大学物理实验与教学实践

摘 要 ：本文首先比较了国内外大学物理实验教学的不同之处,认识到我国与国外先进教学理念、教学方法上存在的差距.然后详述了上海工程技术大学的物理实验创新方案,最后详细介绍了将光谱仪引入创新性设计实验的教学实践案例.

关 键 词 ：大学物理实验；创新性设计实验；光谱仪

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）08-0079-03

一、引言

现代科学技术的飞速发展以及社会的不断进步要求现代教育也必须做出相应的改革,以现代教育的理念去指导教学实践.教育就是对人的培养,人是教育的第一要素,也是教育的核心所在,因此一切教育活动都应该围绕个人展开[1].大学应该以学生为本,为学生提供良好的环境,教师不应该是知识的灌输者,而应成为怎么写作者,“授人以渔”,引导学生自主学习.而大学物理实验与现代教育理念的结合具有得天独厚的优势,它最能体现学生的探究性与创造性.物理实验的功能,除了测量和验证,还有更重要的一点就是发现与探究.因此大学物理实验的创新是高等教育发展的必然要求.

二、国内外大学物理实验教学的比较

在国内传统的大学物理实验教学中,实验课程的开展往往是教师根据实验教材在实验室里详细讲解实验原理和实验步骤,学生则照搬教师的讲解进行实验,很多情况下,学生做完实验后对诸如实验步骤为何这样确定、实验方法的依据何在等问题不甚明了.真正的实验课程需要学生主动参与,包括主动寻求实验原理和方法、设计实验步骤、对实验数据进行处理与反思,而这方面国内大学物理实验教学却较少要求.在欧美发达国家,实验教学理论可以认为是一种合作学习理论,普通物理实验是一种探究式实验.大学物理实验教学和大学物理课堂教学一般都是整合在大学物理课程之中的.如在MIT普通物理学课程中,学生按照3人一组进行分组,以学生自主学习为主,教师讲解理论知识并指导学生实验[2].另外,教学方法、教学手段的多样,例如哈佛大学的Home lab很有特色.发给学生一个实验箱,里面有各种小工具,作为家庭作业可以带回家去完成[3].美国、德国的大学还开有许多根据高新科技设计的趣味性实验,以增加学生的兴趣[4,5].哥伦比亚大学、麻省理工学院的“upper Division”实验课,斯坦福大学、哈佛大学的“project”实验课,注重为学生提供足够的条件,由学生选择实验题目、拟定实验方案、配置实验设备、测量数据、分析结果、完成报告、对实验的时间和最终结果不作硬性规定,学生可以根据自己的时间、能力及兴趣来安排[1,6].这类实验强调的是研究、创新、探索未知世界的精神,这是物理实验的根本任务和最终价值,也是物理实验教学追求的崇高目标之一.

三、我校大学物理实验的创新

上海工程技术大学基础教学学院已经开始积极实施物理实验教学改革.在实验课程中,教师简明扼要地讲解实验要求和实验器材的使用注意事项,实验中其他环节交由学生自己处理,而教师从整体上对教学进度进行控制.在物理实验教学中根据不同性质的实验合理应用启发式、讨论式、研究式等教学模式.在教学目标上,通过创新性物理实验,训练学生的科学探究能力以及各种实验操作技巧,如提出检测设、设计实验过程、收集数据、作图、推论以及反思批判思考等能力,拓宽其创造性思维,培养团队精神.在教学过程中,教师先详细介绍先进技术设备的应用前景,充分调动学生的学习积极性,再介绍相关的物理学原理.教师为学生提供基本的实验理论的资料和设备说明书,并且加以说明和介绍,学生分组协作,研究资料和设备状况后,先完成一些基本实验内容,而后对实验提出自己的意见,并与教师协商决定创新性设计实验的具体课题内容,提出创新性实验方案,然后组织实施方案,完成创新性实验和报告.而教师对学生的评价主要看学生在实验过程中的创新思维和创新点的实施情况.

四、创新性设计实验的教学实践

上海工程技术大学已经开设五十多种创新性设计实验供学生选择,在此仅举一例说明我校创新性设计实验的教学实践情况.将光谱仪引入创新性设计实验教学,引导学生了解光谱仪的原理,熟悉其操作,并能熟练使用光谱仪进行测试,本实验由学生组成2～3人小组,6学时完成.首先,老师为学生介绍光谱仪的应用范围.光谱分析在物理学、化学、生物等基础学科以及冶金、地质、机械、化工、农业、环保、食品、医药等领域有着极其广泛的应用.光谱仪作为光谱分析中的检测仪器在实际工业生产及科研活动中有极其广泛的应用.正因为如此,我们才将光谱仪引入创新性设计实验中.采用多媒体教学,可以利用互联网随时查找相关资料.第二步,在充分调动起学生的积极性后,向学生介绍光谱仪的构造及其物理原理.本实验室的光谱仪如图1所示,由激发光源系统、分光系统、样品检测系统、数据采集及处理系统与软件系统和计算机系统组成.光源系统为氙灯光源,光谱范围200nm～1800nm.作为核心部件的单色仪（分光系统）采用光栅分光,而多光栅塔台设计,更好地发挥了仪器覆盖UV-VIS-IR全波段光谱范围的优势,并可根据需要更加灵活地选择.检测系统由单色仪和探测器组成,探测器使用光电倍增管,工作波长185nm～650nm.数据采集系统采用单光子计数器,“单光子计数技术”是利用在弱光下光电倍增管输出信号自然离散化的特点,采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术,把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来.这里,重点讲解的是光栅及其分光原理,其余仪器原理由学生在老师的指导下自己查阅.第三步,老师提供仪器设备及软件说明书,实验小组讨论研究仪器的使用,并进行简单实验,如检测汞灯的特征光谱.学生熟悉光谱仪操作后,再与老师讨论提出创新性设计实验的实验方案.我们根据此套光谱仪的特点提出了测量物质荧光光谱的实验方案,最后完成实验和报告.

本文对比了国内外在大学物理实验教学的不同之处,详细介绍了国外大学在教学理念、教学方式方法、教学内容等多方面的先进经验.提出我们需要逐步改变物理实验教学的现状,尽快建立更科学的物理实验教学体系.并且详述了上海工程技术大学物理实验教学创新改革和教学实践的经验.我们在实验教学的开放性、如何激发学生学习兴趣、如何引导学生利用先进仪器进行科研等方面还有待进一步提高,物理实验教学体系还有待进一步完善.