大學物理實驗第二層次教學探討

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摘要：從第二層次大學物理實驗教學、全國大學生物理學術競賽和大學生創新能力培養之間關系的角度，分析了大學物理實驗第二層次教學和大學生物理學術競賽中存在的學生能力培養不足的問題．提出了在大學物理第二層次實驗教學中，通過深挖學生創新能力培養的內涵，并與全國大學生物理學術競賽成果相融合來提高學生創新能力培養的途徑．

關鍵詞：大學物理實驗教學;創新能力培養;中國大學生物理學術競賽

1引言

目前，建設創新型國家的戰略目標和建設“雙一流”學科的首要任務是：培養具有創新型的科研人才．近幾年來，各學科為培養科研創新型人才進行了大量的教學改革研究［1～6］．大學物理實驗課程作為培養大學生綜合素質的實驗課程，在培養學生創新意識、創新能力方面具有不可替代的重要作用．因此，大學物理實驗的教學改革也成為人們研究的熱點［7～10］．我校［哈爾濱工業大學（深圳）］是一所在深圳特區興建的大學，為充分發揮物理實驗教學的創新能力培養作用，在借鑒國內高校大學物理實驗教學方面成功經驗基礎上，為解決物理實驗教學中存在的實際問題，我們研究和分析了大學物理實驗教學體系中第二層次實驗教學和培養學生創新能力的關系，以及和全國大學生物理學術競賽融合的關系，對大學物理實驗教學如何培養學生創新能力提出了新的認識．

2大學物理實驗教學體系和培養學生創新能力的關系

2．1大學物理實驗教學體系實施過程中學生創新能力培養不足的問題．大學物理實驗教學體系一般分3個層次設置，第一層次為基礎驗證性實驗，第二層次為綜合提高性實驗，第三層次為設計性或研究性實驗．第一層次實驗是在教師指導下，培養學生掌握物理實驗中基本的操作技能．第二層次實驗是學生在已經掌握了基本實驗常識和基本技能后在教師指導下進行的相對提高的訓練，主要培養學生理論聯系實際的能力．第三層次實驗相比第一、二層次的實驗，在培養學生創新能力方面更具有直接性．在該層次實驗教學實施過程中，學生需根據教師給定的實驗條件和目標，獨立地設計實驗方案，挑選相應的實驗儀器，在教師的引導下完成實驗的操作及數據處理，并寫出具備基本科研訓練的實驗報告或論文．在這3種物理實驗教學體系設置中，由于受到教學時數和教學資源不足的限制，導致第三層次物理實驗教學時數設置相比第一、二層次實驗教學時數較少，第一和第二層次物理實驗教學僅局限于學生循著教師的示范操作做一遍，得到一些數據和結論后寫出實驗報告，并沒有對物理實驗中出現的問題進行深入的探討．這些問題都將在物理實驗教學過程中制約大學生創新能力培養．近幾年，在我校學生評教結果中，有學生認為：“大學物理實驗和大學物理理論課沒有聯系”“感覺物理實驗與專業課無關，以后的學習和工作中也用不上”，甚至說“物理實驗占用了他們的專業學習時間”．學生的評教結果都和上述問題相關，說明在大學物理實驗教學過程中，學生學習是被動消極的，實驗創新能力培養并沒有在他們身上凸顯出來．2．2大學物理實驗第二層次實驗教學中學生創新能力培養的挖掘．為發揮大學物理實驗教學在學生能力培養過程的積極作用，在大學物理實驗三層次教學過程中，我們認為：應重視挖掘第二層次大學物理實驗教學學生創新能力培養的作用．因為第二層次的物理實驗教學項目除具有只需最簡單的儀器和設備、最基本的物理原理就能使學生清晰地認識自然界規律的特點外，還內涵許多培養學生科研創新能力的內容需要我們去挖掘．另外，學生的科研創新能力提高也需要通過第二層次物理實驗教學獲得一定的綜合素質與能力后，再經過科學實踐訓練獲得，因此，在第二層次教學體系中開發和挖掘培養學生創新能力的提高性教學內容，讓學生在該層次接受大學物理實驗基本方法和技能等方面系統訓練的同時，繼續去探索該實驗中挖掘出來的提高性實驗內容，使教學和科研有效融合，學生創新能力培養能得到有效的提高．以第二層次雙光柵測量微小振動實驗為例，該實驗依據位移光柵的多普勒頻移原理，通過雙光柵形成光拍來精確測定微弱振動位移，這是一個設計巧妙，能提高學生興趣的實驗，其測量技術廣泛應用于精密測量領域中．目前，在這個實驗過程當中，教師主要是指導學生調試光柵，尋找音叉諧振的頻率，通過準確測量音叉諧振時半個周期內光拍的個數，計算音叉諧振動振幅，并測量外力驅動時音叉的諧振曲線．由于該實驗綜合運用了力學、熱學、電學、光學等方面的知識，且多普勒效應是大學物理重點教學內容，所以該實驗的教學既能開闊學生的理論視野，又能啟發思維．但由于受到學時數限制，多數學生在課堂上僅按照教師的示范操作完成實驗，課后處理數據之后并沒有對實驗當中出現的問題去進一步思考，因而也沒有引起對該實驗的興趣或沒有達到學生能力培養的要求．事實上，該實驗存在下列幾個待進一步思考的問題，可挖掘出來提供給學生進一步研究．如：（1）學生調試雙光柵時得到“毛刺”現象，即調試得到的光拍信號波形和理論波形相差太大．為什么會出現“毛刺”現象，“毛刺”現象的產生，和實驗裝置設計有何關系，以及如何消除“毛刺”現象，這些都是很好的，需要深入探討的研究性課題，挖掘出來給學生在教師指導下去進行理論和實驗研究，可以激發和培養學生的研究興趣和創新能力．（2）雙光柵實驗過程中，學生需通過調節頻率使音叉諧振以后，改變音叉附著質量去觀察音叉的振幅大小改變（示波器顯示的拍頻波的個數的改變），這個教學內容可結合計算機數據處理進一步挖掘，即學生在做該實驗內容的同時，可要求他們多測幾組數據，利用計算機去擬合出附著質量大小改變與音叉振幅改變的關系曲線，找出函數關系，并進行誤差分析，不但可以豐富該實驗項目教學內容，還可促使學生在已有實驗儀器及條件下，通過進一步分析、綜合和判斷實驗現象，達到研究創新能力有效的提高．

3大學物理實驗教學體系和全國大學生物理學術競賽（CUPT）相互融合研究

3．1大學物理實驗教學體系和全國大學生物理學術競賽（CUPT）的關系．自2010年7月首屆中國大學生物理學術競賽在南開大學舉辦以來，目前全國大部分高校都把這個競賽作為大學生創新能力培養的一種有效手段，并作為第三層次物理實驗教學內容的擴充．這個競賽每年的17個競賽題，包含了力學、熱學、電學、光學等日常生活物理和實際工程技術物理問題，參賽學生要準備所有題目，其研究過程必須經歷查閱與題目相關的大量書籍、文獻；確定題目相關的研究歷史、研究現狀以及可能的研究結論．并在此基礎上，運用所學的知識去分析題目所含的物理機制，擬定實驗方案并進行多次實驗．在實驗過程當中，參賽學生還需設定具體的測量物理量（一般參賽題目中不直接給定），研究各物理量的動力學過程以及相互作用．最后還需分析各種實驗方案所得到的結論是否合理，并對實驗方案進行優化，給出較為合理的結論，并以科技論文的形式寫出研究報告［11］．實踐證明：競賽可以培養學生嚴謹的科研態度和自信心，即“在以后的研究工作中，只要通過努力就能得到完美的結果”．但不足的是：這個“精英教育”過程存在著教學資源分配不均，少數學生受益，雖然每年在校內針對全校學生以科技節形式舉辦選撥賽，但多數學生還是沒有參與．另外，由于競賽是在學生經過第一、二層次物理實驗教學過程訓練之后，且已在掌握用物理實驗的方法去觀察、分析、研究物理現象的基礎上參賽，因此，大學生物理學術競賽具有彌補第一和第二層次物理實驗教學不具備的開放性、研究性等學生創新能力培養的缺失和不足．從這個角度上去看，第二層次大學物理實驗教學和大學生物理學術競賽兩者之間具有相互依存和補充的關系，如能將兩者相互融合起來，將有效地提高學生創新能力的培養．3．2大學物理第二層次實驗教學和大學生物理學．術競賽相互融合的方法由于每年的競賽題目來源于力學、熱學、電學、光學等日常生活物理和實際工程技術物理問題，因此，第二層次物理實驗教學和大學生物理學術競賽兩者的融合途徑主要有以下兩種：（1）將競賽成果作為第二層次大學物理實驗教學內容擴充．即深入總結和挖掘大賽的豐富資源和成果（包括競賽內容，所用的實驗方法及儀器），將其嵌入到第二層次大學物理實驗教學過程中去，讓全體學生受益．（2）在校內舉辦多場科技節，讓更多學生都來參與，全面提高大學生人才培養質量．如2019年大學生物理學術競賽第15題“牛頓擺”，該題是要研究一個球與多個彼此獨立且彼此接觸的同質等大的球構成的球鏈相互間的碰撞作用，如圖1所示，并研究擺受哪些因素影響停下來．這個競賽題可以和我校開設的、屬于第二層次物理實驗教學的碰撞打靶實驗相互融合，作為碰撞打靶實驗培養學生創新能力的教學拓展．碰撞打靶實驗其實驗原理是動量守恒定律和能量守恒定律，而牛頓擺的碰撞不能簡單用動量守恒和能量守恒定律來解決，因為牛頓擺的碰撞屬于一種球體（或球鏈）與球鏈之間的沖擊作用，需要建立新的模型，即質點和與之相聯的彈簧構成的模型［12］，來考慮球與球鏈之間碰撞過程中的變形，如圖2所示．圖1牛頓擺圖2質點－彈簧模型通過將動量和能量在球鏈上的傳輸過程等效為動量和能量在質點和彈簧之間的傳輸來解決傳輸過程中的能量耗散．這種牛頓擺的分析模型具有很好的開放性和研究性，如融入到碰撞打靶實驗中，引導學生采用以上模型，應用計算機進行數值模擬分析碰撞結束后飛出去小球個數、反彈回來的小球個數以及小球各自的速度，并通過實驗驗證數值模擬分析的正確性，可以讓學生得到一次系統的科研訓練，既提高了學生的理論水平，又能提高學生對科學實驗的興趣，我們的教學經歷證明了這一點．

4結束語

本文探討了大學物理實驗教學體系中第二層次實驗教學與全國大學生物理學術競賽以及大學生創新能力培養之間的關系，分析了大學物理實驗第二層次教學和大學生物理學術競賽中存在的學生創新能力培養不足的問題．在此基礎上，提出了在大學物理實驗教學中，提高學生創新能力培養的兩種有效途徑：（1）深挖第二層次實驗教學中學生創新能力培養的內涵；（2）將全國大學生物理學術競賽成果融合到第二層次大學物理實驗教學中．并通過雙光柵實驗和碰撞打靶實驗實例對兩種有效路徑進行了說明．我們的教學實踐證明，上述兩種途徑確實有效地提高了物理實驗教學中學生的創新能力，有效提高了大學物理實驗課的教學質量，為進一步深入開展大學物理實驗教學改革奠定了基礎．

作者:曹峰 鄧柏昌 陳浩基 單位:哈爾濱工業大學