大学物理实验模块化教学改革

摘 要 ：大学物理实验课作为工科大学生进校后的第一门基础实验课,是学生接受系统实验方法训练的开始,也是培养与科学技术发展相适应的能力的开始.本文分析了国内外大学物理实验教学现状与特点,介绍了我校大学物理实验模块化教学改革的动向和思路.

关 键 词 ：大学物理实验；教学改革；模块化

中图分类号：G642.423文献标识码：B文章编号：1672-1578（2015）01-0282-02

大学物理实验是高等院校理工科学生必修的一门基础课程,是对大学生进行科学训练的重要课程之一.近年来在模块化教育观念引导下,我校普通物理实验得到了很大的发展,实验教学体系、实验教学内容和教学手段、实验教学运行模式以及实验考核等方面呈现出一些新的动态,概述如下.

1.新的实验体系

新的实验课程体系以传授知识为基础,以提高学生的素质为核心,以能力培养为重点,打破了原普通物理实验课力、热、电、光部分相互独立的模式,循序渐进分阶段安排实验,每个阶段涵盖力、热、电、光各一定数量的实验项目,分预习、基本训练、提高、深入和设计实验等五个阶段进行实验循环,对每个阶段的训练都有明确的目标和要求.

除基础实验必修课外（主要在大学一年级第二学期开设）,还开设"设计性物理实验"选修课（主要在大学二年级第一学期开设）.该实验是在教师指导下,以课题形式进行,课题具有实践性、设计性、综合性和研究性.设计性实验大多是将传感器、计算机应用于物理实验.在课题进行的过程中,教师鼓励学生充分发挥主动性,独立进行设计和研究,极大地激发了学生学习兴趣,增强了实践能力和创新能力.我校对数理系、电子系、化工系、生物系、建工系、计算机系六个系20个专业的学生开设物理实验课程.可以开设的实验项目达35个,学期初通过与各个专业的老师进行沟通,根据不同专业要求开设不同实验,所开实验能促进学生对本专业的进一步学习,加大了实验教师工作量.

2.新的实验内容

过去的大学基础物理实验教材基本上是各自为阵,不少学校采取讲义的形式,这些无疑与二十一世纪的发展是不适宜的.新的教材体系有三大特点：（1）实验误差分析和处理新思想以及先进的数据处理软件（Matlab、Oringin等）贯穿每一个实验项目中；（2）近代物理、综合及应用性实验中融进一些现代物理思想与实验思维方法,以增加学生的知识密度拓宽思路；（3）设计性实验占一定的比例,这部分只提出实验原则、思想和要求,让学生自己思考具体原理（公式）、实验方案,这样做有利于学生综合能力和创新意识的训练.实验内容涵盖力学、热学,电学、光学、原子物理学的内容,与我校的模块化改革相配套,具体实验模块（分四大模块）如下：预备性知识模块、预备性实验模块、基础性实验模块、创新性实验模块.大学物理理论教学教师也参与到物理实验的教学工作中,促进了大学物理理论模块和物理实验模块的融合.

3.新的实验运行模式

每个班级分a、b、c、d四组,每一组一般有20人左右,一人一台套,每个老师同时指导20个学生,有利于及时掌握每个学生的实验操作情况.同一时间段内（例如三个学时）四组学生对应做A、B、C、D四个实验,然后交换实验项目,循环次数提高.对于实验场地有限,实验仪器欠缺的高校,少台套大循环可以有效解决教学资源短缺的问题.实验室的开放时间就必须相应增加,全天开放实验室.国内很多高校实验课也达到了一定的开放性,从时间上（全天开放或者分时段开放）,空间上开放所有实验室以及实验项目（不同专业的学生可以选择不同的实验）.

4.新的实验教学手段

4.1计算机技术已广泛应用在普通物理实验教学和管理上,主要体现在以下几个方面：

A、采集处理数据-计算机采集处理实验数据的方法目前已用于定性、定量的研究之中,它不仅适合电压信号的采集处理,同时还适合非电压信号的采集处理,利用计算机运算速度快的特点,结合先进的数据处理软件和数学方法（最小二乘法、逐差法等）, 能快速进行平均值、误差以及不确定度的计算.

B、计算机的仿真模拟.远程仿真实验是一种充分融合仿真技术与网络技术的全新教学方式.

C、利用计算机进行网上教务管理.利用计算机进行网上教务管理后,教师与学生的许多联系可以通过网络来实现.目前许多学校网上教务管理主要设有网上实验论坛、通知、教学文件和实验室信息的浏览、教学信息反馈系统,教学效果调查等栏目.

4.2电视显微技术在物理实验中的应用.过去各高校测量材料的杨氏模量都是采用拉伸法,现在利用CCD摄像及电视显示方法测量材料的杨氏模量与传统的测量方法相比有以下优点：

A、将高新技术引入实验中,使学生尽早接触新科技；

B、物理概念清晰、易于理解.

C、仪器结构轻巧、简单；操作方便,重复性好,减少了光杠杆引入的误差.

4.3DSP是"数字信号处理"的英文缩写,已广泛地运用于高科技研究和尖端技术领域及日常生活之中,如人工智能、语言识别、雷达、声纳、航空航天、地震探测、家用电器等.DSP技术具有很多突出的优点,它能实现对信号进行快速实时处理,处理方法灵活、信号易于存储,处理结果稳定性强,所以很容易实达到以往用模拟仪器难以达到的效果,而且只需较少的硬件投入即可实现多种功能.现将DSP技术引入近代物理实验中可摆脱某些实验仪器的限制,对信号处理快速、灵活、多样,同时又克服了专用仪器昂贵,移植能力差的缺陷.目前,DSP技术在声学实验中做了尝试取得了良好的效果.

4.4生物学效应引入大学物理实验.交叉学科是当前极富活力的领域,生物学与物理学的交叉备受人们的关注,生物学或生命科学研究的对象归根结底是以物理学原理为基础.电场生物学效应是研究电场对生物活体的作用,发现它对生物生理系统的影响,是一门跨越传统学科的交叉学科,也是物理学前沿课题之一.内蒙古大学已建立了电场生物学效应实验室,通过物理实验做定量的测量来研究它的机理实现了物理实验课内容现代化. 5.新的实验考核方法

考试是教学过程的重要阶段,考试改革是教学改革的重要组成部分,物理实验课有明确的教学培养目标,这些目标只能通过学生亲自动手实践来培养.基础和综合性实验,采用综合考核方式,学生在按时完成规定实验项目后,综合评定给出最终成绩.五项考核内容：实验预习10%（通过做网上预习题目打分）,实验操作20%（平时的实验操作过程随堂打分）,实验报告30%（每个实验做完后,两周之内批改实验报告,给出实验报告成绩）,操作考核20%（学期末考试周进行,抽签选择任意一个实验）,笔试考核20%（学期末考试周进行,抽签选择任意一个实验, 针对抽到的实验进行相应的笔试考核,笔试考核结束后随堂进行操作考核）.

6.国外物理实验动态

美国高校中物理实验教学上广泛应用计算机,近代物理实验中计算机基本普及,普通物理实验项目大部分使用计算机,有的学校连写实验报告、批改报告也用计算机.美国大学的普通物理实验课大多不独立设课而从属于理论课,专职实验教师很少.美国大学教学实验室的技术人员素质很高,美国大学重视对TA（Teacher Assitant）的培训.他们的实验教材全部是自编的讲义,

追求的是新颖、现代、有特色,而不追求完整、系统、规范化[1-4].

在德国高校很重视物理实验课,实验设计思想坚持基础理论与实际应用相结合,实验内容丰富,考核方法灵活,师资精简.德国"少台套、大循环"的实验教学理念在国内高校的大学物理实验教学改革中得到成功应用[5],国内很多应用型高校的实验教师来到该校进行实验教学经验交流和观摩.

7.总结

创新和动手能力是新世纪应用型人才需求必备的要求,实验教学是培养学生这两种能力的有利途径.模块化教学引导学生能够自主学习、兴趣学习、实践学习、研究学习.模块化改革倡导知识输入,能力输出,但是目前亟需一个更加有效的考核方式来检验学生的能力是否达到模块化改革的初衷.