（课程与教学论专业论文）综合性实验研究与光谱分析实验设计.pdf

摘要 与传统验证性实验相比，综合性实验更有利于培养学生的综合素质和创新能 力。综合性实验是发展高师近代物理实验课程、培养实验和研究能力的途径。本 论文以实验为出发点，研究在科技和教育发展的新形式下，如何将现代分析技术 引入到物理实验教学中来，实现实验教学的现代化和光谱分析技术的教学化，具 体研究如何将光谱分析方法引入到近代物理实验教学当中。论文分析了近代物理 实验的发展趋势，根据2 1 世纪对物理人才的要求，指出适当精减一些纯验证性 的实验，增加一些现代科学研究中广泛采用的分析技术，特别是光谱分析技术， 这是近代物理实验教学改革的一个重要方面，并从综合性实验与能力培养的关 系，论述了光谱分析技术应用于近代物理实验教学将产生多重效应，十分必要也 完全可能。在此基础上选择了红外吸收谱和拉曼谱实验，对光谱分析技术如何应 用于近代物理实验进行了具体的研究。在光谱分析实验中设计了三个方案，主要 包括傅立叶红外光谱仪的基本操作、s a 红外光谱的定性测定、s a 拉曼光谱的测 定与分析。论文主要工作体现在对综合性实验课的理论研究以及光谱分析法的实 验设计。在红外吸收谱与拉曼光谱实验中，把s a 的物性研究与光谱分析法的应 用结合起来，作了探索性的尝试，取得了初步的实验结果。最后，对论文工作进 行了总结，指出光谱分析技术引入近代物理实验向应用性、研究性发展提供了有 利条件，从而为进一步开展物理实验教学研究奠定良好的基础。 关键词：教学改革：实验教学；综会性实验；光谱分柝 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lt e s te x p e r i m e n t s ，t h ea d v a n t a g eo fc o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t si s t o i m p r o v ea n dd e v e l o pt h ec o m p r e h e n s i v eq u a l i t ya n di n n o v a t i o n a b i l i t yo fs t u d e n t s c o m p r e h e n s i v ei sd e v e l o p i n gh i g ht e a c h e rt r a i n i n gr e c e n th i s t o r y p h y s i c a le x p e r i m e n t a lc u r r i c u l u m a n d s e a k i n gw a yt ot r a i n i n g t h ec a p a c i t i e so f e x p e r i m e r i ta n dr e s e a r c h t h i sp a p e ri s a b o u th o wt oi n t r o d u c em o d e ma n a l y t i c t e c h n o l o g ys p e c i f i c a l l yn e wp o s i t i o no ft e c h n o l o g ya n de d u c a t i o nd e v e l o p m e n ta n dt o r e a l i z et h em o d e r n i z a t i o no fe x p e r i m e n t a lt e a c h e sa n dt h et e a c h i n go fs p e c t r o s c o p y a n a l y t i cm e t h o d a c c o r d i n gt o t h et a l e n t r e q u i r e m e n to f2 1c e n t u r y , t h ep a p e r d i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n tc u r r e n to fr e c e n th i s t o r yp h y s i c a le x p e r i m e n t a lc u r r i c u l a r , a n di n d i c a t e st h a ts o m ep u r ev 址i d m i n ge x p e r i m e n t ss h o u l db er e d u c e da n dt h o s e w h i c hc a l lr e f l e c tt h ea n a l y t i ct e c h n o l o g yo fm o d e ms c i e n c ea n di t sa p p l i c a t i o ns h o u l d b ci n c r e a s e d i nt h er e f o r m a t i o no ft e a c h i ti sa l li m p o r t a n ta s p c c tt oi n t r o d u c en e w t e c h n o l o g ye s p e c i a l l ys p e c t r o s c o p ya n a l y t i ct e c h n o l o g yi n t ot h eo r i g i h a le x p e r i m e n t s f o ri tc a np r o d u c es e v e r a le f f e c t o nw h i c h ，h o wt oa p p l yt h es p e c t r o s c o p ya n a l y t i c t e c h n o l o g yt or e c e n th i s t o r yp h y s i c a le x p e r i m e n ti sd i s c u s s e dt h r o u 譬l lt h ee x a m p i e o f i n f r a r e ds p e c t m ma n dr a m a n s p e c t r ae x p e r i m e n t i nt h es p e c t r a la n a l y t i ce x p e r i m e n t ， t h r e es c h e m e sa t ed e s i g n e d lt h es c h e m e sm o s t l yi n c l u d ef i sb a s i co p e r a t i o na n d q u a l i t a t i r ea n a l y s i so fs a i n f r a r e ds p c c t m ma n dm e a s u r ea n d a n a l y s i so fr a m a n t h e w o r ko ft h i s p a p e rm o s t l yl i e si n t h et h e o r e t i cr e s e a r c ho v e rt h ec o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t ，a n dt h ed e s i g no fs p e c t r o s c o p ya n a l y t i cm e t l l o d i nt h e i n f i r a t e ds p e c t r u m a n dr a m a ns p e c t r ae x p e r i m e n t ，t h el i n ko fs ap l l y s i c a lp r o p e r t yr e s e a r c ha n dt h e a p p l i c a t i o no fs p e c t r o s c o p ya n a l ) , t i ct e c h n o l o g ya t t a i ns o m er e s u l to fe x p e r i m e n t i n t h el a s t p a r t t h e p a p e r i ss u m m a r i z e d i tj n d i c a r e st h a tt h ei n t r o d u c e m e n to f s p e c t r o s c o p ya n a l y t i ct e c h n o l o g y i n t or e c e n th i s t o r y e x p e r i m e n tp r o v i d e s m u c h a d v a n t a g ef o rt h ea p p l y i n ga n dr e s e a r c h i n go fe x p e r i m e n t ，s e q u e n t i a l l ys e t t l e sw e l l b a s i cf o rt h ed e e pd e v e l o p m e n to fr e c e n th i s t o r yp h y s i e a le x p e r i m e n tr e s e a r c h k e yw o r d s ：e d u c a t i o nr e f o r m ；e x p e r i m e n t a lt e a c h ；c o m p r e h e n s i v e e x p e r i m e n t ； s p e c t r o s c o p ya n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：互蛊迢日期：塑丛强 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了艉东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：盘 日 期：趔；s ：i 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 指导教师签名：杰垒丝 日期：地：全刀 电话： 邮编： 引言 随着国内课程改革的不断深入以及科技的发展，现代物理实验呈现了新的 发展特点和趋势，但在实际教学中，仍存在一些问题，比如实验题目陈旧、现代 科研普遍采用的实验技术课比例偏低等。为适应不同系别和专业的具体培养目 标，使学生掌握分析物性的一种方法一光谱分析法是不可缺少的。论文的主要工 作是，作为种尝试，探讨开设融合物理、化学知识的综合性近代物理实验对人 才培养的意义和可行性。在已开设s a 可擦除光存储实验的基础上，针对物理学 院学生特点，利用光谱分析法得到的红外吸收谱和拉曼光谱，探究s a 的微观分 子结构，从而培养学生的综合分析能力。 第一章物理实验的历史与现状 1 1物理实验的历史回顾 物理( 科学) 实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器设备，人为的控制、 创造或纯化菜种自然过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰客观 状态的前提下进行观测，以探究物理过程变化规律的一种科学活动。 一、物理实验与古代物理学的发展 物理学的发展经历了从萌芽时期( 古代物理学时期) 到经典物理学时期再到 物理学时期的发展阶段。大约公元前七八世纪后，中国和希腊形成了东西两个科 技发展中心，科学已经以经验科学的形态从生产劳动中分化出来。人们主要是靠 对自然现象和生产、生活很不充分的观察，以及简单粗糙的实验，直觉地、笼统 地去把握物理现象的一般特性，物理学基本上还处在对现象的描述、经验的简单 总结和思辨性的猜测阶段，实验的巨大作用还没有被充分认识到。尽管如此，在 围内外，许多人曾做过许多实验，也提出过种种理论，还制造了不少仪器。 古巴比伦人曾用“日晷”和水钟记时，还发明了梁式天平；阿拉伯人阿勒哈 增曾傲过反射和折射实验；亩希腊阿基米德( 公元前约2 8 7 一前2 1 2 ) 总结出杠 杆定律和浮力定律，托勒密( 约9 0 1 6 8 ) 关于光的折射实验。 在我国，在力学实验方面，据墨经所载，墨家研究过圆球的随遇平衡问 题，考工记中记载了用水浮法测定固体比重的方法；在声学实验方面，墨子 中记载了将两种稍有不同的坛埋入地以判定地下声源的方法：在热学实验方面， 考工记中记载t n 用凹球面镱对日聚焦取火；在电磁学实验方面，早在管 子、吕氏春秋、三国志中就有磁石能吸铁而不能吸铜等其它金属和非金属 的记载；在光学实验方面，宋末元初的赵友钦在革象新书中记载了对光的针 孔成像和照度实验“1 。 综上所述，在古代物理学的发展中，这些无论是系统的观测和记录、人为条 件下重复物理现象、确定量度标准和仪器、制造实验和观测仪器，都可称之为物 理实验。 这一时期，物理实验的特点是：1 零星不系统；2 定量实验较少、定性实验 较多；3 大多数实验仅限于现象的描述或一般的解释，没有进行归纳而形成系统 的理论；4 没有用实验来检验已有的结论。由此可见，这一时期的实验方法和实 验的科学思想水平还是较低的，所以使得物理学还没有真正走上科学的道路。 二、物理实验与经典物理学的发展 经典物理学是在1 6 、1 7 世纪的文艺复兴时期和科学革命中诞生的。以伽利 略为代表的一大批杰出科学家，把实验方法与物理规律的研究结合起来，对物理 学的发展做出了划时代的贡献。 在力学实验方面，伽利略的斜面和落体实验，发现了运动定律和自由落体规 律。瓦利斯、惠更斯等人分别得出了动量守恒定律。库仑的扭秤实验和摩擦实验， 得到了库仑力的平方反比定律和摩擦定律。胡克的弹性实验，发现了弹性的基本 2 定律。傅科的傅科摆实验，卡文迪许用扭秤装置测定地球的密度，得到了地球密 度和引力常数。在热学实验方面，布莱克和其学生通过量热学实验研究发现了热 容量，提出了比热的概念，量热学实验使热学走上了严格定量的道路。焦耳从事 热功当量实验研究3 0 多年，为热和功的相当性提供了可靠的依据，为能量守恒 与转化定律的确定奠定了牢固的实验基础。在电磁学实验方面，库仑定律的发现 和检验是实验的一个重要的贡献。库仑定律是电磁学的基石，也是麦克斯韦方程 的基石。奥斯特对电流磁效应的惊人发现既证实了电与磁之间相互联系的客观存 在，又发现了沿垂直方向起作用的一种旋转力。安培把奥斯特实验扩展为电流之 间的相互作用，并提出安培定则。法拉第对磁产生电进行了多年的实验研究，发 现了电磁感应现象。罗兰实验确证了电流的磁效应，奠定了电学近代理论的基础， 在电磁学发展史上具有重要意义。麦克斯韦的电磁场理论把电、磁和光三个领域 综合在一起，预言了电磁波的存在，也预言了光是一种电磁波，具有划时代的意 义。赫兹通过实验发现了电磁波，有力地证实了麦克斯韦电磁场理论。光学方面， 牛顿进行了白光的色散和复合实验，这个实验不仅对认识光的本性和建立颜色理 论奠定了基础，而且为光谱学的发展开辟了道路。托马斯杨的双缝干涉实验为 光的波动学说提供了确凿的证据。 该时期实验研究方法和实验科学思想的特点是： 1 把实验与数学结合起来既注意逻辑推理，又依靠实验检验，构成了一套 完整的科学研究方法；2 有意识地在实验中抛开一浆次要因素，创造理想化的物 理条件，既要力求使实验条件尽可能符合数学要求，以便获得超越这一实验本身 的特殊条件的认识，又要设法改变实验测量的条件，使之易于测量；3 用实验去 验证理论；4 把实验与理论联系起来。 伽利略把科学的实验方法发展到了一个全新的高度，从此开始了物理学的 个新的时代，使物理学走上了真正科学的道路。爱因斯坦和英费尔德( l i n f e l d ) 在物理学的进化中评论说：“伽利略的发现以及他所用的科学的推理方法是 人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。” 1 2当前物理实验的特点和趋势 1 9 世纪末物理学家在实验中发现了许多经典物理无法解释的事实。其中， 电子的发现、x 射线的发现和放射性现象的发现具有根本的意义。这些事实与经 典物理的理论产生了尖锐的矛盾，从而引起了物理学的革命，导致了现代物理的 诞生。 简单回顾一些在现代物理发展中具有重要地位的著名实验。1 8 9 7 年霍尔发 现了电流通过金属在磁场作用下产生横向电动势的霍尔效应。塞曼于1 8 9 6 年发 现的塞曼效应进一步涉及光的辐射机理，反塞曼效应的研究推动了量子理论的发 展。t 8 9 7 年汤姆逊测定了阴极射线的荷质比，他以大量的实验事实证明了电子 是原子的组成部分。普朗克在综合前人实验研究成果的基础上，推出了黑体辐射 的普朗克公式。1 9 0 5 年爱因斯坦发展了普朗克的量子假说，提出了光量子理论， 导出了著名的光电效应方程。1 9 0 9 年密立根独创了著名的油滴实验，测得了基 本电荷e ，1 9 1 1 年卢瑟福根据大角度a 散射的实验结果，提出了有核的原子模型。 1 9 1 2 年劳厄发现了x 射线晶体衍射的现象，这是现代物理学发展中的一个重要 里程碑。1 9 4 5 珀塞尔用共振吸收法测核磁矩，发现了核磁共振。1 9 5 8 年穆斯焦 尔实现了y 射线的无反冲共振吸收，即穆斯堡尔效应。1 9 6 2 年约瑟夫森从理论 上对超导电子对的隧道效应做了预言，不久被实验证实。 从上述事实可见，现代物理是从实验发现开始，并在实验中发展起来的。现 代物理实验乃至当前物理实验方法和发展有如下一些特点和趋势： ( 1 ) 实验与物理理论越来越紧密地结合，成为不可分割和相互依赖的结合体。 物理实验更加需要理论( 包括实验理论) 的指导，在理论的预测和条件范围内去 进行，而不是盲目地瞎碰。 ( 2 ) 实验需要更先进的技术和仪器设备。常规的仪器设备和简单的方法已不 能满足当前探索物理世界的需要。物理学要向新的更加深入的领域进军，探索更 细微的结构、更远的距离，使实验具有更高的精确度，这就需要更先进的技术和 仪器设备。 ( 3 ) 物理实验方法与其它学科的结合和向其它学科渗透，使得新的实验方法 和技术更快地在应用领域得到推广使用。 ( 4 ) 当代前沿的物理实验越来越成为大规模的、集体的、综合的工程。它的 设计、建设和运转、使用都需要各方面的科学家和工程技术人员共同合作完成。 另外，还需要有许多辅助的和配套的工作。最前沿的科学实验还需要有国际的合 作。如1 9 8 3 年发现w 粒子和z 粒子的u i 合作组，就由包括欧洲核子研究中心 和美、英、法、德、意等国1 3 所大学与研究机构在内的几十个国家的1 3 5 名物 理学家组成。 ( 5 ) 建立和利用空间实验室，充分利用太空高真空、无污染、失重等许多天 然有利条件。 1 3物理实验课设置的理论支点 一、仓目造性思维的培养理论 从认识的发展来看，特别是从进行创造性思维的过程看，从解决未知的复杂 问题的过程看，认识的基础是“经验”。这个经验有丰富的内容，既有个体早期 的各种活动所建立的圈式。又有个体后期的各种社会实践所获得的各种奁接和间 接经验。直接经验包括各种感觉知觉及动作内化；f l | ( j 接经验包括各种形式概念及 理论结构。在解决阅题的创造性思维过稷中，各学科的交叉、渗透，在分析基础 上形成综合，这是解决较大问题所必不可少的。可以说，没有综合就没有创造。 4 在经验基础上，经过知觉、结构、综合，这是认识的深化过程，同时也伴随着创 造的过程。在新的问题的激励下，又经过经验一直觉一结构。综合，从而有 新的综合、新的创造。如此循坏往复，不断进化，这便是发展认识论的整个过程。 其中，“综合一分析”可视为认识论的进化论”。 “经验一直觉”是创造性思维过程的初级水平阶段；“结构一转换”是创 造性思维过程的中级水平阶段：在系统科学基础上的“综合一分析”则是创造 性思维过程的高级水平阶段。这里的“综合分析”，主要是指以系统科学为基础 的、对复杂系统的综合分析。幽于计算机等信息技术的使用，系统的综合分析能 解决较多过去难以解决的问题，故认为这是创造性思维中的高级水平阶段。 “综合一分析”方法，对应“整体与部分”这一对哲学范畴：从整体到部 分，这是分析；从部分到整体，这是综合。系统科学认为“整体”并不是“部分” 的简单的线形叠加，而是复杂的非线形组合。因而，整体有作为整体的新质一这 不是部分所具有的。从事物是不可分割的这一观点出发去综合、去分析，即要从 系统观点去进行“综合一分析”。系统是指由许多相互依存、相互联系、相互 影响、相互作用的要素( 部分、层次、因素等) 组成事物，且该事物与环境又有 蒴不可分割的联系，这种有机的整体即系统。所以，应用系统观点，首先是“综 合”地视事物为系统，进而去进行分析，把系统分解为若干子系统，进而又分解 为许多要素；在分析的基础上，再认识这个活生生的有机整体，从而达至新的深 层认识，达到新的综合。这一创造性思维的过程即是：“综合一分析综合”， 由此不难理解，把系统基础上的“综合尊分析”论视为发展认识论的进化论。 系统基础上的“综合一分析”论，有着丰富的内容。综合，既有结构的综 合，又有功能的综合；既有静态综合，又有动态综合等等。同样，分析，既有结 构的分析，又有功能的分析；既有定性的分析，又有定量的分析。各种综合与各 种分析的结合，成为解决复杂问题的重要方法，成为创造的重要手段。 对于发展认识论的“综合分析”阶段，对应着相应的教育模式。在该综合运 演阶段( 本科生高年级应达到这一水平) 所对应的教育模式的特点是一“综合分 析，创造中学”，简称综合模式。发展认识论的研究指出，从2 0 一2 3 岁到2 4 2 8 岁，人的认识可能达到综合运演阶段，这相当予本科高年级或研究生时期。 在这一阶段要发展智慧，关键是重视多学科的综合。要创造性地解决人类尚来解 决的较重要的问题，需要多学科的综合。在方法上，需要系统基础上的综合分析 法：既有静态的综合分析，又有动态的综合分析：既有定性的综合分析，又有定 量的综合分析。 综合教育模式的基本过程为：问题一发敬收敛一综合创造。综合教育模 式应理解为综合水平的教育模式。解决重大问题，既需要直觉思维，能发散，能 收敛，又需要掌握多学科的逻辑结构，综合才能有更大的创造。而物理实验课凸 显了这种综合教育模式的特点综合分析，创造中学。尤其在本科高年级以及 研究生阶段所涉及的物理实验中，所涉及的理论知识部分已不局限于纯物理学内 容，有时涉及化学、生物等其他学科的知议。实验题目的综合性以及在实验过程 中出现的意料之内甚至意想之外的数据或现象，需要学生从整体出发，运用系统 的知识对实验当中某些环节呈现的现象进行分析，这样，爿能对实验的最终结果 给予充分合理的解释，甚至提出自己的观点和新的实验方法，从而在实验过程当 中实现对创造性思维的培养。当然，这种创造性思维的培养在综合性实验中较为 突出，而在定性、定量以及验证性实验中体现得相对较少。要指出的是，若物理 理论不是通过实践检验，在实践中发现理论的缺陷，使理论完善和发展，而是通 过逻辑检验来发现它的缺陷使理论完善和发展，即按从理论到理论的模式发展， 这是物理理论发展的第二种发展模式，它在物理学领域特别是在近代物理学领域 并不少见，是现代物理理论发展的一种重要形式”3 。 二、凸显现代教育的本体功能人的培养 教育的质的规定性是：有目的、有计划、有组织地培养人的社会实践活动， 即根据一定社会需要而进行培养人的活动或培养人的过程。教育的本质，简言之， 就是人的培养”。 现代教育的本体功能，包括人的培养、社会遗传、科学筛选三方面。 1 加速年轻一代身心发展与社会化的进程人的培养 培养人是教育的最基本职能，也是教育的特质所在。在众多教育形式的比较 中，学校教育显示了人才培养上的突出优越性，因而最终成为普遍公认的最佳形 式。教育对人的培养，结果是企图使人成为一定社会所需要的人，即通过教育， 加速实现人的社会化，实现由生物个体向社会实体的转变，这个转变的耳的就是 使每一个不知不识的生物个体成长为一定社会所需要的人，即所谓的人的社会 化。这是个人学习知识、技能、行为规范，学会团结协作，并逐渐适应社会生活， 成为社会成员，满足社会需要的过程。这一过程的完结可以通过各种形式去进行， 包括系统的教学内容、教师传授的有效形式，从多学科、多角度使学生在比较短 的时间内明确生活目标，应该承担的社会责任与角色，应有的社会生活技能等等， 成为一个社会成员，也就是成为奉献和适应于这个社会的拥护者、建设者和傈_ 卫 者。为此，作为学生，就必须广泛地学习能够最大限度满足社会需求的知识与技 能。 回望近代人类社会的发展史，不难发现，科学技术这股推动力的作用是无比 巨大的，向新质量过渡是技术发展史中的一个飞跃，而科学技术的每一次划时代 的飞跃无不建立在实验技能的突破性提高上“1 。现代社会对物理、生物、医药、 能源等众多领域实验技能的高指数的要求，也是许多角色适应社会必须掌握的重 要技能。所以，物理实验在人的培养中占有越来越重的分量。 6 2 ，人类精神文明的传递与继承“社会遗传” 人类在长期的社会实践中，创造了物质文化与精神文化这两种财富。这种财 富得以保存并世代相传地继续发展下去要靠教育来实现，即所谓的社会“遗传”。 实现这种社会“遗传”的方式很多。今天，电视、录音机、电子计算机等各种现 代化传摇手段的出现，为知识的传递提供了极为广泛的通道。我们今天可以通过 各种现代化的信息媒介去获取、理解各种知识和技术，但是这必须在有了定的 知识基础、理解能力、实验经历之后方能进行。这个知识基础、理解能力、实验 经历就需要教育去提供。各种模拟软件为人们提供了各种参数选项，近乎真实地 模拟出实验条件甚至是实验室难以达到的某种特殊条件，帮助很多人省去了亲历 亲为的实际操作过程。但是，物理实验的“遗传”功能以及对学生的能力培养功 能是最先进的仪器最高级的软件也无法替代的。很多实验方法、仪器的操控、人 与人之间的配合、实验经验的获得等，只能在实验中亲历获得，而且，很多重大 问题的发现与解决，往往在理论分析或计算机模拟实验结果与实验结果的偏差甚 至是背离上找到突破口。在实现遗传甚至是有所创新和发现的道路上，理论和实 验各有所长，二者是相辅相成、相互联系的。不是单纯依靠某一种探究手段，而 是将基本理论、理论推导、实验结果和计算机辅助等诸多研究途径有机结合起来， 才能更有效、更准确的实现遗传。反过来，这种遗传为继续发展和创新提供了必 要的前提。 3 经验和人才的选择科学筛选 学校教育为培养人而进行的人类精神文明的传递与继承是通过严格而科学 的选择完成的。人类在社会实践中积累起来的经验可以分为两大类：童接经验和 间接经验。直接经验表现为直观的感性经验，间接经验则是人类在长期的社会时 间中积累起来的各种认识成果。人类经验浩如烟海，但教育目的不同，社会需要 不同，人的认识能力的局限以及教育自身条件状况和学生学习时间、在校时间有 限等诸多限制，决定了教育必须对经验进行科学的选择，以典型的、有限的、基 本的材料去教育学生，我们将其称为基础知识和基本技能美国的布鲁纳称其为 “学科的基本结构”，西德的瓦根舍因叫它为“典型的范例”。实验作为教学 内容确立并合理科学的设簧，是因为物理实验不仅巩固、活化了物理知识和物质 规律，而且包含了对学生基本技能的锻炼，如手脑配合的能力，判断事故解决实 验问题的能力，所以，物理实验课的设置也是人类理性进步的表现。 进行人才选拔是学校职能的又一方面。从学校角度进行的人才选择是一种竞 争性的人才选拔，它不仅具有社会认可的权威性，而且具有层层淘汰的严格性。 实验往往蕴涵了对人的多方面素质的考察，一个人的实验能力在一定程度上体现 了其综合能力的高低，出此看来，物理实验或者其它学科的实验也是筛选人爿的 一种检测手段。 7 三、以人为本的价值理念 在教育过程中以学为职责的人被称为受教育者。受教育者既是教育的对象， 也是学习的主体。马克思说，主体是人，客体是自然。换言之，在教育过程中， 受教育者也是作为一个活生生的个体，作为一个有血、有肉、有感情的人存在的。 受教育者的主体地位集中体现在：受教育者作为一个独立的个体的人，他们有 自己的主动性、选择性、需要性和意志性，他们可以依靠自己的独立思考主导自 已的行为；受教育者在学习人类优秀文化遗产的同时除继承、吸取以外，还 有重组、创新、开拓的能力；受教育者在学习过程中，不但受智力因素的制约， 也受非智力因素的影响。这两种因素都制约着受教育者教育活动的进行速度、效 益和质量。 教育的对象是人，教育的本质是人的培养，而人的发展是有规律的。教育只 有依据人的发展规律去进行，才能达到既定的目的，发挥教育的主导作用。 ( 一) 促进人的身心发展 人的身心发展是内因与外因的统一。教育就要遵循入的发展的内外因统一规 律，正确对待内外因的相互作用关系。只有在了解教育对象的生理发展特点和学 习程度基础上，根据其身心发展特点，才能充分调动受教育者的主观能动性，使 之积极接受教育影响。 人的身- d 发展是量变与质变的一致。量变即渐变，质变即突变。所以，人的 身心发展又是渐变与突变的统一。这一关系决定了教育必须紧紧把握住教育对象 身心发展的量变与质变关系，在渐变过程中抓住突变机遇，充分利用发展的“最 佳期”，适时促进人的身心发展。 在修习物理实验课时，学生已经对实验涉及的理论知识部分较为系统地学习 过，这也是开设实验课的必要前提，或者说，这对的学生个体已具备所涉及的理 论知识的量上的储备，而“质”上的突变，若从一个微观的角度也可以理解为对 已有知识的活化、深化甚至升华，则往往产生于实验。在物理学领域里，质变通 常发生在实验当中出现的一些有趣现象，无法用已有理论解释甚至是有悖于经典 理论的新现象等等，而如此种种的物理现象多来自于物理实验，所以，物理实验 为质量突变这一过程提供了良好的孕育环境。就学生个体来说，可以将质与量的 转变微观地看成知识与能力的转变。无论是定性、定量、验证性、综合性等实验 类型，其目的都是促进并加速这个转变过程，提高转变的质量最终实现促进人 的身心发展。 人的发展由于自身的生长特点、生存环境及教育影响的不同，个体发展又 具有差异性。以人为本的教育就是要根据个体差异“因材施教”，针对其发展 的个别差异，“长善救失”，有的放矢地进行教育。 8 美国心理学家威特金( h a w i t k i n ) 把个体的认知方式划分为场依存性 与场独立性。场依存性者对客观事物的知觉倾向于以外在参照作为信息加工的 依据，其态度和意向较易受他人，尤其是教师、领导者或权威人士的影响与干 扰，在决定或实施某些想法前，常常注意和了解他人的想法与做法；场独立性 者在认知活动中较少受环境因素的影响和干扰，更多的是利用自己内在参照进 行理解与判断，倾向于在抽象、分析的水平上对信息进行加工并独立采取某种 行动。心理学研究表明，人们在场依存性与场独立性上的个体差异，不仅反映 在知觉方面，也反映在思维领域、情感领域以及社会领域( 如社交关系) 等方 面。场依存性与场独立性这两种认知方式与学习密切相关。一般来说，场依存 性者对人文学科和社会学科更感兴趣：而场独立性者在数学与自然科学方面更 擅长。场依存性与场独立性既属于智能差异的范畴，又属于学习方式的范畴。 因此，场依存性与场独立性在学习上的不同特点便成为因材施教的理论前提之 一。在理科教学中，场依存性者偏爱于问题的直观性，而场独立性者偏爱于问 题的抽象性。因此，对前者，实验可以满足他们的思维习惯，对于他们可以以 实验作为研究问题构切入点，当然也应在充分发展其形象思维能力的同时，注 重其抽象思维能力的培养。对后者，除充分发展其抽象思维能力外，还要通过 实验等来培养或增强其形象思维能力。 从人脑生理功能看，左脑擅长予言语和逻辑思维，是处理言语、进行抽象 逻辑思维、集中思维、分析思维的中心，具有连续性、有序性、分析性等机能； 而右脑则擅长于形象思维，是处理表象，进行具体思维、发散思维、直觉思维 的中枢，具有不连续性、弥漫性、整体性等机能。两半脑虽然有许多不同功能， 但并不是以高低级或主次来区分的。它们都牵涉到高级的认知功能，都是高度 复杂的，只不过用它们自己不同的方式来起作用，影响人们不同的心理活动， 它们之间是互相补充的。 大脑的单侧化是指学生大脑两半球所形成的特征，是左侧优势还是右侧优 势。大脑的单侧化是一般概念，具体到一个学生，究竟是哪一侧占优势时，就 是个别差异问题。以理论为主的课程主要是发挥了左脑的作用，偏重于逻辑和 语言的训练；而实验类课程可以激活和发展右脑的功能。过分强调理论，轻视 实验会阻碍学生的全面发展。所以，在教学中要根据脑功能单侧化优势的个体 差异，做到因材施教。 ( 二) 促进人的全面发展 所谓个人全面发展，就是每个个体的智力和体力都获得尽可能多方面的、 充分的、自由的和统一的发展。 1 个人智力和体力的尽可能多方面发展，这是发展的量的方面特征 9 所谓个人全面，首先要达到的第一个标准是智力与体力发展的尽可能多丽 性。“多方面”就是欲求广泛和全面；“尽可能”就是在考虑社会条件、自身 实际及与他人的差异等等情况下，充分发挥个人的主观努力，尽其所能地去达 到多方面的程度。每个人只有首先实现了智力和体力的多方面发展，才有可能 在此基础上去实现不同部分之间的自由流动和转换，满足个人的兴趣和需要。 从这个意义上说，物理实验课为实现人的多方面发展提供了一个发展平台。理 沦知识的学习固然重要，因为它是进行其它科学研究活动的必要前提，但又不 能难理论为重，实验课正是考虑到将学生的智力与体力结合，促进知识与能力 的转化，= 者兼顾，最终实现“全面”的教育目的。所以物理实验课既为多数 实验能力较差的学生提供了锻炼的平台，也为少数在实验方面资质突出的学生 提供了施展的机会，较大地满足了人的全面发展的需要，促进人的全面发展。 2 个人智力和体力充分的、自由的发展，这是发展的质的方面特征 ( 1 ) 质的特征之是智力与体力的“充分”发展。充分发展是指个人智力体 力两方面在各自的领域内得到最大限度的发展。不仅要求二者在范围上是广泛 的，还要求发展程度上是充分的。 ( 2 ) 质的特征之二是智力与体力的“自由”发展。自由发展是指每个人的发 展一是不屈从于任何其他的活动和条件，二是个人的发展能为个人所驾御。 ( 3 ) 质的特征之三是在全面发展基础上的个性发展。包含着每个人依照个人 的意愿和实际，在自己感兴趣有特长的方面获得突出的发展，是个性发展的范 畴。 物理实验课的开设是为了实现人的全面发展，而且在很多时候，这门课程 满足了一些在实验方面有过人天分的学生的个性发展，使其实验能力得到发掘 与彰显。由于学生个体的性别、年龄、先天条件、后天努力等各有不同，有的 学生在理论学习上游刃有余但在实验方面略显不足甚至差强人意，而有些个 体与此相反，理论基础相对薄弱，但实验能力、动手能力却极为突出，物理实 验课为这部分人发挥其优长提供了难得的机会，保护并促进了个性发展。 3 个人智力和体力的统一发展，这表现为发展的度的特征 个人片面发展的基本特征，就是智力与体力的分离，放个人的全面发展， 从根本上说就是智力与体力的统一。纵观我国的学校教育以及对人的培养，始 终以理论知识的学习为重，一直强调知识的广度与深度，培养出许多“死读书”、 “读死书”、“高分低能”的学生，从某个角度也可以说这是人才1 培养策略上 的一个败笔。丽物理实验课正是将人的智力与体力有效融合的途径之，在考 虑知识广度与深度的基础上，设计一些与之匹配的并且能够深化、活化这些理 论知识的实验题目，较为有效的拉近了智力与体力分离的距离，从而实现智力 与体力的统一发展。 1 0 卜一4 现行物理实验课存在的问题及启示 自实验课设置以来，虽经不断改革和完善，但仍然存在一些问题。 一、理论知识与实验能力脱勾 在我国，招生和考试制度对物理课程的影响是明显的。在绝大部分学校， 由于受不正确思想的支配，基本上是考什么，学生就在什么课程下更多的功夫， 即中考、高考的内容和要求，成了物理课程事实上的标准，于是很多应该在实 验室里亲自动手操作的实验改成了教师口述或在黑板上画图演示，长此以往使 学生本来就很薄弱的动手能力更加弱化了，无论是动手亲自实践的意识还是真 实的实际操作能力，都与该年龄阶段应达到的实验水平相距甚远。在进入大学 阶段的学习时，很多学生对待实验课持一种敷衍了事的态度，在做稍微复杂的 实验时，甚至是对自己完全力所能及的实验环节，常常表现出缺乏耐心，束手 无策，常见的做法是找同学帮忙或者干脆把指导教师叫来解决，却很少把自己 的手脑结合起来，自行分析解决。所以从绝大多数实验操作者来看，存在着理 论知识与实验能力脱勾的问题。 二、实验题目的数量和质量不利于发挥学生学习的主动性与积极性 物理实验题目的设计、编制和仪器的准备等要有一个较长的周期，不能朝 令夕改，只能在某种程度上做微调，不能突变。但从另一个侧面看，物理学是 人们认识世界和改造世界的经验总结，实验是对物理现象和物理事实本质属性 和规律的揭示，人类对物理规律的认识永无止境，物理学的发展也是没有尽头 的，与物理学发展的无限性相比，物理实验题目无论从数量、质量、传授时间 上都受到很多客观因素的限制，导致现有的一些实验题目几年甚至十几年如一， 已经满足不了学生的兴趣和求知欲”1 。另外，在选做实验时，有的实验题目想选 而选不上，有的实验题目由于选的人过少，只能取消这一题目的开设。结果是， 想选的题目做不了，不想做的题目又非做不可，极大地挫伤了学生学习的积极 性。 三、近代物理实验与综合性物理实验比例偏低 我国历来有学科界限分明、注重基本理论知识、基本技能的学习，轻综合 的倾向。在多学科的交叉综合中这一倾向表现得尤为明显。不可否认，近代物 理实验与综合性物理实验对实验仪器、指导教师水平、学生的知识准备都提出 了更高的要求，其开设难度是比较大的。但是这两部分实验作为实验课的一个 组成部分以及从对人的培养功能看，是应该得到关注和重视的。 首先，近代物理实验、综合性物理实验与现代物理理论、物理技术前沿联 系较为紧密，一般说来越是代表人类较为前沿科学的实验，越能增强学生学习 物理的兴趣，有助于学生深入浅出地理解并感受些看似艰涩难懂、深不可测 的前沿科学。另外，这类实验能帮助学生掌握先进仪器设备和不同以往的研究 方法，从而培养学生综合性的科学精神，早只适应当前物理研究趋势的创造性 思维习惯，提高收集、处理信息和分析实验结果的综合能力。 对于物理学来说，物理是一门实验科学，物理实验是物理学发展的基础， 是自然科学和工程技术发展的动力。在普通物理实验( 包括力、热、电、光等 四大部分) 中所接触的物理思想、方法、实验手段和技术蚍及仪器的操控，可 以说是对经典物理知识的一种深化，更多的是定性、定量分析，亦或通过实验 现象验证某些物理规律，这是培养学生实验能力的基本途径之一。但是，从推 动自然科学和工程技术发展的直接动力来看，起决定作用的通常是具备前瞻性 的实验思想或者采用新的实验方法开展的近代物理实验、综合性实验。很多事 例表明，物理实验中运用的思想和方法，对于其它领域的学习和突破也有很大 的指导意义， 其次，近代物理实验与综合性物理实验难度较大，若要求学生独立完成， 就必然使每个实验题目的学生人数有限，这样既有利于教师对学生的个别指导， 也便于对学生个性的了解和掌握。通过学生在不同实验环节中表现出来的能力 特点、思维习惯及操作方法等，指导教师能及时发现学生的优长与不足，对学 生不甚通透的实验理论或者相对薄弱的实际操作予以及时的指导和帮助从而 有效的提高学生的综合能力。 最后，近代物理实验与综合性实验对学生的知识、思维、手脑结合能力提 出了更高的要求，是否能够圆满完成实验题目与每个人的能力基础及个性特点 有关。所以，这两类实验可以为那些倾向或擅长实验操作的学生提供继续深入 探究的机会。由于此类实验是在本科高年级开设，就为一些毕业后继续从事与 之相关的物理专业或跨专业学习的学生提供了锻炼的平台。无论是从学生的能 力特点还是学生毕业后的去向上来权衡，这类实验应设计出不同难度、针对不 同就业去向、不同系列的实验题目，以供学生选择，培养学有所用、学有所获 的入才。 第二章综合性物理实验课的理论研究 2 1综合性物理实验课开设的必要性 综合性实验是指实验内容涉及相关的综合知识或运用综合的实验方法、实 验手段，对学生的知识、能力、素质形成综合的学习与培养的实验。这类实验 的目的在于通过实验内容、方法、手段的综合，掌握综合的知识，培养综合考 虑问题的思维方式，运用综合的方法、手段分析问题、解决问题，达到能力和 素质的综合培养m 1 。 在科学技术飞速发展和社会对人才质量要求越来越高的今天，需要造就大 批具有科学实验能力、有创造性的新型人7 j 。从人才全面培养的角度考虑，在 本科高年级开设综合性实验，营造培养学生创造性思维能力的环境是非常必要 的。 1 一、从世界课程结构与改革趋势上看 现代科学技术的特点及其发展趋势是：“全科学”的态度和高度分化与整 体化趋势等两个最显著的特点。1 。总的趋势是综合，各学科之间广泛交叉，相互 渗透。世界面临的许多重大问题，如环境能源、生命科学、人工智能等无不跨 越多种学科。2 1 世纪需要的是具有雄厚的学科基础、知识面宽、适应性强，具 有创新精神和创造能力的人才。为此各国纷纷提出新时代人才目标：日本提出 要培养综合化人才；美、欧等国提出要培养创造性人才和跨学科人才；前苏联 早在7 0 年代就提出要培养具有科学的世界观、综合化的知识，多方面的技能和 专门化行业的知识面宽广的专家，即不仅要“专：j 。，更需要“通才”。为适 应时代需求，确保达到上述目标，许多国家都相应地调整了课程结构，总的趋 势是综合化，即加强基础、扩大知识面，开设综合化课程，其特点为： 1 学科界限模糊化 学科之间出现交叉、渗透，并产生出了一大批边缘、新兴学科。前苏联教 改方案中，要求实现“人文科学数学化、自然科学人文化”，使文理渗透，并 要求理