大学物理实验教学改革的探讨与建议.pdf

管理观察 Management Observer 总第 608 期 第 9 期 2016 年 3 月 下旬出版 82 大学物理实验教学改革的探讨与建议 沈希雅，王斌斌，竺江峰 ( 浙江海洋学院，浙江 舟山 3 1 6 0 0 0 ) 摘要：本文针对大学物理实验课现状，分析了当前存在的一些弊端，阐述了大学物理实验改革的必要性。 从激发学生学习兴趣和提高学生在课堂上的主动性出发，在教学内容、教学方法以及考评制度上提出了 改革的几点建议。 关键词：大学物理实验 教学改革 多媒体 考核 作者简介： 竺江峰（1 9 6 1 - ），男，籍贯：浙江宁波，职称：高级实验师，研究方向：大学物理实验教学。 21 世纪是人才竞争、教育竞争的时代，亟需有稳固 的基础知识、扎实的专业技能、具有创新意识的人才， 而大学物理实验教学是高等院校理工科学生的必修课， 是培养高素质人才的重要环节。 由于师资水平和教学环境的限制，现如今大部分高 校的大学物理实验教学都还是“教师主导”的传统课堂 模式。在课堂上，教师演示完整的实验过程，学生不需 要进行自主思考，只需机械式地模仿，使实验变成了一 种形式化，记忆性的过程。一定程度上，这限制了学生 的思维创新，造成了学生对老师的依赖心理。 为了实现大学物理实验教学培养“应用型”人才的 教学目标，对大学物理实验教学进行改革的关键是提高 教学质量的和完善期末的考核体系。 一、引入多媒体资源，激发学生兴趣 获取实验数据， 撰写实验报告是实验课的最终结果， 也是实验课的重要组成部分。相对而言，对实验的预习 环节的重视不够。 从提高学生的素质和能力的角度来看， 实验的预习环节非常重要。 现在学生在预习上课要讲授的实验项目时，一来可 以根据教材上的内容介绍，二来可以根据在学校网站上 发布的预习提纲和实验示范报告。学生可以通过阅读教 材上关于实验原理，实验步骤以及实验仪器结构的相关 介绍等基本知识结合预习提纲来对下次课要进行实验进 行思考，充分发挥他们在学习中的主体作用 3。 但由于学生课业繁重，学校教学资源有限等原因， 学生往往不能在实验课之前接触到实验器材。这样纸上 谈兵的实验预习， 往往会造成学生对预习环节缺乏兴趣， 而大大影响了实验预习的效果。为了让学生对预习内容 建立起生动具体的形象，引入多媒体资源是行之有效的 办法。即在学校网站上逐步上传一些教学资源 7，比如 拍摄的一些教学视频，实验项目的动画模拟视频等。这 对于实验教学来说也是一种全新的授课方式。 另外，学校也可以在网站上建立网络虚拟实验室。 虚拟实验是利用多媒体、仿真软件和虚拟现实来模拟实 验的环境和操作过程，实验者可以像在真实的环境中一 样完成各种实验项目。与实验室一些设计精密、价格昂 贵的仪器相比，学校只需很少的投入，就可以缓解教学 资源不足的问题。对学生而言，虚拟实验无疑是富有吸 引力的，这极大地激发了学生对大学物理实验的学习兴 趣，提高了教学的效率 4。 除了三线摆等必修的实验课程之外，虚拟实验中可 以加入一些拓展性、创新性的实验，供学有余力的同学 自学。 然而，虚拟实验虽然突破了传统实验受时空限制的 弊端，但是它仍然无法代替真实的实验操作，它只能作 为传统实验的一种具有可行性的补充。只有把传统实验 和虚拟实验有机地结合起来，才能最大程度地发挥它们 的优势。 83 中国高校管理 二、采取多种授课模式，提高课堂教学质量 引导学生读懂实验原理、实验方法以及实验仪器的 运行操作是实验教学的第一步，也是实验教学成败的关 键。大学物理实验课是理工科学生的必修课，学生来自 不同学院不同专业，的实验的能力也是参差不齐，因此， 可以以学生的实验水平为指标，对不同班级采取不同的 授课方式。 对于实验水平较高的班级，可以通过课上提问的方 式让学生自行讲解实验原理和介绍实验方法，这一方面 可以检验学生的预习效果，另一方面也可以加深学生对 实验的印象。 比如在“密立根油滴仪测油滴电荷”这个实验中， 由于密立根油滴仪在操作不当的情况极容易损坏 1，教 师可以让预习得好的同学介绍实验步骤，再补充强调学 生介绍里的疏漏之处。这样，一方面体现了学生在课堂 里的主体作用，另一方面也提高了学生对实验步骤的掌 握程度。而对于长度测量工具等一些基本使用工具，可 以让学生自行看教材上的说明来进行操作，教师则在课 堂里面巡查，发现并记录学生操作上存在的问题，在大 部分的学生都操作完毕之后，教师可以采用反问的方式 提问学生操作上的问题，最后由教师进行系统的分析和 评价。 从而不仅使学生掌握了大学物理实验的实验技能， 而且有效地激发了他们对学习的热情。在大学物理实验 的课堂上出现学生积极思考，主动参与，敢于创新的热 烈场面 6。 而对于实验水平相对较弱的班级，教师可以先向学 生介绍有关实验背景，实验仪器的使用以及在实际生活 中的应用，给学生一个直观的印象，同时也扩大学生的 认知面。例如在讲解示波器的时候，由于示波器的按键 很多，教师可以利用投影仪先给学生看一遍示波器使用 的操作视频，让学生对示波器的使用有初步的印象，然 后提出实验的思路和方向，引导学生读懂实验原理，思 考实验的可靠性， 从而激发学生主动思维， 加深学生印象， 起到事半功倍的效果。 三、在教学和数据处理中应用 Ma t l a b Matlab 在物理实验的作图、数据处理、模拟仿真方 面起着重大的作用，有助于将物理实验的教学过程转变 成一个师生间共同探讨的互动过程。 例如在“等厚干涉牛顿环”这个实验中，教师 可以在讲授实验原理时，根据光的干涉的基本原理，利 用 Matlab 进行牛顿环的干涉模拟，从而得到模拟出的干 涉图像，使学生建立一个干涉现象的初步印象，有助于 学生更好地理解实验原理和掌握实验操作，从而更快地 找到干涉条纹。 另外，Matlab 不仅在光学实验中有着重要应用，而 且在电磁学实验中也有着较多的应用。例如，学生在使 用示波器观察李萨如图形时，常常会由于信号源的不稳 定而造成图像不稳。如果采用 Matlab 进行模拟，则可以 将实验中观察到的图形与模拟产生的图形进行对照，有 利于提高学生的认知水平以及尽快地发现错误 8。 Matlab 不仅有助于绘制物理实验的图形图像，而且 在数据的分析处理方面表现优异。 在大学物理实验课程中，涉及的物理规律一般可以 分为线性规律和非线性规律两种。 对于呈线性规律的实验数据，数据处理一般采用逐 差法、作图法和最小二乘法。但在数据点不多的情况下， 逐差法可能会产生较大的实验误差。而作图法则是人为 手工绘制一条直线，当数据点分布较为松散时，学生绘 制这条直线不仅难度较大而且极可能产生较大误差。 最小二乘法体现了统计的规律，目的在于寻找“最 优拟合”，也就是最佳的拟合直线，但它的缺点在于运 算量庞大。为了解决这个问题，教师可以引导学生利用 Matlab 进行运算，从而将学生从复杂的人工运算中解放 出来。 教师先引导学生编写好最小二乘法的运算程序，然 后通过修改实验数据和调用程序，就可以得到需要的拟 合直线、相关系数、线性回归方程和不确定度。这样不 仅节约了时间，而且有效地避免了传统数据处理方法受 诸多因素干扰的弊端。 而对于呈非线性关系的物理规律，数据处理一般采 用作图法，并且通常不需要得到实验目标曲线的函数关 系式。为了得到满意的实验结果，一般情况下需要先测 量好数据点再进行作图。然而描点连线不仅容易引入实 验误差而且耗时巨大，学生易产生厌倦心理，进而对完 成实验报告抱着应付的心态，极大影响了实验报告的质 量。若与 Matlab 相结合，采用曲线拟合和插值的方法， 则可以得到理想的平滑曲线。 84 中国高校管理 在数据处理环节引入 Matlab，不仅提高数据处理的 速度和质量， 并且可以便捷地得到直观图像和函数方程。 既缓解了学生对处理数据的倦怠心理，又提高了学生的 主动性和操作能力。当实验数据出现较大误差时，也方 便了学生及早发现错误，及时重做实验，避免学生在课 后因为误差过大而篡改实验的原始数据，体现实验的科 学性和真实性。 四、完善期末考评制度 目前普遍采用的大学物理实验考核方式是将平时实 验成绩和期末考试成绩两个部分按一定的比例进行综合 评价。虽然平时实验成绩和期末考试成绩两个部分的综 合评价能够比较公平地反映学生对大学物理实验这门课 程的掌握程度，但仍然存在一定的弊端 2。 例如目前平时实验成绩评定主要以撰写的实验报告 为依据，虽然教师会在课堂上对预习报告进行检查并作 标记，但仍然存在学生篡改实验数据、抄袭实验报告的 现象。这不仅不能准确地反映学生的实验水平，而且挫 伤了认真学习的同学的积极性。 考虑到现在大学物理实验课的教学往往采取大班上 课的模式，教师无法对每个学生的实验过程进行考量， 提出如下几点建议： （一）在期末考评中加入闭卷理论考试成绩 理论考试一定程度上可以检验学生对实验的掌握情 况。在试题内容的设置上，可以是与学生选择的操作性 实验相关的理论问题。比如简述实验原理、对某项操作 是否出现错误的判断、实验可能存在的误差以及误差分 析、实验数据的处理方法等 5。必要时，还可以加入一 些延伸性的问题。比如“等厚干涉牛顿环”这个实 验的理论试题可以问如何测量水的折射率，这与实验课 堂中测量透镜曲率半径的方法类似。 ( 二 ) 加入预习成绩作为平时成绩一部分 好的实验预习可以提高实验教学效率，是完成实验 的必要前提。但学生在预习环节往往存在诸多问题。例 如部分学生仅仅是为了应付教师的检查，将教材上的内 容原封不动地搬到预习报告上，没有进行任何思考，并 不能达到预习目的。 为了端正学生对大学物理实验这门课的学习态度， 达到良好的预习效果，教师除了检查预习报告之外，可 以在学校网站上开拓一个版面，要求学生在上面对教师 提出的问题进行回答，并规定答题时间为下一次课的上 课前。例如，在“用三线摆测定物体转动惯量”这个实 验中，教师可以设置一些典型的问题“为什么扭摆的转 角需要控制在以内？”、“如何调节光电门？何谓光电 门平衡位置？”等，最后由教师对学生的回答进行记录 和评分，将这个成绩作为平时成绩的一部分。 为了防止学生不经思考，直接将网络上搜索出来的 答案复制粘贴在网站上，教师可以在课堂上以抽查的方 式提问这些问题，并根据学生的回答情况随机引申一些 相关问题。这样的问答既能了解学生对实验原理、内容 的掌握情况，又能加深学生对实验原理、内容的理解。 另外，学生也可以向教师提问不理解的部分或与教师一 同探讨实验中可能存在的问题， 激发学生学习的主动性。 参考文献： 1 竺江峰 . 大学物理实验教程M . 北京 : 中国水利水电出 版社 2 张显悦 , 常艳杰等 . 对物理实验考核方式的探索 J . 重庆 交通大学学报 ( 社科版 ) , 2 0 0 8 , 8 ( 2 ) : 1 3 0 - 1 3 2 . 3 魏江，汪昭，李嘉亮 . 大学物理实验改革研究 J . 常熟理 工学院学报（教育科学），2 0 1 3 （6 ）. 4 那日 . 大学物理实验教学改革初探 J . 实验室研究与探索 , 2 0 0 4 ( S 1 ) . 5 韩红梅 . 学生创新思维能力培养与大学物理实验教学 J . 重庆工学院学报 , 2 0 0 6 , 2 0 ( 8 ) : 1 7 5 - 1 7 7 . 6 许森东 , 冯元新 , 李祖樟 . 大学物理