人才培养模式下大学物理实验教学的改革

摘 要 ：培养学生的动手实践能力是实验教学的一个重要目标,通过近几年实践教学,总结长沙理工大学大学物理实验中所采取的诸多改革措施——开设和开放各种实验室,构建网络交互式教学平台,对学生进行全程性考核.这种教学模式有利于学生的动手能力和学习热情的提升.

关 键 词 ：大学物理实验；开放实验；创新能力

作者简介：邓小清（1974-）,女,湖南宁乡人,长沙理工大学物理与电子科学学院,讲师；杨昌虎（1964-）,男,湖南常德人,长沙理工大学物理与电子科学学院,副教授.（湖南 长沙 410004）

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）19-0143-02

目前,教育部普通高等学校的本科实践教学工作的评估中[1,2]提出了要对实践教学的内容进行改革,要大力加大综合性、设计性实验的比例,尽可能进行开放式教学.作为理工科学生的一门重要基础课,大学物理实验在高校中是作为必修课来设定的,近年来开始受到了高校领导和教师的重视.长沙理工大学物理实验中心近年来也积极进行了诸多改革[3],取得了非常好的成果和成绩.

一、开放式实验教学

按照长沙理工大学物理与电子科学学院的教学计划,大学物理实验分为实验A和B,课程教学时数为64学时和32学时,共计上课21次和10次,包括1次绪论课,20和10次实验课,以及1次实验考核.除了少量的验证性实验,大部分为设计性实验和综合性实验.近6年来,实验中心进行了如下的改革.

1.改革和开放了传统的物理实验室

与传统的教学模式不同,开放式实验教学[4,5]使得学生可以在实验教师规定的时间内自由上课,时间上学生有更多选择,由于开设的实验项目比较多,学生可以选择一些自己喜欢的实验,这样有利于提高学生的学习兴趣.学生可以在网上选课,由于已经将实验的开放时间、项目、实验负责人等信息都公布在网上,学生可以在网上先了解一些实验项目的主要内容、相关文献资料、操作流程以及注意事项等.因此学生就能写好预习的内容,包括实验原理,在约定的时间进入实验室时能做到有备而来.设立实验报告箱,网上实验答疑,使学生随时可以按实验项目上交实验报告和进行实验咨询.在实验内容上,一共开设了32个实验项目,其中验证性实验为8个,占整个实验项目的25%,综合性实验为16个,占整个实验项目的50%,考虑到设计性实验难度较大,目前只开放了8个,占整个实验项目的25%.

验证性实验主要是对中学阶段实验的一些巩固和提升,比如长度和密度的测量,主要是让学生学会使用游标卡尺、千分尺的以及物理天平,这些在中学开学过,但发现大部分学生不会正确操作和读数,同时对数据处理方面增加了线性回归法,误差方面引入了标准偏差的计算.类似的实验还有动量守恒定律的验证,光电效应测普朗克常数等；设计性实验相对更加注重知识的拓展和应用,比如电位差计的原理与应用,学生在中学根本没有接触过电位差计,相对来说就有点难度,不仅要学会根据电位差计的补偿原理来调试电位差计,而且要应用到实际中,比如校正直流电表、测量未知电阻以及测量电池的电动势和内阻等.综合性实验对学生的要求更高,首先不仅要了解原理,还要根据需要设定一些参数,然后设计实验,最后进行验证,比如热敏电阻温度计的设定,学生首先要测量热敏电阻的阻值与温度的关系,其次自己设定一个电桥,而电桥中有很多参数是需要根据自己的要求去设定的,然后进行实验,最后根据实验的测量数据去验证线性关系.

2.增设并开放了演示实验室

谈到演示,很容易让人想到中学课堂上,教师拿着一套教具在讲台上操作和实验,讲台下全体学生在观望,教室前面的学生看得比较清楚,后面的学生只能听教师讲的过程和实验的结果,可见教学效果是很受限制的.比较而言,大学的讲课信息量大,教师的教学规划中,教学内容大大增加,知识的难度也进一步加大,教师要提升课堂教学效果,学生要很快速并扎实地掌握大学物理的知识,需要补充一些实验来巩固知识.为此,长沙理工大学物理与电子科学学院向学校申请,建立了大学物理演示实验室,包括力学演示实验室、电学和磁学演示实验室以及光学演示实验室,演示实验室项目很多,内容丰富,实验现象非常直观,深得学生的喜爱.比如力学演示实验室中,转动惯量守恒定理的验证中,一个学生坐在一张能转动的椅子上,两手分别拿着哑铃,在转动的过程中,当双手往胸前收缩,可以明显看到椅子的转速加快,而两手水平伸展的时候,椅子的转速会减慢；另外还有弹性碰撞、动量定理、水波的共振等25个实验现象的演示.电磁学演示实验室内容包括静电感应球、LED显示原理、冰箱的工作原理演示仪,半导体制冷、红外线报警设备,电脑人机交互,光致和电致发光原理、微波辐射测量等28个演示项目.对于光学演示实验室,学生非常感兴趣的就是3D电影的原理、激光光栅演示的满天星效果,另外还有黑体辐射、光纤通讯、双折射、偏振光等25个项目.上课的时候,教师要求学生一般先预习,熟悉原理、仪器和实验演示过程,然后每个学生负责一个实验项目进行讲解和演示,遇到讲解不全面的,指导教师再做补充.

3.建立和开放了仿真实验室

目前,随着高校计算机的普及,很多学校把计算机应用到了教学中,一方面增加了教学的方便,另一方面由于很多前言的实验仪器比较复杂、精密和贵重,学校没有那么多资金去购置这些设备,同时,由于各个专业的要求不同,为了学科的发展,有些院系注重对专业课程的投入,对大学物理实验这种公共基础课则给定的学时和学分较少,比如有些学院制定的大学物理实验课程只有1个学分,学生就只能做9个实验,这样学生掌握这门课的知识就有局限,也阻碍了一些学生在这方面的求知欲.为此,通过跟学校和学院的协商,大学物理实验中心建立了物理仿真实验室,有专门的电脑机房提供给学生使用,通过专门的仿真软件,学生可以在电脑上进行实验的界面操作,可以修改实验参数,得到不同的实验结果,并进行数据处理和误差分析,这样反复的实验操作,使得学生对设备流程和操作方法能大大加深印象；对于一些比较前言的先进实验,比如磁悬浮效应、纳米磁性效应、超导效应以及热电效应等,则会大大地拓展了学生的见识和视野,这种仿真实验使得学生对实验教学表现出更强的学习兴趣和更饱满的学习热情. 二、构建了网络交互式教学平台

尽管目前高校实验装备的投资力度得到增加,实验教学环境和手段得到了改善,但仍然存在经费比较紧张,实验设备不够完善,以及人机矛盾等方面的问题.为此,利用现代教育技术变成为实验教学中极为重要的手段之一,近年来数字化网络教学[6]开始走进了高校的校园,这是一种以网络教学资源建设为核心而进行网络多媒体辅助教学模式,为此,学校网站专门建立了数字化教学资源库和网络教学平台,平台内容包括网络课程,作业提交系统、考试系统,答疑系统、在线答疑、课件发布系统、精品课程、教学平台、网络课件、网络教学、网络教案、网络课堂、智能化、远程教学与技术等,这种教学网络交互式教学模式,具有灵活性、开放性、多层面性等特点.作为省级级精品课程的大学物理课程,为大学物理实验提供了很好的理论指导和前言成果数字化资源,除了把大纲和现有教材中的实验内容注入教学中,一些先进的科学实验和技术成果也被补充到教学平台中,有些教师结合自己的科研实验,将一些相关的成果（包括论文、专利以及小制作等）通过这个平台传输给学生.网络教学平台上内容丰富,包括以下一系列文件：文本、图形图像、音频、视频、动画、课件等.为了提高教师的网络教学水平,学校和学院每年组织教师进行多媒体教学培训,多媒体课件制作比赛等,教师们也积极向一些计算机水平高的同行学习,使得网络教学平台不断丰富和完美,内容也及时得到了更新.

三、实施了全程性实验考核

全程性考核[7]是实验考试考核改革的一种有效方式,考核的范围比较全面,包括实验预习部分、上课以及最终的实验报告和思考等,而期末的实验考核,则是对整个学期实验的一个随机抽查检测,这种具有连续性的考核方式对教学起到了较好的促进作用,考核具体包括以下内容：

实验预习方面：学生进入教室以后,教室会对学生的预习进行检查,内容主要是实验原理和注意事项方面,方式包括检查预习实验报告和口头提问等.实验操作方面：上课的时候,教师会将实验原理、主要实验步骤以及实验注意事项进行讲解,必要的时候会进行部分演示操作,然后学生会按照实验要求进行相关操作,教师会针对学校的上课表现给予考核,包括上课的纪律、实验仪器的调试、实验数据是否正确以及对实验故障的处理能力等.课后的实验报告方面：学生做完实验后,需要将课堂上的知识进行总结,写完实验报告,报告中要求学生对课堂的测量数据进行计算、对结果进行误差分析以及对实验的思考题进行解答.鼓励学生有独到的思维见解,写实验心得,对基础好的学生,提倡学生利用计算机处理实验数据,有部分学生甚至能自己编写实验数据处理程序.通过这种多方面的考核方式,一方面对学生的实验起到了监督作用,另一方面能提高学生的学习兴趣和热情.

除了平时的实验,到期末的时候还会有一次随机考核,对学生的实验成绩加权评定为平时实验占80%,期末考核占20%.期末考核是对平时实验的一个综合测试,考查学生对平时实验的熟悉程度,只有平时实验掌握较好、基本熟悉每个实验的流程,实验数据处理得当的学生才能取得较好成绩.在实验中心,这种考核采用电脑随机抽取实验考核项目,学生只有在考试前15分钟才知道自己的实验内容,进入考核的地点后,教师会以多种方式（口试、笔试以及实验操作等）考核学生,这样对学生的实践操作和口头表达都有一定的要求.对基础实验、设计性实验和综合性实验[8]等实验考核的侧重点也不同,基本实验考核,主要考核学生基本的实验技能、简单实验操作以及实验数据处理是否规范等；对于综合性和设计性实验,主要考核学生对实验的分析能力,实验设计能力以及解决实验故障和突发问题的能力.

当然,这种改革也给实验教师带来了一些不便.比如说,由于学生大部分是大二,很多是工科学生,学生的课程多,任务重,为了完成实验,学生会逃掉他们的专业课来上实验课,从而导致专业学习受到影响.为此,大学物理实验中心的教师会尽量把一些开放的时间放在中午、周六、周日以及晚上,有利于学生的选课和上课.而且长沙理工大学的新校区处在离市中心有30公里的郊外,交通不太方便,而要完成实验任务,教师要克服很多困难.另外,网上教学也增加了教师的投入,要做电子文档、课件、开发实验教学资源,改变教学方式,更新教学内容,关注科技前言等.当然,一切以学生为中心,为了培养更多优秀人才,实验中心在师资不足的条件下,兢兢业业,尽职尽责地工作：近5年来有部分本科生发表了30余篇相关的实验论文,参加了10余项教育部创新性开放实验项目,另外学院每年组织学生参加湖南省大学物理竞赛,学校的“物电杯”实验竞赛,以及全国大学生电子竞赛等,这些活动调动学生的学习热情、研究兴趣和创新能力,也取得了很多优异的成绩.