一种物理实验创新教育模式的实践研究

谭 芳，杨 强

(长春大学 理学院，长春 130022)

一种物理实验创新教育模式的实践研究

谭 芳，杨 强

(长春大学 理学院，长春 130022)

本文论述和分析了当前高等学校物理实验教学所面临边缘化的困境，指出探索新型大学物理实验开放教学形式的必要性，在物理实验开放的基础上，提出一种物理实验创新教学模式，即：基础与创新相结合的物理实验开放教学课程，通过四个教学环节的实践，总结了四点教学心得与经验。

物理实验；创新教育；开放实验

物理实验归类于基础教学实验课程。在我国，大学物理实验引入高等教育已有100多年的历史[1]。大学物理实验的思想方法及实验技术既体现了传统的基础科学，又蕴藏着丰富的创新思想。在当代大学生的素质教育中，大学物理实验是大学生形成科学思想、启迪创新能力的基本渠道，如果认真卓有成效地开展教学，必然会产生良好的效果。但是，社会进步和科学技术快速发展的当今，该课程没能很好地“与时俱进”，表现出很多令人忧虑的教学弊端，甚至成为很多师生诟病的课程之一，具体表现如下：

(1)实验内容不利于学生创新能力的激发与积累。根据调查，很多高校现有的实验题目中，有相当一部分内容几十年基本不变，而随着学科理论和相应科技的迅速发展，相应的实验仪器和实验技术经历了多次更新换代，有些实验项目已经失去了应有的学习意义。

(2)有些实验项目内容繁琐，过程复杂，锻炼价值不高。这样的大学物理实验题目，实际教学效果几乎为零，由这样实验题目组成的物理实验课程难免受到多数学生诟病。

(3)现成的实验仪器过于数字化、智能化。仪器过于自动化，明显减少了学生亲身动手过程。

探寻解决上述问题是大学物理实验教学的急切任务，我们积极寻找一种能够锻炼和激发大学生创新能力的物理实验教学的新模式，这也是大学物理实验同行们一直努力的方向[2-8]。

为了科学而有效地进行开放实验教学，我们提出两种开放形式，并制成调查问卷表格，发给当年在校学习大学物理实验课程的学生进行调查问卷。我们对调查数据做了认真的分析，调查结果见表1。

表1 学生对大学物理实验教学方式的态度调查统计表

图1 学生对开放教学方式的态度

从图1可以看出：第一种开放形式是学生仅仅参与物理实验装置的演示操作，然后进行讨论，学生感兴趣的仅占14%；而第二种开放教学方式就是本课题提出的新型开放方式，这种方式是由实验室对某种演示装置提出做改进方案或新装置的制作方案，然后指导学生亲手参与制作和改进讨论。学生对第二种开放实验形式感兴趣，占调查人数的86%，因此，我们确定第二种开放形式。

1 基础与创新相结合的物理实验开放教学过程

基础与创新相结合的物理实验开放教学课程主要分4个教学环节，见图2。

图2 基础与创新相结合的物理实验开放教学过程方框图

1.1 完成开放实验题目设计，提出实验目标(培养创新兴趣)

基础与创新相结合的物理实验开放教学由课程教师提出开放实验内容：设计制作一种电磁感应陀螺装置或设计和组装一种可以测量基本物理量的光纤传感器装置。本课程每学期在教务管理系统公布，学生自由选课：这一过程主要是面向已经学习或正在学习物理实验课程的学生。由于实验内容新颖有趣，学生很愿意参加。图3为学生选课情况。

图3 选课情况

1.2 学生分组并做实验准备

挑选不同专业的各类学生进行交叉组合，形成多专业协作的实验小组，选定组长。实验准备工作由指导教师做内容介绍，小组选定任务后，组长负责组织实验原理讨论和装置制作，学生利用这种学习和锻炼的过程，为后面的制作和实验打好基础，这是一种“基础”与“创新”相结合的创新教育的必要准备。开放实验小组每组10～12人，根据各专业的人数，专业组成分配见表2。

表2 开放小组专业组成情况

1.3 制作与实验，做实验信息采集记录

在制作与实验的环节中，鼓励学生大胆提出新想法、新建议，由于学生主动承担了制作的任务，他们的积极性很高，很有创作热情，图4为开放实验课堂的现场情景。

表3的数据反映出，有22%～29%创新建议贯彻到实践中并取得了良好的效果。以下面两个例子来说明。

表3 基础与创新相结合研究型实验课教学效果

图4 学生在制作控制电路

图5 外形为圆锥体的电磁陀螺

图6 外形为乒乓球体的电磁陀螺

实例一：课程开展的第一学期，实验室为学生提供的制作材料是较软的塑料板，用其制作出圆锥形的陀螺，内置横条形强磁铁，如图5。这种圆锥体形状的陀螺，制作出来后，成功率不高。为此，指导教师与学生共同探讨，认为影响圆锥型陀螺运行成功率较低的3个因素是：①因为是手工制作，所以锥体很难做到严格对称，导致重心不稳；②采用旋柄发动陀螺，旋转后的转速不高且不稳定，电磁感应效果不明显；③条形磁铁距离底盘的高度H1较大，离动力装置较远，不容易接受电磁感应提供的动力，故不能保持稳定旋转。有一组学生提出了一个很好的改进方案，他们提出采用乒乓球作为陀螺的外壳，用齿轮式陀螺发射器代替旋柄发动陀螺，其他工作原理和结构原理不变，见图6。由于这种方案明显克服了圆锥体外形的电磁陀螺3个不足。

实例二：为了有效检测电磁感应摆的运行情况，一般使用示波器来检测，主要是观察电磁感应信号波形是否符合规律，据此判断铁芯线圈是否参与了工作。在试验中，指导教师往往要求学生检测控制电路中铁芯线圈初级侧的信号波形。有学生对这种检测方式做了分析，认为这种方法虽然可行，但观察到的波形不全面。他们提出可以将示波器接到铁芯线圈次级侧，这样一来可以观察到双绕组同时工作的两种信号，虽然波形较为复杂，但是，能够全面分析出电磁感应陀螺与电磁铁芯线圈的能量转换情况，有助于分析问题、解决问题。后来的实验证明了这一做法的高效率。

上述两个实例说明，学生完全能够利用已经掌握的基础理论知识，创新性地应用到解决实际问题中。本课程收到了基础与创新相结合研究型实验教学应有的效果。

1.4 竞赛形式的成果展示

第一步，各大组选出一件最好的作品(一项实验装置)。小组代表简述制作思路及创新之处，其他成员可以补充。

第二步，各组分别同时操作，演示本组制作的实验装置工作状态，评定小组依次进行观察，做好记录，然后进行评点打分。选出最佳效果的物理装置。

第三步，总结交流。

各组同学自由发言，交流经验，总结收获，并大胆提出建议和想法。

2 几点总结

基础与创新相结合的物理实验开放教学课程开展两年以来，在锻炼和培养学生创新能力方面，做了较为有效的探索，有成功也有不足，主要反映在以下几个方面。

(1)本课程突出了基础与创新相结合的特点。要创新必须有较坚实的基础能力。基础能力包括理论基础、组装和调试仪器的技术能力、实验观察能力和信息采集及分析处理能力。其中，实验观察力是智力活动的开端；组装和调试仪器的动手能力需要具有基础实验的锻炼；实验信息采集分析处理能力，能够科学合理分析、综合实验现象和数据，抽象出物理量之间的规律，找到改进与创新的关键点。本课程的四个环节都有相应的基础与创新相结合的教学过程，每个环节均可以锻炼学生的上述能力。他们反映，这个课程学习过程很有趣，但也“不好混”，必须掌握较扎实的基本功，才能真正完成任务，锻炼价值较大。

(2)本课程的每一个教学环节均采用较为自由宽松的开放教学氛围，尽量发挥学生创作的积极性和主动性。教学效果显示，除了电磁陀螺在原理方面基本一致之外，学生制作的电磁陀螺在外形上、电磁性能上以及转动效果方面等均各有特点。

(3)培养和锻炼了学生的交流合作能力。交流合作指团队中个体之间交换信息、相互协作的能力。现代科学的发展，越来越需要群体的共同协作来完成。在创新实践中，个体之间的交流合作能够聚集集体的智慧来克服实验中的关键问题，从而获得成功。本课程确实提高了学生们这方面的素质，特别是第四环节，以小组为单位，进行一次自制的实验装置展示，完全激发和调动了学生的团队意识，无论从制作还是调试以及最后的成果展示，他们都很注意团队配合，在体会到团队协作的快乐的同时，也享受到成功的愉悦，课程结束以后很多学生要求跟老师合影留念。

[1] 蔡铁权，何丹贤.我国近代物理学和物理教育的兴起及早期发展[J]，全球教育展望，2013(10)：109.

[2] 史贵全.大学物理实验教学变革历史及其启示 [J].大学物理，2001(2)：27-30.

[3] 夏汉林. 创新理念在大学物理实验教学改进中的运用[J]. 高等教育，2015(3):115.

[4] 劳媚媚,徐军,陈如麒. 开放实验室条件下的大学物理实验教学改革新探[J]. 实验室研究与探索，2010(8)：236-237.

[5] 岑泽，陈艳燕. 物理实验创新方法：“三步走”创新方法[J]. 物理通报，2014(12)：62-64.

[6] 代伟，徐平川，陈太红，等. 培养学生创新能力的大学物理实验教学体系研究[J]. 大学物理实验，2013(8)：108-110.

[7] 肖立娟. 大学物理实验教学的现状与教学改革的探究[J]. 大学物理实验，2015(12)：114-116.

[8] 张庆国，尤景汉，陈庆东，等. 大学物理实验教学改革的实践与探索[J]. 物理与工程，2008(4)：48-50.

责任编辑：刘 琳

PracticalResearchonaPhysicsExperimentInnovationEducationMode

TAN Fang, YANG Qiang

(College of Science, Changchun University, Changchun 130022, China)

This paper discusses the current marginalization dilemma of college physics experiment course, pointing out the necessity of exploring the new mode for open physics experiment teaching. Based on this new experiment mode, it puts forward an innovative teaching method, namely, the mode with combination of foundation and innovation education. Through practice on four processes, it summarize several teaching experiences.

physics experiment； creative education； open experiment

2017-02-09

吉林省科学教育规划课题(GH150105)

谭芳(1975-)，女，吉林长春人，实验师，博士，主要从事光纤材料与器件方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0102-04