大学物理实验教学改革探索

2019-03-14曹兴焕

安徽工业大学学报（社会科学版） 2019年2期

曹兴焕

(安徽工业大学工商学院，安徽马鞍山 243002)

大学物理实验课程是高等院校工科学生较早接触的一门动手操作性的课程，是工科学生对基本实验方法、实验技能系统学习的基础。物理是一门实验的科学，实验在物理中起着非常重要的作用，80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。物理实验在学生的科学素质和综合能力的培养中发挥至关重要的作用[1]。物理实验课不仅能培养学生的动手能力，提高实验技能和素养，最重要的是培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生的创新思维。

一、大学物理实验教学存在的问题

(一)教学内容陈旧

大学物理实验教学内容往往是以验证性实验为主，学生仅仅是按照书本内容按部就班进行实验操作，将实验原理、实验方法以及实验步骤完整的表示出来，然后得出书本上的结论就可完成任务，学生缺乏一定的思考，更谈不上学习创新。这种实验方法只能进行实验的验证和知识的巩固，不能充分发挥学生的创造性，束缚了学生的思维，制约学生综合素质的提高。

(二)教学方法单调

很多高校在进行物理实验教学时，学生往往是被动接受知识，实验步骤和实验器材等均由教师组织准备好。每次进行实验课时，教师一般首先花费较长时间进行原理和操作步骤的讲解，学生只要模仿教师操作而获得一些实验数据即可。一堂实验课通常是很多学生同时用相同的方法做同一个实验，因此得出的实验结论也没什么差异，这就导致部分学生仅仅按照别人的操作做，不仅没有创新甚至有的学生对原理都不怎么理解[2]。物理实验应该重视学生的参与性，使学生在实验的过程中能够体会科学发展的过程，能够启发学生思考。

二、大学物理实验教学改革措施

针对大学物理教学实验教学中出现的这些问题，我校在以下几个方面进行了改革，并取得了较好的效果，学生的学习主动性有较大提高，对实验课更感兴趣，考试成绩也有较大提高。

(一) 教学方式改进

针对大学物理实验内容不同，我校将实验划分为基础性实验、验证性实验和设计性实验三部分，对不同类型的实验运用不同的教学方法。

对于基础性实验，主要内容为基本测量仪器的使用、基本物理量的测量及基础的实验方法和操作的训练。对于这部分实验，教师课上会详细对实验进行介绍，使学生较快较熟练掌握基本实验技能、基本仪器的使用。

对于验证性的物理实验，改变往常的课前教师花费大量时间把实验原理、仪器操作、实验步骤和注意事项等全部详细告诉学生，学生机械操作的教学模式，课前要求学生自主学习实验内容。但是考虑到学生自主学习过程中目标不明确，学习存在一些困难，教师精心设计了一系列问题，引导学生学习实验讲义上的内容，一步步思考解决这些小问题，最后初步制定实验方案。课上教师主要讲解实验注意事项，引导学生阅读仪器的使用说明，熟悉仪器的使用。让学生独立进行实验，实验过程中教师再对学生的方案进行指导及提出改进建议。例如利用霍尔效应测量磁场实验，课前教师给学生设置了一系列引导性问题：问题一：为什么会在霍尔元件的侧面产生稳定的电压？通过这个问题引导学生去了解霍尔效应产生的原因。问题二：为什么霍尔元件一般选用半导体不选用导体？问题三：为什么霍尔元件做的比较薄？通过上面两个问题可以引导学生分析影响霍尔电压的因素。问题四：实验中霍尔电压如何测量，是否是用霍尔元件侧面直接测量出的电压？问题五：本实验中有哪些效应在霍尔元件侧面也产生电压？为了消除这些效应的影响实验中应如何操作，经过这样操作可以消除哪些效应的电压，是否有消除不掉的电压？通过问题四和五引导学生了解附加效应及附加效应的电压如何消除。问题六：有哪些方法可以计算得到磁场的强度？通过此问题让学生思考数据处理的方法。通过这一系列问题的引导使学生真正理解实验原理，思考分析为什么这样做实验并预期实验得到什么样的结果。

对于设计性实验教师仅对学生布置实验要求，由学生课下完成实验方案的设计，在实验室自主选配实验仪器，实验后独立完成结果的分析和对实验问题的进一步研究建议。同时为了解决学生预习准备实验时对器材不熟悉的情况，延长实验室开放时间，方便学生在实验前到实验室熟悉实验仪器。

这样通过物理实验一步步的训练有利于培养学生的创新能力，提高学生分析问题解决问题的能力。

(二)教学手段现代化

为了提高大学物理实验课程的教学质量和效率，将先进的教学手段引入到实验教学的各个环节中。我校在实验室中都安装了多媒体，购置了教学软件，教师对每个实验都制作了相应的课件，通过多媒体的展示使学生更形象直观看到实验仪器和仪器的操作过程。另一方面将网络技术应用到实验教学中，在学校教学网站上公布了物理实验的教学大纲，实验要求和实验仪器的图片和操作步骤。

(三)教学内容改革

近几年为了使实验内容能紧跟社会发展，我校投入资金购入了一些新实验仪器，比如太阳能电池实验、风力发电实验、液晶电光效应实验等，这些实验能使学生了解科技发展情况，又能提高学生学习的兴趣。

另外针对非物理专业的学生，在教学中我们发现他们的物理基础参差不齐，若对所有学生实行相同的教学要求，就会造成基础较弱的学生在一定时间内不能完成实验任务，而另一些学生则会觉得实验过于简单。因此，我们对部分实验进行分层次教学，对于一些内容较多的实验将其分为两部分，一部分选做，一部分必做。对于基础较差的学生只要完成必须做的部分即可达到本实验的基本要求，而针对那些对实验感兴趣的学生，在基本要求的基础上增加选做内容。这样可以对实验内容进行延伸和拓展，使学有余力的同学能够更深入了解实验原理。如在做光的等厚干涉测量中，由于时间限制很多同学课上不能按时完成牛顿环和劈尖两部分内容，我们将牛顿环作为必做内容，劈尖干涉作为选做内容；学习程度好的同学在完成牛顿环的测量后，可以做劈尖干涉，对此部分内容不做强制要求，学生可以只做观察不记录数据。

(四) 实验考核与测评方法

物理实验课程最终测评方法大多由平时成绩和考核成绩组成。平时成绩评定往往根据实验报告给定，容易忽视对学生实验操作的评价，部分学生通过抄袭实验报告或者随意篡改实验数据也可以获得较高成绩，致使学生在实验中不重视操作。因此，我们将平时成绩又分为操作成绩和实验报告成绩，教师当堂对学生的实验操作情况进行评定并给出相应的成绩，加强实验过程管理，以避免学生不重视实验操作，提高学生对物理实验课的积极性和主动性。在最后的考核中，我们采取操作和笔试相结合的形式，使学生既要懂原理又要会操作。

三、存在的不足及改进设想

(一)排课时间不够理想

在美国的绝大多数世界一流大学中，物理实验不是单独开课而是属于大学物理课程的一部分，实验课与理论课结合非常紧密[3-4]。但是在我国大部分学校实验课是作为单独的一门课程，对于非物理专业的学生集中在一到两个学期完成。由于实验场地、实验仪器、教师人数等条件限制，为了满足大量学生短期内的学习，导致实验排课时难以很好地配合理论课的教学进度。学生可能理论课已经学习完很久才做相应的实验或者还没学这部分理论就要做相关的实验。

目前我们的实验仪器套数，绝大多数做到了一个实验30多套，一个学生一套，能够满足教学要求。但是目前承担实验课程的教师较少，教师目前的课时量都很大，没有太多时间开放实验室供学生自由选择实验进行自主的操作。未来需要在教师数量上做进一步的补充，安排更多的开放性实验。同时准备开通网上模拟实验，使学生可以在网上进行模拟，提前了解实验内容，抓住实验重点难点，并能更直观的熟悉仪器，能够模拟仪器的操作，课上可以有重点地进行实验。

(二)计算机的应用不足

现代社会计算机应用非常普及，据调查美国大学有1/3的实验用计算机进行必要的实验数据采集、控制实验过程，作图、计算等几乎100%用到计算机[5]，大大提高了学生计算机的使用能力。在我国的大学物理实验中普遍存在计算机使用较少的问题。为提高学生应用计算机的能力，目前我们在一些实验的数据处理中，让学生用Excel表格来处理数据和作图。比如在单摆实验中用Excel表格的计算功能来计算转动惯量，让学生在Excel表格中输入公式计算数据；在利用霍尔效应测量磁场实验中让学生用Excel表格计算数据并作图。但是相比国外大学，我们仍然存在计算机使用较少及使用程度较低的问题，未来还需将物理实验更多地与计算机相结合。