,而且要完成与内容相关的子专题研究。

2 考核评价设计

整个考核分为方案考核和研究内容考核2部分。从研究方案的设计选择、实验仪器组装搭配、数据测量结果及结论等,对学生的专题研究进行综合考核[11]。

其中方案考核分为实验方案设计、方案选择、方案实施3个方面,如图4所示,分别从方案设计的创新性、选择的合理性、实施的正确性3个方面对学生考核,这部分成绩占总成绩的40%。

图4 方案考核

学生专题完成后,撰写2 000字左右的针对专题研究点的报告,报告内容须体现“为何进行此研究、如何设计的方案、数据测量结果、结论”等,参考科技论文格式,成绩占60%,这部分为研究内容的考核,如图5所示。当然,2部分成绩所占的比例,可以根据专题的不同作适当调整 。

图5 内容考核

3 专题实验教学模式及效果

以2014级理科实验班学生作为实施对象,在基础物理实验II环节,采用实验专题教学模式。实验安排采用小组形式,一周一次专题课,在本周的上午时间段拿出规定时间开放专题相关的实验室,由学生自由选择进入实验室时间,指导教师负责跟踪指导,根据调研进行专题研究。理科实验班3个数理班,分为6～8个小组上课,每个小组6～8人,正常学期一般第2周开课,每周一次专题课。对于实验室的开放,空间和时间都相对比较宽裕。

专题实验教学强调实验思想的关联及综合应用,培养了学生的发散、跳跃、创新思维,鼓励学生自己探索研究点、自行设计实验方案和实验配件、自行进行实验结果分析。通过一学期的实施运行,极大地提高了学生的实验兴趣和积极性,学生由原来的“等、靠、抄”(等教师讲、靠教师教、照别人抄)变成了“查、钻、思”(查阅调研资料、自己动手动脑钻研、思考总结得到研究结论)[12]。学生通过调研,提出了许多有意义的值得研究的题目,有的已转化为校级创新训练项目。一学期下来,学生共提交了36项专题研究,其中有26项题目被一致认为是可进行深入研究探索的,其中6项转化为校级大学生创新训练项目。学生第一作者发表文章3篇、申请专利2项。目前尚需解决的问题是实验室条件不能满足部分研究专题,受实验仪器测量精度限制,测量结果还不能上升到一定的科研水平。

4 结语

物理实验的宗旨是培养学生的动手能力和创新能力,专题实验教学模式以学生为中心,使学生学习由被动变为了主动,拓展了实验内涵,强调实验思想和实验本质的掌握。希望通过努力,使专题实验教学改革成为学校教学改革的亮点,为其他专业的教学改革提供借鉴和参考。

References)

[1] 孙伯耳.开放式物理实验教学的探索[J].高校实验室工作研究,2009(1):40-42 .

[2] 张立辉,朱春莲,徐彬.开放式物理实验教学模式的探索与研究[J].江汉大学学报(自然科学版),2009,37(3):108-110.

[3] 黄柳宾,王殿生,刘彦民,等.开放式物理实验教学的规范化建设[J].实验室研究与探索,2005,24(1):93-94.

[4] 刘华东. 构建“三三三”本科教育培养体系 推进人才培养模式改革[J].中国高教研究,2016(1):56-57.

[5] 李书光.大学物理实验[M] .北京:科学出版社,2012.

[6] 庄娟,杨华,李建东,等.近代物理实验系列化教学模式探索[J].物理与工程,2014(7):60-64.

[7] 沈韩.基础物理实验[M].北京:科学出版社,2015:150-152.

[8] 沈岩,苏玉玲.大学物理实验教程(高等学校物理实验教学示范中心系列教材)[M].北京:高等教育出版社,2014:180-190.

[9] 何熙起.线偏振光通过半波片后的偏振态解释[J].内江科技,2006(2):105-106.

[10] 高铁军,王书运,朱俊孔,等.专题系列近代物理实验课程体系的建设与实践[J].实验室研究与探索,2006,25(7):93-95.

[11] 侯秀芳,陈亮.大学物理实验分类培养教学体系的构建[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2014,14(3):109-111.

[12] 黄刚.国外的物理实验教学综述[J].中国科技信息,2006(20):267-268.

Exploration and practice of special subject experimental teaching in basic physics experiments

Wang Long, Yin Yufang, Wang Luoqiu, Li Shuguang, Huang Liubin, Li Dongxia

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Aiming at the fact that the students have narrow knowledge and lack the experimental methods and the comprehensive application ability in the fixed experimental items of basic physics experiment courses, a special subject experimental teaching mode is proposed. The practice shows that the reform on the special subject teaching mode has raised the students’ interest and enthusiasm in the experiment, and has achieved some good results, providing references for the teaching reform of other specialties in the university.

special subject experimental teaching; basic physics experiment; science experimental class

10.16791/j.cnki.sjg.2017.08.050

2017-02-04 修改日期：2017-04-06

中国石油大学(华东)青年教师教学改革项目(QN201623)；山东省教学改革项目(2015M022)；中国石油大学(华东)重点教学改革研究项目(JY-A201616)

王龙(1981—),男,山东泰安,硕士，讲师,主要研究方向为大学物理实验教学.E-mail：wanglong@upc.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)08-0199-04