（课程与教学论专业论文）设计性、研究性物理实验课程的开设与实施.pdf

陵壅生硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱炯明教授上海师范大学物理系主席 曹德群高级教师华东师范大学物理系 胡炳元教授华东师范大学物理系 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：l 盈盘日期：垫! ： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 日期：垫丛13 二 学位论文作者签名：t 奇、球蔓 魄毕 导师签名：馕弗 ；丝奎些耋些墼：星罂：墼兰；。；。；。；。；i 摘要 本论文着重于“设计性、研究性物理实验”课程的j r 设与实施，并研制出 了一批相应合理的实验仪器和装置，从而起到了激发学生的学习兴趣和提高教学 质量的目的。 本论文解决的关键问题为： 1 如何开设、实施及评价“设计性、研究性物理实验课程”。 2 如何结合现有的条件，用高科技的手段来设计、研制出适合本校学生的 设计性、研究性物理实验的内容及装置。 3 如何在教学实践的基础上总结、整理并编写出适应2 l 世纪发展的新颖教 材，从而拓展学生的思路和研究方向，以使不同需求及不同程度的学生 能得到和谐的发展。 本论文首先论证了该课题研究的必要性、重要性和可行性，概括介绍了大学 物理实验在物理教学中的地位、对学生综合素质的培养功能、大学物理实验的目 标及现状分析等。其次叙述了设计性、研究性物理实验的内涵及区别，课程的丌 设背景、实施原则以及对常用工具的介绍。然后分析与介绍了一些设计性、研究 性物理实验的实例。最后给出了设计性、研究性物理实验课程的思考和评价以及 不足之处和解决的途径等。 本文的核心部分在于给出的八个具有现实意义和前瞻意义的设计性及研究 性实验内容，这些内容均在附录中以实验讲义的形式呈现。 关键词：物理实验教学，课程设计，设计性、研究性物理实验，实验仪器与装置， 思考与评价 ；丝至些耋些墼：星罂：墼兰；。；。；。；。；i a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e dt oe x p l o r ea n dd e v i s ed e s i g n i n ga n dr e s e a r c hp h y s i c s e x p e r i m e n t t o i m p r o v e t h e e x i s t i n gp h y s i c se x p e r i m e n t c o u r s ei n u n i v e r s i t i e s ， m e a n w h i l et o d e v e l o p as e to fr e l e v a n ta n dr e a s o n a b l ei n s t r u m e n t sa sw e l la s e q u i p m e n t si no r d e rt oi n s p i r et h el e a r n i n gi n t e r e s to fs t u d e n t sa n db e t t e rt e a c h i n g q u a l i t y t h ek e y p r o b l e m s o l v e db yt h i sd i s s e r t a t i o na sf o l l o w s ： 1 h o wt os e t u p ，i m p l e m e n ta n de v a l u a t et h ec o u r s eo f d e s i g n i n ga n dr e s e a r c h p h y s i c se x p e r i m e n t 2 h o wt oi n t e g r a t et h ei nb e i n gc o n d i t i o na n dh i g ht e c h n o l o g ym e a n st od e v i s e d e s i g n i n g a n dr e s e a r c hp h y s i c s e x p e r i m e n t ss u i t a b l ef o rs t u d e n t so f o u ru n i v e r s i t y 3 h o wt oc o m p i l en o v e lt e a c h i n gm a t e r i a lc o n f o r m e dw i t hd e v e l o p m e n to f21 5 c e n t u r yo nf o u n d a t i o no ft e a c h i n gp r a c t i c et ob r o a d e nt h i n k i n ga n ds t u d yw a y so f s t u d e n t s ，t oh e l p s t u d e n t so fd i v e r s e r e q u i r e m e n t a n dd i f f e r e n t d e g r e e m a k e h a r m o n i o u s p r o g r e s s f o l l o w i n ga r g u m e n t a t i o no fn e c e s s i t y , i m p o r t a n c ea n df e a s i b i l i t yo f t h i ss u b j e c t a n ds u m m a r yo fs t a t u s ，f u n c t i o n ，p u r p o s ea n da c t u a l i t yo fp h y s i c se x p e r i m e n ti n u n i v e r s i t i e sa r ec o n n o t a t i o n so f d e s i g n i n ge x p e r i m e n ta n dr e s e a r c he x p e r i m e n t a sw e l l 船d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e m t h eb a c k g r o u n do fo p e n i n g u pd e s i g n i n ga n dr e s e a r c h e x p e r i m e n tc o u r s e ，s o m ep r i n c i p l e s f o rh o wt oc a r r yo u tt h i s c o u p e ，a l o n gw i t h i n t r o d u c t i o no f s o m ei n s t r u m e n t si nc o m m o nu s e t h e ns e v e r a le x a m p l e s o f d e s i g n i n g a n dr e s e a r c he x p e r i m e n ta r eg i v e n r e f l e c t i o no nt h i s s u b j e c t i sr e v e a l e da tl a s t ， t o g e t h e rw i t hd e f i c i e n c y o f t h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ew a yt oi m p r o v ei t t h ec o r eo ft h i s d i s s e r t a t i o n 一e i g h tp r a c t i c a l a n d p r o s p e c t i v ee x a m p l e s o f d e s i g n i n ga n d r e s e a r c he x p e r i m e n t sa r es h o w ni nt h ea p p e n d i xi nt e r m so f e x p e r i m e n t t e a c h i n gm a t e r i a l 2 ；丝奎些耋些墼：星罂：墼兰；。；。；。；。；i k e yw o r d s ：p h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n g ，c u r r i c u l u md e v i c e ，d e s i g n i n ga n d r e s e a r c h e x p e r i m e n t ，e x p e r i m e n t i n s t r u m e n ta n d e q u i p m e n t ， c o n s i d e r a t i o na n d e v a l u a t i n g ；丝奎些耋些墼：星罂：墼兰；。；。；。；。；i 第一章引言 物理实验是高等理工科院校大学生必修的一门重要的基础实验课，是大学生 接受系统实验方法和技能训练的开端，是对学生进行科学训练的重要基础。通过 物理实验，学生掌握了一定的基础知识、技能和方法，接受了科学实验的初步洲 练，为以后的学习打下了一定的实验基础。 传统的物理学科曾对2 0 世纪的社会发展起到了根本性的作用，其作为基础 学科仍在不断地影响着当今社会的变革，并对其它学科的产生和发展起到了有力 的推动作用，但同时又受到新学科和当今社会新科技快速发展的挑战和冲击。长 期以来，基础物理实验的教学模式比较单一、教学内容比较陈旧、教学方法比较 落后。实验内容基本上是验证性和测量性的，缺少一些由学生自己设计并带有研 究性的内容。这种千篇一律的实验教学内容和方式在一定程度上限制了高年级学 生的学习主动性与积极性的发挥，难以激发他们独立思考的兴趣和激情，因而不 利于创新人才的培养。 近年来，国内各高校为了改变这种现状都相继进行了物理实验课程方面的改 革，同时提出了设计性、研究性物理实验的各种内容、各种实验手段以及各种运 作方法等。从观念上，实验的内容和仪器设备等方面有了很大的变化。为了适应 教学上的需求，我们也在设计性、研究性物理实验课程的建设和实施上做了很多 的工作，取得了一定的成效，这同时也是我在攻读硕士阶段从事研究的主要课题 内容。 6 ；耋至：塑耋鳖墼：星鎏土垒兰；。；。； ，。；。； 第二章 大学物理实验在物理学中的地位及现状 第一节大学物理实验的地位及对学生的综合培养功能 物理学的特点和灵魂决定了物理实验在培养高素质人才尤其是创新人才中 的重要作用。正如著名物理学家杨振宁先生所述：“美国是一个实业家的国家， 他们保持十九世纪向西部开发的精神，向西部开发的人不是理论家，是实际卷起 袖子来坐着马车到西部去干的人。这个精神，在美国社会里，在二十世纪的头 5 0 年，影响深远。由于这些影响，美国对于实际干的人比较信赖，认为这 些人才是社会的中坚分子，所以美国大学的实验室的所长，清一色都是实验物理 学家”。物理实验似一只颇具魔力的手，于冥冥之中作用于我们的整个世界。因 此，物理实验应当是物理教学的精髓所在。 大学物理实验课是大学生进入大学以后接受系统科学实验方法和实验技 能训练的开始，从培养创新思想、创新意识和创新能力来看，大学物理实验 课有着其它课程不可替代的作用。 实验课是学生在教师的指导下，利用实验器材，通过实验引起事物或物质的 某种变化，再从观察这些变化的现象分析推理得出结论，使学生获得直接知识验 证理论的一种教学手段，他对学生的综合素质的培养起着积极的作用： 1 培养学生关于真理标准的判别意识 物理学是- - i _ 丁以实验为本的重要的基础学科，物理理论的正确与否必须经实 验检验。“实践是检验真理的唯一标准”这是几百年来贯串于整个物理学的 一条基本原则，也是鼓舞科技工作者不断探索、求实、创新的基本指导思想。当 理论和精确的实验发生矛盾时，应当尊重实验，只能对理论进行补充或修正。所 以，在学生真理标准判断意识的培养过程中，物理实验起到了潜移默化的作用。 2 培养学生认真细致的工作态度和坚忍不拔的毅力 科学实验是人们为了认识世界而进行的一种探索性、准备性、尝试性、学习 性的实践活动。物理实验要求学生掌握基本物理量的测量方法，包括实验方法与 实验仪器的恰当选择，实验条件的保证和实验操作的完满。正确记录及处理实验 数据，悉心分析结果误差及可靠程度，以及进一步改变实验条件来检验判断结果 的可靠性等。所有这一切都要求实验者具有认真细致的工作态度和坚忍不拔的毅 力。 3 培养学生敏锐的洞察力和严密的逻辑推理能力 华东师范大学2 0 0 5 屈碳j j 论文 物理实验特别注重培养学生敏锐的洞察力和严密的逻辑推理能力，它教会学 生如何用实验的方法研究物理现象与物理规律，教会学生洞察、分析实验中出现 的各种现象，并对这些现象做出正确的解释，使学生构建起从现象到舰律，再到 理论的逻缉体系，提高了他们的归纳推理能力。 4 培养学生的科学思维能力和创新意识 物理实验课不但能使学生掌握基本的实验操作技能，更重要的是能提高学生 的科学思维能力和创新意识。物理实验要求学生通过对实验方案、仪器装置及其 性能的改进和对关键因素的考证，找出突出事物本质联系的主要因素，把握主要 因素，控制次要因素，从中找出规律性的内容。 5 培养学生求实进取的精神，引导学生领悟科学的方法 y 物理实验的求实性是从对现有数据或成果的验证思考和多角度多方法的求 真确认中体现出来的。物理实验工作者总是试图用不同的方法对现有的理论进行 验证。 第二节大学物理实验的现状分析及发展趋向 我国现有的基础物理实验内容主要是延袭了各国前几十年的一套教学模式， 即主要侧重于做一些验证性、模拟性和纯测量性方面的工作。这对刚涉及物理学 科的学生在学习基础知识、学会基本技能和掌握基本方法上是必要的。但目前的 实验教学存在着以下几个不容忽视的问题： 1 熏视训练性实验，忽略设计性实验 在每个实验中，实验目的、仪器名称、实验原理以及实验的内容、数据表格、 数据处理等都写得很清楚，久而久之，就会形成学生在做实验的过程中按部就班、 做广播操式的思维定势。这样会挫伤学生的学习积极性。 2 教学方法陈旧，学生缺乏学习兴趣 多数教师把实验课作为理论课的一种补充，在教学方式和方法上所花精力很 少。采用多年一贯制的实验课讲授方法：先讲解，再巡视指导后、浮光掠影的进 行总结：对学生的实验报告批改不认真，结果把生动活泼的实验课变成枯燥乏味 的死记硬背课，严重影响了学生的学习兴趣。 3 无法充分锻炼学生的动手能力和思维能力 学生把实验当作一种任务来完成，测量、记录出数据就大功告成了。因此， 从某种意义上讲，这种实验只是对学生所学知识的验证、重复和再现。虽然在实 华东师范大学2 0 0 5 届硕= l 论文 验教学中，不少老师也注重培养学生的发现问题、解决问题的能力，但往往受有 限的时间和单一实验教学模式的限制，效果不佳。 近年来，国内、外不少高校相继在基础实验课的程度上又对高年级的学生玎 设了一定的选题性实验、综合性实验、设计性实验和研究性的内容，使部分能力 较强、要求较高的学生得以施展想象力和培养动手、动脑、创新发展的机会。不 少实验证明这种做法有利于学生整体素质的提高、有利于高科技人才的培养和涌 现。但同时又要看到：在社会教育观念转轨的今天，由于各方面的制约因素，学 生的创新思维和创造能力的发挥还受到一定的影响。教师在设计性实验和研究性 实验的教学方面还处在摸索起步的阶段，尤其是在实验内容的新颖度和激发学生 的兴趣方面还需要做大量的开创性工作。即需要系统地提出一批优秀台理的设计 性实验和研究性实验的内容，并研制出一批能启发学生思维的实验装黉! ，以使各 高校之间能作相互交流，最终起到提高教学质量，更多地培养出创造性人才的目 的。 为此我们先后走访了国内十多所高等院校，通过学习和交流，使我们看到了 目前国内乃之国外高校在物理实验教学内容与仪器上发展的趋向： 1 在物理实验教学内容上的趋向 目前国内、外的一些主要高校在物理实验教学内容上趋向于压缩部分基础性 的实验内容，即减少一些以重复性训练、验证为主的实验内容，而适当增加一部 分以培养学生探索和研究为主的实验内容，这是社会发展的必然要求，也是科技 进步的自然规律。由于传统的实验内容有所精减，新的内容则必须要补充进来， 补充一些什么新的内容? 这是当前国内各商校从事于物理实验教学的教师们所 共同关心的一个问题，也是我们展开调查研究的主要目的之一。 2 在物理实验教学仪器上的趋向 我们在调查研究中发现：随着实验内容的更新和变化，相应的教学仪器及设 备也在趋向于新型和先进趋向于运用集成电路后的小型化和数字化，趋向于运用 各种传感器采集数据而后通过计算机来直接显示。从而让一些学生能有更多的时 间和精力去研究实验的目的和意义、去探索解决一些自然界中的各类问题，培养 学生以实际能力为主并适应社会需要的人才。 ；丝奎：雪兰鳖墼：星鎏土垒耋；。；。；，。；。；i 第三章设计性、研究性物理实验课程的组织与实施 第一节设计性、研究性物理实验的内涵及区别 设计性实验是学生在教师的指导下，根据给定的实验目的和实验条件，自己 设计实验方案，选择实验器材、拟定实验程序，自己加以实现并对结果进行分析 处理的实验。这类实验的开设，打破了传统实验固定的教学模式，学生山被动学 习转变为主动学习，学习的积极性得到有效的调动：由于设计性实验方法的多样 性，不同的学生可以通过不同的途径和方法达到同一个实验目的。在实验过程中， 学生的独立思维、才智、个性得到充分尊重，从根本上改变了千人一面的传统教 学模式，有利于创新人才的培养，体现了以人为本的教育思想。 设计性实验在某种意义上讲，是结果可以预知的和可以控制的实验。而研究 性实验则是一种探究性实验活动，其实验结果有时虽然也是可以预测的，但通常 是不明确的，正是通过这些探究性实验结果，才能揭示实验现象规律背后所蕴涵 的规律。在高校开展研究性实验的教学工作，实际上可以在本科生毕业设计过程 中或是研究生从事研究过程中实施。主要是借助于一种具体方法或一套实验系统 来从事某一具体的应用研究。在研究的过程中，通过一系列的步骤来完成对现象 或过程的理解和认识。 实际上我们可以把研究性实验看作是科学方法的一部分，是探究系统或过程 如何工作的一种途径。通过研究性实验来使学生获得独立解决问题的方法和能 力。通过这一过程使学生创新意识和能力受到启发与锻炼。 第二节设计性、研究性物理实验课程的开设背景 当前，国内较多的综合性及理工科大学都在设法_ 开设设计性或研究性实验的 课程。我校结合以下几点实际情况也在积极开展这门课的建设。 1 为了提高学生的综合能力，为了培养适应当今社会需要的人才，目前不 少中学己开设了研究性课程，旨在树立学生的分析和思维观念，这对大学以往的 实验课内容和教学方法提出了新的要求，即需要开设以研究为主的实验课程。 2 以往大学的基础性实验课程内容多以验证性实验为主，习惯性地养成了 学生重模仿轻研究的实验模式，而缺乏一定的独立思考和解决问题的能力，尤其 是对学生在个性的发展上受到了制约，所以有必要适当自u 减一部分验证性的实验 内容，而开设具有层次上可变化、内容上可拓展、方法上可变化的研究性实验课 程。 3 当前，国内较多的综合性及理工科大学都在设法丌设设计性或研究性实 验的课程。我们基础物理实验教研室曾在1 9 9 3 年前后就已开设过以个性化为主 的实验课程，即当时称作“选题物理实验课”，同时在1 9 9 3 年由华东师范大学出 版社出版了我们编写的“选题物理实验五十例”一书。根据社会和科技发展的要 求，我们将以往的选题实验内容进行了必要的梳理，以培养学生发散性思维和实 践能力为目的，重新选择了一批新的内容，重点突出能让学生进行各种方案的设 计，同时研制出了多项新的实验仪器和装置。在实验教学上，为学生提供了一种 新的教学模式( 我们已在物理系三届硕士研究生和部分本科生中做了教学尝试， 收到了很好的效果) 。出于我们从九七年自今已独立承担并很好地完成了三项国 家教育部的教学研究项目，加上开发和研制新的实验内容及仪器装置需要经费上 的不断投入，故申请立项教学建设基金项目是我们在实验教学上不断发展和努力 工作的方向。 4 从国外大学在物理实验教学方面的模式来看，同样有缩短基础实验的内 容，不断调整和增加应用性内容的趋势，即不断地适应科技方面迅速发展的需要， 同样也是教学自身发展规律的必然趋势，这对从事于基础实验教学和研究的人员 将会在工作上不断提出新的要求。 5 我校基础实验室计划在明年搬迁到闵行校区。大批学生跨专业地选课必 将成为一种新的教学模式，即要求实验室在运转上的效益要高、可供学生选择的 内容面要宽、教师指导学生做实验的题目要广，终结到一点就是需要实验的内容 有新颖、感兴趣、易开拓、可选择，从而要求我们不断分析课程体系，不断研制 出新的实验器材和装置，使我校在设计性、研究性物理实验课程的运作上能不断 取得新的成果。 第三节设计性、研究性物理实验课程的实施 设计性、研究性物理实验是一种介于基础教学实验与科学实验之间的教学实 验，它的主体是学生，由学生自己动手，在实验过程中，认识到这些物理实验反 映的物理本质，从而形成正确的物理概念，建立正确的物理规律。 1 设计性、研究性物理实验的目的 设计性、研究性物理实验的目的旨在“开发学生智能，培养与提高学生科学 实验能力和素养”。在对学生进行基础物理实验知识和方法技能训练的基础上， 使学生能运用所学知识和技能独立完成和解决物理实验问题。提高学生独立分析 问题和解决问题的能力，为毕业设计、撰写科研成果报告和学术论文奠定良好的 华东师范大学2 0 0 5 届硕= l 论文 基础。 设计性、研究性物理实验也是对正常教学的一个必要补充，旨在加强学生创 新能力、动手能力的培养，使学生在学好理论知识的同时，还要具有较高的实验 技能。 2 设计性、研究性物理实验的选题原则 设计性、研究性物理实验的选题应本着训练学生综合运用所学知识解决问题 的技能，不仅要有利于提高学生的科学思维方法和科学研究能力，还应采用较为 先进的科学方法和测量技术，使学生紧跟当今科学技术发展的步伐，即在实验内 容的选取上尽量兼顾新颖性、实用性、先进性和适应性。特别是在学习普通物理 阶段( 大多为大学一、二年级) ，要把握好适应性，应考虑学生原有的认知水平， 不能提出远离学生知识基础的设计性课题以免挫伤学生学习的积极性和主动 性，同时亦要注意不要把原来的验证性实验题目作一个简单的翻版，降低了设计 性实验的难度与吸引力。 3 设计性、研究性物理实验开展的步骤及评价 设计性、研究性物理实验的开展可分为四个步骤： ( 1 ) 预备阶段：公布设计性、研究性选题，教师和学生之间进行双向选择 并给出实验的目的、要求、参考资料和必要的提示。 ( 2 ) 设计阶段：让学生提出实验方案，设计实验方法。方案经与教师讨论， 获准后即可准备进行实验。 ( 3 ) 实验阶段：学生选择仪器，领取或采购器材，自己安装调试或制作仪 器及软件，正式进行实验、测试、处理数据并得出结果。 ( 4 ) 总结阶段：学生写出实验报告，组织汇报交流、观摩，最后由教师给 学生评定成绩。 设计性、研究性物理实验采用启发式和开放式的教学方式。要求学生从查阅 文献、资料，拟定实验方案直到完成实验报告，尽量独立完成，教师只做启发式 引导，绝不包办代替。在实验的时间方面，除固定课时外，学生还可以与教师另 行约定，利用课余时间，到实验室进行实验，为学生提供充足的时间进行钻研和 探讨。 设计性、研究性物理实验的学生成绩评馀问题 对于设计性、研究性物理实验，我们给出如下的成绩评定内容 华东师范大学2 0 0 5 届硕= l 论文 ( 1 ) 评价设计方案的好坏 ( 2 ) 实验报告完成的质量如何 ( 3 ) 学生的动手能力是评价的一项重点内容，使设计性实验真正促使学生 动脑筋、动手。设计性、研究性物理实验是在开设了基础实验之后，学生已经掌 握了一定的实验原理、方法和技能的基础上再进一步拓展的课程。因此，对于设 计性、研究性物理实验的动手能力评价标准应比基础实验更高些，要求学生对实 验目的要明确，实验原理要清楚，能正确选用、配簧仪器和调整仪器，迅速分析、 判断和处理实验过程中出现的问题，正确操作和积累数据，有目的地去减小误差。 但对于不同的设计性、研究性物理实验，其动手能力的评价和要求可以是不同的。 4 设计性、研究性物理实验的操作要求 j 设计性、研究性物理实验要特别注重学生的主体作用的发挥和独立个性发展 相结合，通常只给出一些实验要求及必要的提示。实验前，要求学生查阅资料， 写设计方案，提前一周交给教师审阅，实验室要尽可能满足学生提出的仪器要求。 设计方案应包括实验名称、任务、设计原理、仪器、可行性分析( 方案的合理性 并预计实验条件对结果可信度的影响等) 。实验后写出实验报告或小论文，对结 果进行分析研究。设计性实验要有一定必做数量，其余让学生根据爱好和需要选 做，注重个性发展。 第四节设计性、研究性物理实验课程的意义 一对物理实验进行课题研究更能完善物理实验的功能，体现物理实验的 作用 1 学生选择了课题后，必须对课题的背景作深刻的了解，因此要复习已学 过的知识，也就是对原有实验进行剖析，比如说实验的原型、实验的目的和原理， 以及一些重要的公式推导过程，必须熟悉有关实验器材的名称、用途、主要的构 造以及如何进行正确的测量，从而使原有的知识得到巩固。 2 要对原有的实验进行改进，学生就必须对原有实验进行正确的操作、仔 细的观察，去发现问题和存在的不足之处，要清楚原有的实验误差产生的主要原 因，体现了学生的质疑能力。 3 要对实验进行改进，就必须设计构思出新的替代品，可能是整体的改造， 也可能是部分的替换，学生就必须对实验器材进行组装并调试，准确地测量并进 行调查，从而锻炼他们的操作能力，发展他们的求异思维能力。 华东师范大学2 0 , 0 5 届硕= l 论文 4 要想对原有的实验进行改造，学生就可能去查找一些已有成功的实验例， 琢磨原因，诱发思维，刚开始可能仅仅是一种简单的模仿过程，从而发展了学生 的科学研究方法，如类比法等。 二促进学生健全人格的形成和潜能的开发 设计性、研究性物理实验课程给学生提供了一个“无拘无束的自由发展”的 时空，使学生的潜能得以丌发，个性得以张扬、创新精神得到提升、创造能力得 到培养。 1 在学生的讨论过程中，同学们各抒已见，争论不休，并可能各不服输， 要用事实证明自己的观点，这可以让学生更深刻地理解“实践是检验真理的唯一 标准”。同时在争论中可以启发学生的思维，迸发智慧的火花，从而培养了学 生的创新思维能力。 2 要完成课题，就要按照研究步骤一步一步去实施，在此过程中，学生学 会了课题研究的基本方法、论文的撰写、课题的论证，同时也培养了学生的语舂 表达能力。 3 培养了学生的学科综合能力和良好的科学素质。在研究过程中，相关学 科的知识、技能得到了充分的体现，学生必须要开拓思维，广取精华，把已有的 各学科思考不断改进，从而培养了学生严谨的科学态度和坚忍不拔的意志品质。 4 激发了学生的学习兴趣，让学生体会到成功的喜悦。经过不断的探索、 改进，当自己的作品终于诞生时，学生喜悦的心情不能用语言来表达，这是课堂 中做实验不能体会到的，学生的兴趣由此而变得更浓厚，研究的成功使学生发现 了自己的潜能，确立了自信。在研究型课程的学习过程中，通过研究全过程的实 践与经历，学生获得了各种丰富的体验，获得了大量不可言传只能意会的内隐知 识。 5 设计性、研究性物理实验主要以小组形式开展研究活动，有助于培养学 生的合作意识，团队意识、团队精神，也有助于学生关注社会、了解社会，提升 学生的社会责任感。 三促进教师的提高和发展 设计性、研究性物理实验课程的开设也给教师提出了挑战，使原来教学中有 准备的教师面对无准备的学生的状况变为有准备的学生面对几乎没有准备的教 师。这种转变一方面促进教师的教学观念发生改变，另一方面也促进了教师自身 素质的提高。主要体现在以下几个方面： 华东师范大学2 0 0 5 届硕= l 论文 1 新的人才观和质量观正在逐步形成 长期以来，一元化的以学习成绩为依据的评价标准，不仅造成了人爿培养上 的严重“失根现象”，也导致教师在人才观、质量观上产生严重偏差。设计性、 研究性物理实验课程给学生才能的展现提供了广阔的空间和渠道。在教学中，一 些平时学科成绩平平或较差的学生，在课题研究中崭露头角。事实教育教师要从 多元化的角度评价学生，发现学生的才+ 能。 2 新型的平等的师生关系在形成 设计性、研究性学习作为一种新的学习方式，教师首先要转变观念，要突出 以学生为本的教学理念。在学习中，学生是主体，特别在课题研究中，教学过程 应以学生自主开展研究为主要内容。教师的任务是服务、指导和管理；教师的服 务是提供主题或有关背景资料；教师的指导应循着学生的思路，帮助指点解决困 难的思考方向或途径：教师的管理是进行协调、督促、组织交流和进行评价。这 时的师生关系是一种新型的平等的师生关系，师生平等地位的真证实现是现代教 育所追求的一个目标。 3 促进教师主动学习、自我发展，尽快向专家型、研究型教师转变 在设计性、研究性学习中，教师既是指导者、参与者、组织者，同时也必然 是学习者和研究者。教师要有效地开展研究性学习，他自身必须具有扎实的本学 科知识功底，同时要具备相关学科的基本技能和知识。所以在设计性、研究性学 习中教师也是学习者，要向书本学、向同行学。同时，教师要有成效地指导学生 开展研究活动，教师首先应是个研究者，要研究学生的兴趣、活动能力、知识结 构、日常生活等；也要研究学习的基本流程、实施规律、课程模式等。这就是说， 教师要树立终身学习的理念，不断更新知识。同时，在设计性、研究性课程的教 学中，师生接触机会增多，教师的思想品格、科学态度、理想追求等式逻辑都将 会对学生产生直接影响，这也对教师提出了要不断提高综合素质的要求。可以这 样说，设计性、研究性课程促使教师与学生一起成长与发展。 第五节设计性、研究性物理实验常用软件介绍 m a t l a b 与物理实验 m a t l a b 成为集数值分析、符号运算、图形处理、系统仿真等功能于一体的科 学与工程计算软件平台，有人称之为“第四代”计算机语言。它的最大特点在 于功能强大而界面友好，其丰富的库函数和各种专用工具箱，将使用者从繁琐 的底层编程中解放出来，使他们有更多的时间和精力去探究科学问题本身。它 华东师范大学2 0 0 5 届硕= l 论文 对科学计算结果迅捷面准确的可视化能力，有助于使用者化抽象恩维为形象思 维，从而更好地洞察含义、理解概念、发现规律。目前，m a t l a b 已成为工程 界最流行的软件工具，在大学理工实验教学中的应用亦渐成热点。 1 实验数据处理 大学物理实验的数据处理，常用列表法、作图法、逐差法，它们都是一种粗 略处理数据的方法，在要求不高的普通物理实验中，经常要用这三种方法。而最 b - - - 乘法，由于计算量较大，一般未被广泛采用。与前三种相比，最小二乘法是 一种比较精确的曲线拟合的方法。它避免了作图纸上人工拟合曲线的主观随意 性。m a t l a b 语言提供的良好环境，既克服了最小二乘法计算量大的缺点，又简便 易学，容易掌握，同时能画出较准确的拟合曲线。例如伏安法测电阻的定标实 验，学生采集数据后在坐标纸上作图，主观随意性大，因而造成的误差较大。用 m a t l a b 语言进行数据处理，只需将采集到的数据输入计算机，就可画出实验点和 用最小二乘法拟合的曲线。 2 仿真物理实验 m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱中的信号发生器，和信号发生器【s c o p e ) 及双 踪示波器( x y ) 使学生在没有实际的信号发生器和示波器的情况下，在计算机 上方便地观察“拍”的合成现象和李萨如图形。让学生对这两种特殊的简谐振动 的合成有了一个形象，直观的认识，易于消化理解和巩固理论课上的内容，同时 也对将m a t l a b 应用到物理实验课中做了有益的尝试。两个相互垂直的简谐振动， 当频率比为整数时，其合成的图形为稳定的图形，即李萨如图形。 3 ，模拟光学实验现象 在光学等普通物理教学中，以m a t l a b 为实验演示平台，对光学现象模拟作 为演示配合光学理论的讲授，很好地解决了真实实验因环境限制而不能进入课爨 的难题。 l a b v i e w 与物理实验 l a b v i e w 的全称是l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ， 可译为实验室虚拟仪器工程平台，也是一种程序开发环境，但l a b v i e w 与其它计 算机语言的显著区别是：其它计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码 行，而l a h v i e w 使用图形化编程语言g 编写程序，产生的程序是框图的形式。 l a b v i e w 不但具有数据处理功能，而且包含专用于数据采集的函数库和开发工具， 可用于实时采集数据。由于l a b v i e w 程序界面钓外观和控制方式都是仿照实际的 仪器，所以，l a b v i e w 程序称为虚拟仪器v i s ( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ) 。 l a b v i e w 应用于物理实验的数据采集。与传统的数据采集方法比较，有其突 华东师范大学2 0 9 5 届硕= l 论文 出的优点。在以前的数据采集过程中，信号的预处理( 放大、滤波、隔离等) 由实验者自己组合仪器来完成，存在比较大的困难；而l a b v i e w 系统中有配套的 信号调理模块，使用方便，效果良好。在以前的数据采集过程中，数据采集的 所有细节都由程序编写者逐句编写程序来实现，解决一个简单的问题就需要很繁 杂的工作，而且容易出错；而l a b v i e w 系统内含大量适用于各种要求的数据采集 软件模块，与l a b v i e w 专用的a d 卡配合，编程者只要根据自己的要求进行简单 的程序设计( 模块连接) 和参数设计就可完成各种意图的数据采集。 在物理实验中有一部分的被测对象直接就是电学量有一部分的被测对象可 以转化为电学量，这两部分都是l a b v i e w 的适用对象，对其中需要作图的实验， l a b v j e w 有其特别方便之处。有些物理量因过于微弱或变化过于迅速而难以用r 常 规仪器测量，l a b v i e w 更有其独到之处。 运用l a b v i e w 开发平台，结合数据采集硬件和数掘预处理硬件，实现物理量 测量，处理的自动化、智能化，从而使物理实验教学水平上一个新台阶。这将丰 富大学物理实验教学的内容、技术、方法使之面貌一新；这将提高学生对物理实 验的兴趣和积极性，使其从物理实验课中学会现代计算机测控技术，更好地学好 物理实验，养成用现代化计算机技术解决物理量测算实际问题的能力；这将节约 实验仪器经费，用同样多的钱完成较多较高水平的实验教学和研究。 用l a b v i e w 做实验，借助同一块a d 卡，只要编写不同的v i ，就可进行不 同的实验，可谓一机多用。因此会节约大量的食品经费，并免除了搬移、布胃笨 重实验仪器之辛苦。 应当说明的是，虚拟仪器与仿真实验是两个不同的概念，后者一般指模拟实 验软件及其应用。对于仿真实验，在我国目前尚有争论，丽对于虚拟仪器，专家 们都持肯定态度。 p h o t o s h o p 与物理实验 p h o t o s h o p 是一种功能非常强大的图像处理软件，可以对数码相机获得的图 像进行处理。在p h o t o s h o p 软件中提供了许多选择区工具：圈选工具、套索工 具、魔术棒工具等，可以使用这些工具对所需要加工处理的局部图像进行选择。 还可以利用p h o t o s h o p 中的滤镜( 如橡皮图章) 去除照片上的斑点、毛发杂质。 对于照片中的局部模糊图像可以进行锐化处理，也可以利用橡皮工具和历史笔 刷巧妙结合，将原来模糊图像去除掉而将清晰的图像复制到原位置上。利用文 本蒙板工具在所拍摄的照片上书写文本说明，如拍摄时所选择的频刚频率等。 更为重要的是它可以动态的显示某一点的坐标。； 用数码相机结合p h o t o s h o p 、m a t l a b 等软件可以进行一些静态实验的研究， ；丝奎些耋些墼：星罂：墼兰；。；。；。；。；i 有关文献已有这方面的内容，如“用数码相机实现夫琅禾费衍射测量细丝直径”， 同样我们将此在光学实验中进一步进行推广，来测量干衍圆环的直径、牛顿环的 直径等。 f l a s h 与物理实验 f l a s h 是美国的m a c r o m e d i a 公司推出的优秀网页动画设计软件。f l a s h 具有 突出的特点：使用了矢量图形和流式播放技术；强大的动画编辑功能，支持 多种格式的声音，动画，图形图像，视频的输入与输出，并且可给它们“瘦身”， 使得所生成的动画( s w o 文件非常小；通过a e t i o n s c r i p 编程语言可实现编程功 能，使动画文件具有较强的交互性；目前较流行的多媒体制作软件均已安装有 s h o e k w a v e f l a s h 插件，使制作出的f l a s h 动画均可直接应用运行于其中；o f l a s h b 逐渐成为网页动画的标准。f l a s h 技术主要应用于网页动画设训和多媒体创作 等领域。 如果把数码相机与f l a s h 进行结合，可以开发一批有特色的物理实验如“用 数码相机拍摄与研究液体的粘滞系数”、“用数码相机拍摄与研究弹簧振子的运动 状态”等。在实验中我们可以通常用到f l a s h 的以下功能； 1 f l a s h 中帧的播放速度可以方便的更改，这样就可以达到与数码相机拍摄 的速度同步。 2 当把拍摄好的录像导入到f l a s h 中时，它可以自动的把拍摄好的动画转 化为以0 1 秒为一帧的格式来进行播放，从而方便我们对录像进行编辑处理。 1 3 ；丝奎些耋些墼：星罂三墼兰；。；。；。；。；i 第四章设计性、研究性物理实验的教学计划 第一节课程内容 设计性、研究性物理实验的教学内容的选择应充分体现：有利于学生掌握学 习方法，扩大知识面，提高动手能力，培养创新意识与创新能力，加强自学训练， 适合个性发展等方方面面。要做到这一切，先决条件是能激发学生的兴趣，提高 学生自学的主动性。为此我们实验室开设了以下一些实验内容： 1 s t m 扫描遂道显微镜实验研究 2 用数码相机拍摄与研究液体的粘滞系数 3 。用数码相机拍摄与研究弹簧振子的运动状态 4 旋转物体的彩色视觉现象分析与研究 5 混合法测固体比热容仪器的研制与测量 6 动态测量和显示亥姆霍兹线圈上的磁场分布 7 巨磁阻抗材料的测量与应用 8 高温超导材料的特性研究 9 磁悬浮力测量的设计性实验 1 0 用电学方法测量各种位移的设计性实验 1 1 玻耳共振分析实验 1 2 超导特性电磁分析的设计性实验 1 3 l r c 电路的暂态现象研究 1 4 l r c 电路的谐振现象研究与应用 1 5 用电学的方法测量角度的设计性实验 1 6 频率与拍的关系研究 1 7 磁体在导体管中下落现象的半定量的实验分析与研究 1 8 固体和液体相对介电系数的测定 1 9 旋转水透镜法测重力加速度的分析与研究 2 0 l r c 电路谐振法测电缆线的相对介电系数 第二节教学安排及实施方法 1 设计性、研究性物理实验的教学模式 设计性、研究性物理实验是让学生对实验内容和仪器有所了解，自己选题， 查阅文献，自主设计实验，在教师指导下完成设计性、研究性物理实验论文和答 华东师范大学2 0 0 5 届硕= l 论文 辩报告。这种模式一方面全方位地锻炼了学生实验研究能力，充分调动了学! 三的 主动性和积极性，激发了他们从事物理学研究的兴趣和热情，为l l 世, f r j 今后从事科 研工作打下良好的基础。另方面，提高了实验室在学生课程学习c 如所0 ，的地付， 建立了进实验室学习的意识，进步扭转了重理论轻实验的价值取向。 建构主义认为，学习是学习者通过已有的经验、知识结构对新知识进行主动 建构，而不是被动接受；在学习过程中，学习者一方面要利用原有的知识结构同 化新知识，赋予新知识以某种意义，另一方面要顺应新知识对原有认知结构进行 改造与重组，通过自主学习，学习者进行知识意义的主动建构。丌放式实验教学 是定位于一切工作中突破传统教学方式，注重以学生为主体，发挥学生个性特点、 培养学生创薪精神的一种教学模式，是建构主义理论在大学物理实验教改中的一 种体现。鉴于建构主义的有关理论，我们对设计性、研究性物理实验采用开放式 的教学方式。 开放式实验教学改变了以教师讲授和指导为主，学生被动做实验的教学模 式；要求学生独立完成实验内容，自己观察分析实验结果，总结成功的经验，查 找失败的原因，这无疑提高了学生的独立思考、分析问题解决问题的能力。 2 做法和时间安排 ( 1 ) 一开始安排6 学时左右的时间介绍有关设计性、研究性物理实验的内 容。主要让学生了解设计一项物理实验应从哪些角度去思考，了解各静物理量的 测量手段和方法，并向学生介绍实验的基本要求和模式。如何开展设计性、研究 性物理实验，以及介绍国内外目前各大学在实施物理实验教学上的现状等。 ( 2 ) 学生预习实验：让学生了解实验室提供的各项实验的基本内容