物理實驗教學實踐透析
時間:2022-05-30 10:58:00
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以培養綜合型、有素質、有創新意識人才為目標的高等教育改革一直都在深入進行著,其中一個重要趨勢就是盡可能消除文理科的隔閡,在教學中體現技術、科學和人文社科類學科的融合,培養文理兼通的人才[1]。大學物理實驗是學生系統學習科學實驗設計思想、方法和技術的入門基礎課程,是大學生受到系統實驗方法和實驗技能訓練的開端,是素質教育和創新能力培養的基礎,有利于人文教育與科學教育的融合以及復合型人才的培養,也有利于學科的綜合發展及形成交叉學科[2-5]。東南大學很早就開始了這方面的建設和改革,1994年為文科學生開設了文科大學物理課程,隨后開設了文科物理實驗課程。這些課程很受文科學生的歡迎。通過這些課程的學習,文科學生擴大了知識面,提高了思維能力。
1多樣化、分層次的實驗內容體系
我校是國內較早開設文科物理實驗課程的高校之一,所以可借鑒的經驗很少。考慮到文科學生特點:物理理論知識相對薄弱,思維方式是靠直覺、靈感、頓悟,而物理實驗教學最基本的方法是有“物”才有“理”,幾乎所有的物理結論都是通過對“物”的思考和分析獲得的[6-7],因此最初我們開設的是實驗原理相對簡單、實驗方法比較直觀、生活中會應用到又能體現物理思想和規律的典型實驗,例如“長度測量基本儀器的使用”等。經過幾年的教學實踐,我們發現不少文科專業的學生是文理生兼有,這就導致文科學生的物理基礎知識參差不齊,且不同專業的學生對物理實驗學習程度的需要也不一致,因此要求物理實驗內容能夠滿足不同層次、不同能力學生的需求。在這個指導思想上,我們逐步為文科學生增開了一些具有一定設計性、創新性、提高性實驗內容的項目,學生可根據自身的能力和興趣選做。經過多年的教學實踐,豐富多樣化、分層次的實驗內容體系已形成。
1.1開設定性、半定量測量實驗,提高學生興趣為了提高文科學生學習物理實驗的興趣,本著實驗原理易懂、操作簡單、現象有趣、結果直觀且學生在實驗后覺得有所收獲的原則,開設了一些定性、半定量測量的實驗項目。例如:“硬幣起飛實驗”———用硬幣起飛來模擬飛機起飛的過程,通過觀察實驗現象和一些簡單的實驗數據處理,加深對流體力學的認識;“駐波與克拉尼圖形實驗”———通過振動頻率的改變,觀察不同頻率下的一維和二維駐波圖形,深入直觀地理解駐波產生的原理;還有“利用鋼尺測定激光波長實驗”等。這些實驗具有新奇性,直觀、有趣,得到了廣大文科學生的喜歡,充分調動了學生的學習積極性,極大地增加了學生對物理實驗的興趣。
1.2開設內容遞進、要求提高的系列實驗,因材施教為了更好地滿足不同層次文科學生的需求,我們將一些面向理工科學生開設的實驗原理簡單、物理概念清晰且內容逐步提高,操作具有一定難度的系列實驗項目也同時向文科學生開放。這些系列實驗的基礎部分,大部分文科學生都能獨立完成,而那些物理基礎較好、動手能力較強的文科學生則能完成提高性內容部分。這樣遞進的實驗教學取得了良好的效果,做到了因材施教。此外,文科學生選做理工科類實驗項目也符合我校“低選高”的選課政策。例如“利用氣墊導軌研究物體運動實驗”同時為我校文理科的學生開放選做。這個實驗的基礎性內容為研究速度和加速度,驗證牛頓第二定律,大部分學生都能獨立完成,以及提高性內容的小課題———物體的碰撞等,也有許多學生選做。小課題要求學生自主設計實驗方案,學生根據自身能力大小選實驗項目。通過此類實驗的訓練,大大提高了文科學生的觀察力和科學實驗能力,并充分滿足了不同能力文科學生的需求,也能夠對學生的能力進行全面的評價和考核。隨著學生整體素質的提高,提高性實驗內容和項目的比例逐年提高,2011年我系面向文科學生開設的物理實驗項目中,提高性內容已達到60%。
1.3引入近現代經典物理實驗,提高學生科學素養為了進一步提高文科學生的科學素養,培養他們的物理精神和科學思想,我們引入了一些近現代物理史上有影響和意義的經典物理實驗。例如“密立根油滴實驗”,雖然該實驗驗證的是電荷的不連續性,涉及到了量子物理理論的范疇,但是該實驗原理簡單易懂、實驗設計思想巧妙。通過對物理學史、物理學方法論的滲透介紹,對文科學生進行實事求是、嚴謹創新的科學態度和熱愛科學、尊重科學的科學精神的教育。此外,該實驗操作步驟不繁雜,文科學生完全能獨立完成并得到理想的實驗結果。密立根油滴實驗自開設以來得到了文科學生的普遍喜愛,在學生課程論文中,他們都認為通過該實驗的學習,充分體會到物理實驗科學家的鉆研精神以及科學實驗的思想之美,充分認識到嚴謹的科學態度以及科學思維的重要性。
1.4引入演示物理實驗,拓展學生視野我系在開設文科物理實驗早期就嘗試引入物理演示實驗,并很快受到廣大文科學生的歡迎和青睞。物理演示實驗主要由教師操作,通過教師的啟發指導,幫助學生對實驗進行觀察、思考,使學生認識物理概念和規律,達到“事半功倍”的教學效果。學生從魔術般的物理演示實驗中學習物理各主要領域的概念、定理和思想,認識到物理學是自然科學發展的先導。學習物理學是提高文科學生基本科學素質的重要途徑[8-9]。2006年東南大學搬遷新校區建設新物理實驗教學樓時,我系建設了中等規模的物理演示實驗室。演示實驗的內容涉及到力、熱、電、光等各個方面,從體現高新技術的創新中揭示物理學的規律,使學生認識到物理學是如何改變世界的。比如電磁感應實驗,由于演示發電,整個電機可以當場拆卸、組裝、運轉。這些實驗容易激發學生的興奮點,增強學生的興趣。同樣,海市蜃樓實驗、槍打猴子實驗、模擬麥克斯韋速率分布演示板等實驗,也很好地激發了學生的求知欲[10]。演示實驗室向我校全體學生開放,但專門為文科學生安排了開放時間,演示實驗課也是文科學生必選的實驗項目。
2開放的、“多重交互”的教學模式
東南大學實驗中心在創建“國家實驗教學示范中心物理實驗中心”的歷程中,創建了突出學生主體地位的物理實驗課程“多重交互”教學新模式[11],并成功應用于物理實驗教學。依托中心成熟的實驗教學網絡信息平臺,文科物理實驗也由傳統的實驗教學模式提升到了一個嶄新的多方位開放、交互的新模式。
2.1計算機TA助學與教師指導的有機結合文科物理實驗教學引入了計算機輔助教學,即計算機TA。課前學生可以通過教學課件的圖片、動畫、視屏等形式,直觀地了解實驗原理和現象,進行遠程預習,課堂上可通過課件解決實驗中一些常識性的問題,而教師只要針對性地對學生進行個性化、深層次的指導。這種教學方式大大提高了教學效率,促進了信息技術與學科課程的整合。圖1是傳統實驗教學模式與引入計算機TA助學教學新模式的對比。
2.2開放的教學形式,網絡化的教學管理現在的教育改革是要求給學生提供更開放的項目和空間,最大限度地提高學生自主學習的能力。2007年,文科物理實驗改變了傳統的由教師設置固定的實驗項目、學生按部就班地完成實驗教學的模式,將實驗項目分為必做實驗和選做實驗2個部分。每個學生完成教學要求的3個必做和4個選做實驗項目。開放的10多個實驗項目中既有基礎性內容,如電磁學基本儀器的使用等,也有提高性的內容,如光電池特性的研究等,學生根據自身的理論基礎和專業需要,有針對地選擇感興趣的實驗項目,在實驗室開放時間進入實驗室獨立完成實驗。這種開放的教學形式極大地體現了學生的自主性,強化了學生學習的主體地位。圖1傳統實驗教學模式與引入計算機TA助學教學新模式對比示意圖文科物理實驗教學管理全部依托實驗中心的網絡管理平臺。如圖2所示,學期初,根據全校文科學生總實驗項目人時數,實驗中心設置好實驗開放項目和時間,學生通過網絡平臺進行預約。學生在預約時間進入實驗室,刷校園卡獲知實驗桌號,同時開啟對應桌號實驗儀器電源,實驗完成后再次刷卡關閉儀器電源。實驗結束3周后,教師將學生的實驗成績登錄到網上,學生可自行查看。這種全程開放的教學管理模式實現了教學的網絡化管理,提高了教學效率,充分利用了教學資源并提升了學生的綜合素質。
3適應文科學生的物理實驗考核方式
作為一門擁有獨立學分的必修課程,必須通過一定的考核手段才能較為客觀地評價學生的實驗能力是否達到教學目標。實驗課程考核目的就在于能夠正確反映學生掌握知識的實際水平、實際能力的狀況[12]。文科物理實驗課程教學更重要的是培養學生實事求是的科學態度,提高學生整體科學素養,而傳統的“筆試+平時表現”的實驗考核方法不能體現該教學目的。在新形勢下,實驗教學越來越受到重視,實驗教學考核的改革也成為實驗教學改革的重要內容之一[13]。經過多年的文科實驗教學實踐,我系已初步形成了適合文科學生的物理實驗考核制度。
3.1多元化的實驗考核借鑒理工科物理實驗的考核經驗,我們將文科物理實驗的考核模式多元化、考核內容多樣化,形成多元化的考核模式。
(1)增加實驗課堂考核。比如光學組合實驗中透鏡的同軸等高的調節、如何判斷“假象”、透鏡焦距測定幾種實驗方法的比較等,使實驗的整個過程中都有探究活動參與,用發散思維多角度、多方向思考,在探究問題答案時,激發學生的抽象思維和邏輯思維能力。
(2)與理論課考核相結合。在理論考試中出若干實驗題,讓學生根據實驗的現象設計題目、解答,并進行討論,從中看出學生的水平和對問題的處理方法。
(3)對于一些演示物理實驗及定性觀察、半定量測量的物理實驗項目,課堂上在教師指導下討論分析,課后由學生選擇最感興趣的實驗內容寫一篇以敘述和設想為主的實驗報告。
3.2引入課程小論文
隨著學生整體素質的提高,同時也為了更充分地體現文科學生的特點,2005年我們引入了實驗課程小論文。文科學生在完成一學期的物理實驗課程后,根據自己的學習情況及有興趣的方向,獨立撰寫一篇課程小論文。論文的內容可以是本學期實驗總結性報告,也可以是就某實驗的深入思考、鉆研報告等。在寫作過程中,學生一方面深入鉆研實驗教材,并到圖書館查找相關文獻;另一方面相互討論,請教教師,并將相關的實驗綜合考慮。經過這幾年的實踐證明,文科物理實驗課程小論文使學生對實驗思考進入了更深的階段,切實提高了學生從事科學研究所必需的總結、歸納及撰寫論文的能力[14]。
4結束語
文科物理實驗教育在當前受到的廣泛重視及應用,說明它是一個富有生命力的課程。文科大學生涉及人數眾多,在今后的教學實踐中,我們要進一步加強對文科物理實驗的教學實踐摸索,把實驗課程開展得更加合理、更具規范性,使實驗更具有自主性和探索性,進而培養文科學生的理性思維和實踐能力,促進文科學生全面發展、和諧發展、可持續發展。開展文科物理實驗對大學素質教育有積極深遠的影響。
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