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大学物理是一门以实验为基础的学科,大学物理实验和大学物理理论占有同等重要地位,它们既有着深刻的内在联系,又有着各自的任务和作用。大学物理实验在培养学生分析问题和解决问题的能力及激发学生科学创新意识方面有着其它学科不可替代的作用。大学物理实验不但把物理理论知识用到实验上,而且更好地解释生活中的物理现象并加以科学验证。通过大学物理实验能培养学生达到以下几点科学实验能力及实验目的:
1.通过对实验现象的观察分析和物理量的测量,能够更好的加深对理论知识的学习,对定义、定律更深刻的理解;
2.通过对实验仪器的调试和使用,能够更好地培养学生动手动脑的能力及临时处理突发事件的能力;
3.通过对实验数据的处理及图像的绘制,能够更好地培养学生对数据的保留与取舍及结果的正确判断与分析;
4.通过实验能使学生以独立或合作的方式设计一些基础性实验,从而培养他们独立思考问题,合作完成工作的意识。
二、做好我国大学物理实验前的准备工作
实验课又不同于理论课程,有它自身的独特性,因此,在实验前必须做好以下几点工作。
(一)实验理论知识的学习。实验前对实验理论知识的学习是做好实验的前提条件。实验理论知识的学习主要是指在实验前要对实验目的、实验原理的熟练掌握,清楚地知道实验的要达到的任务及其所采用的方法,在实验时才能游刃有余地解决实验中所遇到的问题,才能保障实验的顺利完成。
(二)实验设备的准备及调试。在懂得了实验目的及原理的基础上,才知道实验所需要哪些实验设备,及其仪器参数的要求。不但要对所做实验设备准备齐全,而且仪器的摆放也要符合实验要求,并且要对实验仪器按照实验要求进行调试。若中间任何一个环节出现错误都可能影响实验效果,甚至导致实验失败,所以,实验前设备的准备及仪器的调试是做好实验的基本条件。
三、做好我国大学物理实验中的具体工作
(一)实验仪器的规范使用。不同的仪器设备有不同的使用方法及其操作步骤,一定要按照仪器说明书来正确操作使用。要轻拿轻放,要确保仪器设备在安全有效的参数范围内使用。不然,给实验结果会造成较大误差,甚至导致实验的失败。
(二)实验步骤的合理安排。根据实验原理及实验内容来合理安排实验步骤是高效完成实验的关键。对于实验步骤要熟悉掌握,给够给出一个合理的分工安排体系。大学物理实验一般都是小组实验,先测哪些量,测几组数据,谁来测等的分工安排一定要合理明确,才能在规定的时间内顺利完成。
(三)实验中突发事件的处理。实验课不同于理论课,大学物理实验中的很多力学、电磁学、近代物理等实验都会用到高压电,电压可达到380伏甚至会更高,一定要保证学生和实验师的人身安全;也要保障实验室的财产安全。实验中要做好一切安全应急措施,确保万无一失,是做好实验的基本保障。
四、做好我国大学物理试验后的工作
当试验完成后并非一切都结束了,实验后的收尾工作也显得十分重要,这样更有利于下次实验及仪器设备寿命的延长使用。
(一)试验后的检查。试验后的检查主要是指数据是否记漏、设备是否完好、配件是否丢失、开关是否关闭、电源是否切断等事项的检查,以确保下组人员能够继续做实验。
(二)试验后的仪器保养及卫生。由于实验室所使用的是精度较高的仪器设备,不同于其它上教室课时使用的桌椅,对实验室仪器的保养及实验室内的卫生也有着很高的要求。实验完毕后注意仪器的保养:该擦洗的要擦洗,该涂油的涂;地面该扫的扫,该拖的拖。有些仪器怕强光照射,窗帘该拉的要拉上,好的保养及卫生更有利于延长仪器的使用寿命。
物理学是一门实验科学,物理实验是物理学发展的基础。也可以说是“系统工程”,它集力、热、声、光、电于一体。大学物理实验作为一门独立设制的课程,是学生动手、观察、创造思维、处理数据、总结写作等综合能力提高的过程,有着其他课程不可替代的作用。因此不能教条学习,只是简单地照猫画虎,测几组数据。应使知其然,还能举一反三,循序渐进。要在全学年实验中,致使综合能力有全面“质”的飞跃。只有这样才能真正起到锻炼实效,这就要求实验教师在每个实验过程中积极引导学生的学习欲望。
2利用物理学史激发学生的兴趣
光学是研究客观世界中有关光现象规律的一门学科,通过大量历史资料和出土文物的分析研究,充分证明我国古代光学在世界科学技术史中的重要贡献。当时物理学领域内成就最大的是墨家,它是由鲁国的墨翟(公元前480~39年)和他的弟子等所创立。《墨经》是墨家的集体创作成果,它比古希腊欧几里得(公元前330~275年)“光学”还早百余年,不仅是中国光学的先驱,在世界光学史中也占领先的地位。《墨经》对光的直进律,做出了精辟的记载,认为从物体上发出来的光线,好像箭矢一样(“光之人,照若射”),通过精细的观察实验发现,当两个光源同时照一物,产生本影和半影,还给投影下了一个科学定义:光有所遮挡的地方就是影。墨家根据光的直进律,制成了世界上最早的针孔照相机。在十一、十二世纪间,我国科学家郭守敬根据光学原理制成了各种天文仪器,观测天象,取得了丰硕成果[4]。
在教学中我们感到,上实验课缺少足够的时间,应该将实验仪器的一些改进通过演示,使学生明了其实用与便捷。而我们只能见缝插针,简单叙述。例如:在薄透镜测焦距的实验中,以前成像的像屏用的是一个喷漆薄铁片。共轭法测焦距,要求同学们在观察到大小两个像,我们说这叫“大像追小像”,追的结果是看两像的中心是否重合,这一步是用成像的方法(细调)验证粗调是否调好了,是否“同轴等高”。为了对比,学生往往在屏上做记号(划一横线),时间长了,白色屏被画得全是横线,面目全非,很难辨别。新仪器做了巧妙的改进,在一小张硬纸板上,印了坐标,然后用塑料薄膜扎制,既美观又实用。这一看似简单的改进,给使用者带来很大便利。让同学们知道,实验仪器的设计也不是完美的,需要不断改进、更新,这首先就需要认真观察,发现不足,提出建议或思路。
单摆测重力加速度实验,这是经典的物理实验。单摆不仅是准确测定时间的仪器,也可用来测量重力加速度的变化。第一个发现摆的振动等时性的科学家伽利略,他用实验求得单摆的周期随长度的二次方根而变化。惠更斯制成了第一个摆钟,而且第一次记录到一个耦合的振荡器观察。“惠更斯的同时代人天文学家J.里希尔曾将摆钟从巴黎带到南美洲法属圭亚那,发现每天慢2.5min,经过校准,回巴黎时又快2.5min。惠更斯就断定这是由于地球自转引起的重力减弱。英国科学家罗伯特•胡克发明了圆锥摆,是在两个方向上自由摆动的钟摆。通过分析摆锤圆周运动,他用它来分析行星的轨道运动。19世纪中叶傅科在巴黎的先贤祠证明了地球的自转。牛顿则用单摆证明物体的重量总是和质量成正比的。实验教师本身应该对所做实验从实验内容、历史背景、仪器结构、仪器调节、仪器维护各环节了如指掌,这样才能及时解决和解答实验中出现的种种难点、问题,并迅速应急处理。更重要的是要教会学生遇到问题应该如何面对、怎样解决。当然教师的知识也不是全方位的,在科学技术不断进步的过程中,有些问题也可能会出现瞬间“卡壳”的尴尬现象,这就敦促教师应大量查询资料,不断更新知识,在教学中学习,提高自己认知能力,从而保障教学质量。
3存在的问题
(1)对物理学史融入大学物理实验重视不够,且不重视学生的逻辑思维及动手能力的培养,形成单纯知识灌输。
(2)没有特定时间进行物理学史、物理思想的教学,从而导致在实验课中不系统、不全面,缺乏完整性。
(3)需进一步加强教师对教学的严谨态度、拓宽知识面、提升自身素质、提高实验教学水平。
4结论
1.教学内容过于传统和规范。目前的《大学物理实验》教学主要以基础实验为主,实行统一的大纲、教材和统一的考试,主要对一些成熟的实验方法进行验证和练习,在这种统一的规范下,这样培养出来的学生知识结构单一、思维局限性太强、缺乏个性、缺乏创新。
2.实验教学方式单一,教学效果不理想。传统物理实验教学主要是老师先讲解实验原理,然后根据实验内容讲解实验仪器及内容,有的实验还会进行实验演示,这样,学生只是被动地被灌输实验原理及内容,机械的模仿实验过程,按照固定的程序进行实验,因此,在实验过程中很难发现问题,更谈不上创新,而且,学生对这种教学方式缺乏兴趣,只是被动的完成任务,得到实验数据,拿到学分。3.由于受学时的限制,实验内容拓展性较弱,教师也只能根据学时安排一些相对经典的实验,对一些难度高、复杂的实验,老师也只能忍痛舍弃,学生也失去了很多进一步学习的机会。面对目前大学物理实验教学存在的问题,如何在有效完成实验教学任务的基础上,提高教学质量,并通过对“大学物理实验”的教学达到对大学生独立操作能力、创新能力和自主思维能力的训练和培养是“大学物理实验”教学改革的关键。
二、“大学物理实验”教学实践改革思路与实践
1.教学内容的优化和学生主导地位的确立是“大学物理实验”教学质量提高的关键。“大学物理实验”的教学目的是全面培养学生动手能力的提高、素质的培养和提高。根据“大学物理实验”的定位,我们紧密围绕提高学生实践动手能力这个中心任务,结合本校实际情况,根据专业将本科生的实验分为工科、理科和农科三大类。在每一类里面,结合学生专业和课程设置,将实验分为三个层次,循序渐进的培养学生的动手能力和创新思维。第一层次,是必做的基础类实验,如传统的力、热、电、光等单项实验,如“扭摆法测刚体的转动惯量”“电源特性研究”“单缝衍射光强分布的测定”“通用示波器的使用”等。其教学目的是在大学物理课程学习的前提下,通过基础类实验初步培养学生理论联系实践的能力,锻炼学生的动手能力,通过这类实验,要求学生能独立地完成一般实验。第二层次,为综合类实验,本阶段实验涉及理论面较广,相对复杂,同一个实验可能会涉及到力、热、电、光和近代物理技术的综合应用。比如,“密立根油滴实验”“电流磁场的测定”、“电表的改装与校准”“光谱定性分析”等。学生可以根据实验目的自己设计实验方案,老师只起到解惑的作用。通过方案的设计、完善及实验的具体操作,培养学生的综合思维和创造能力,加强动手能力。学生通过完成综合类实验,从失败中补足知识的漏洞和操作的缺陷,从成功获得学习的兴趣和动力,在此阶段,学生运用知识和动手能力得到很好的训练。第三个层次,是设计类实验,是选择类实验,有意愿的学生结合自己的专业和兴趣点,提前申请并在老师的指导下,自行调研、选择课题,并根据查阅的资料写出调研报告、实验方案,通过老师和实验小组的充分讨论,确定实验方案,组装实验设备,完成实验。比如,植保学院学生设计的“液体表面张力的测定”,资源环境学院学生设计的“土壤粒径的测量方法改进”,机电学院学生设计的“光电检测技术应用”,生命学院学生设计的“望远镜及显微镜的组装”等都取得了很好的效果。这个层次主要以科研方式进行,主要引导、锻炼学生综合应用实验方法和技术的能力,学习发现问题、提出问题、解决问题的科研的思维和方法,培养他们的创新思维、能力及合作精神。在上述“渐进式”实验教学完成的过程中,学生主导了整个教学活动的,老师会解惑、辅导学生实验中遇到的问题,并提供学生所需实验设备和仪器,从而打破了传统实验教学中老师讲解、演示,学生模仿的被动局面,大大提高了学生学习的积极性和主动性,也激发了学生解决科学问题的动力和潜力,在实验的过程中,学生的动手能力、创新思维得到了很好的训练和培养,学生素质的提高也在潜移默化中完成。
2.“大学物理虚拟实验远程教学”的应用是提高实验教学效果的保障。虽然改进后的教学内容和方法很大程度上满足了教学任务的有效完成和学生能力的培养,但也会受实验场地、仪器及时间等的限制,为了进一步拓宽学生的知识面,开阔学生思维,我们教研组设立了“大学物理虚拟实验远程教学”,选用了基础类、综合类、设计类等50余个实验,每个实验包括实验目的、方法、原理、内容及实验模拟及结果分析等模块。学生可以通过校园网登陆,选择实验内容并进行网络模拟。有一部分实验和实际操作实验吻合,学生可以在实际操作后通过模拟实验还原实验过程。还有一部分实验是近代和综合设计类实验,受实验条件的限制暂时没有开设,学生可以自主进行选择、设计及模拟操作。虚拟实验远程教学可以巩固并拓宽学生的理论知识,为学生思维的开阔及创新能力的培养打下良好的基础。
三、结束语