物理實驗教學內容與實踐探討

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摘要:為了促進教學和科研相輔相成，共同發展，推動物理實驗教學發展，需要將科研成果拓展為物理實驗教學內容。本教學改革項目從兩方面入手，一是在課堂教學中引入最新科學發展前沿內容，二是將高壓電暈電場與生物質相互作用引入物理實驗課程等。經過3個學期的教學實踐發現，將科研成果拓展為實驗教學內容，可以更好地吸引學生課堂注意力，激發學習興趣，增加課堂知識更新率，培養學生在物理實驗中尋找科研題目的能力，從而喚醒學生創新意識，提高創新能力，也可對本科生提前進行科研基本素養訓練。

關鍵詞:科研成果;教學內容;創新實踐

著名物理學家密立根曾說:“科學靠兩條腿走路，一是理論，一是實驗，有時一條腿走在前面，有時另一條腿走在前面，但只有兩條腿才能前進。”其實對高等教育的發展來說，何嘗不也是要靠“教學”和“科研”兩條腿來走路，只有這兩條腿相輔相成，一起向前，才能推動高等教育的發展。因為教學和科研是高等院校工作中不可分割的兩個方面［1］。教學工作是給學生講授已知的成熟的知識，目前的教學工作已經融合了各種有效的教學手段如翻轉課堂、慕課(MOOC)、微課等。通過有效的教學方式把已有的知識講解明了，使學生對相關知識體系和相應的知識點能把握整體，明了細節，以達到學通、學懂、學會的目的，同時培養學生用已學知識解決實際問題能力，做到學有所用，學為所用;科學研究則是引導學生運用一些科學思維、科學實驗、科學方法對未知領域的探索研究，重在培養學生分析解決未知領域問題的科學思維和能力。教學和科研是互相融合、互相促進的關系，正如德國著名學者雅斯貝爾斯所言，尤其重要的是教學要以研究成果為內容，因此教學與研究并重是大學的首要原則［2］。物理學是一門以實驗為基礎的學科，物理學的實驗思想、方法和技術是各學科科學實驗的基礎，所以物理實驗教學是培養創新人才必不可少的組成部分，對學生科學思維、科學實驗、科學方法的養成具有重要作用。當前物理學科的迅速發展對物理實驗課程的教學提出了新的要求，因此，物理實驗內容需要進一步拓展并與最新的科研成果接軌，使最新的科研成果及現代科技滲透到傳統的物理實驗課程內容之中，將科研成果拓展、融入物理實驗課程教學內容之中，激發學生學習物理的興趣，培養學生創新能力和創新意識，以及用科學思維、科學實驗、科學方法解決未知問題能力，這將有助于提高學生綜合應用知識的能力、掌握進行科學實驗的基本方法，以適應新時代學生的發展要求。為此，近些年，課題組開始將一些科研成果拓展為大學物理實驗教學內容，進行系列研究與實踐。這方面的教學改革主要從以下兩方面入手。

1在課堂教學中引入最新科學發展前沿內容

大學物理實驗中，有些題目比較經典，一直延續了幾十年，學生認為這些題目知識比較陳舊，對這些題目的學習興趣不高。其實可以換個角度考慮問題，因為大學物理實驗大部分題目是針對經典物理學中的一些知識內容所設計，不管的物理實驗題目多么陳舊，總是可以把實驗內容與最新的科學發展前沿領域相聯系。既可以讓學生覺得實驗是有意義的，又可以讓學生領略科學研究的進展。

1．1磁場分布測量實驗中引入科學發展前沿內容

在磁場分布測量實驗中，給學生介紹我國在合肥建立的強磁場國家中心，特別是強磁場在生物醫學中的應用，這就是大家在大學物理實驗中認識的磁場的魅力之一。還可以給同學們介紹我國的東方超環，簡稱EAST。該實驗裝置是用來實現可控核聚變的。核聚變的燃料是氘和氚，要發生可控制的核聚變反應需要超高溫和超高壓。大約需要1億攝氏度。而在如此高的溫度下任何固體容器都會化為灰燼。而用來約束這些高溫高壓的等離子體的物質就是磁場。2016年我國宣布，在全球首次實現了穩定的101．2秒穩態長脈沖高約束模等離子體運行，等離子體溫度達到5000萬℃，創造了新的世界紀錄，為人類開發利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術基礎。這是大學物理實驗中認識的磁場的又一魅力。

1．2在組合干涉儀實驗和固體線膨脹系數測定實驗中引入科學發展前沿內容

在組合干涉儀實驗或固體線膨脹系數測定的實驗中，用到了邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜本人也因為這一貢獻獲得了1907年的諾貝爾物理學獎。2017年，三位來自美國的引力波研究專家雷納·韋斯、基普·索恩以及巴里·巴里什榮膺當年諾貝爾物理學獎的殊榮，以表彰他們對激光干涉引力波天文臺(LIGO)和觀測引力波所做出的決定性貢獻。LIGO是laserinterferometergravitationalwaveobserv-atory的縮寫，是借助于激光干涉儀來聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。截至目前，LIGO由兩個干涉儀組成，每一個都帶有兩個4千米長的臂并組成L型，它們分別位于相距3000千米的美國南海岸Livingston和美國西北海岸Hanford。每個臂由直徑為1．2米的真空鋼管組成。換句話說，LIGO就是一個放大版的邁克爾遜干涉儀。1916年，愛因斯坦提出了廣義相對論，他認為任何有質量的物體加速運動都會對周圍的時空產生作用，這個作用就是以引力波的形式發生的。三位美國物理學家也因利用改進后放大版的邁克爾遜干涉儀探測到了引力波，從而證明了100年前愛因斯坦廣義相對論的正確性。愛因斯坦和他的廣義相對論，同學們都是熟悉的，引入這樣的科學發展前沿內容可以引起學生對這兩個實驗題目的興趣和好奇，而好奇可以推動學生理解背后原理。

1．3在熵和熱機實驗中引入科學發展前沿

在熱機效率實驗中，熵的概念比較抽象難懂，引入了美國賓夕法尼亞大學物理和天文系的幾位科學家合作的一個有趣的實驗。實驗結果在物理學的頂級期刊《物理評論快報》上發表。科學家先將一個直徑只有0．474微米“大球”放入梨形容器里。通過長時間多次光學攝影觀察，發現到這個大球可以出現在這個容器中任何一處。接下來，又將很多的更小的球(0．084微米)放了進去。這時候，從攝影照片看，大球基本上只能待在邊上了。這個結果是如何發生的呢?其實，這樣的結果是由于熵力(entropy)的作用。熵是表征體系自由度的一個物理量。容器中的大球、小球都在不停地做隨機運動，同時小球也在不停地從各個方向撞擊著大球。每一時刻，大球在不同方向上受到的小球撞擊一般來說是不一樣多的(因為容器是有限大小的)，大球就會因為受力的不同而向某個方向運動。當大球碰到了容器壁的時候，陰影部分面積就減小了，因為大球周圍的陰影部分和容器壁的陰影部分面積有了重疊。這說明，小球可以去的地方就變大了一些。那么體系的自由度也就變大了。物理規律說一個封閉的體系總是要趨向于熵最大，也就是熵增加原理，這說明封閉體系更喜歡自由度大的情況。這樣一來，大球由于受這個規律的制約就跑到容器邊緣上待著。經過教師這樣講解，同學們對熵增加原理就有了較深體會和認識，也增加了大學物理實驗的趣味性。

2將高壓電暈電場與生物質相互作用引入物理實驗課程

近年來，課題組共承擔3項有關高壓電場與生物質相互作用的國家自然科學基金項目和5項內蒙古自治區自然科學基金項目。同時還承擔2項有關科研與教學促進方面的內蒙古工業大學教學改革項目。在這些項目基金的資助下，教學改革取得了一些成果，在近年將高壓電暈電場與生物質相互作用研究取得的系列成果轉化為《物理興趣與創新實驗》選修課及《大學生創新實驗》課程的一個教學內容，以構建具有綜合物理及生物學知識、強化實驗技能訓練和將基礎知識運用于科技前沿研究特點的實驗教學模式。這樣不僅使教學內容更加新穎，而且也使學生消除了對科研的神秘感，提高了學習積極性，開闊了思路，培養了創新意識。

2．1將電場干燥技術拓展為物理實驗教學內容

高壓電場干燥技術［又稱為Electrohydrodynamic(EHD)干燥］是一種新型的干燥技術，它是通過將被干燥物料放在下極板上，然后給上極板(平板、針狀、線狀等不同形狀82的電極)加一定幅度的直流或交流高電壓，在兩電極間形成電暈電場實現物料干燥。日本的淺川1976年就發現了“淺川效應”，即在高壓電場下，水的蒸發變得十分活躍，施加電壓后水的蒸發速度加快，并認為電場消耗的能量很小［3］。但一直到了20世紀80年代末期這個現象才受到重視，人們逐漸研究起來，并且放到了一個新興學科里面———電流體動力學［Electrohydrodynamic(EHD)］。本文作者丁昌江教授通過高壓電場干燥技術對多種物料進行研究，發現高壓電場干燥不但干燥速度快，而且具有能耗低、不污染環境、干燥均勻、物料不升溫、還可殺滅細菌的優點，并能很好的保存物料的有效成分［4］。與對流干燥和冷凍干燥相比，該技術具有設備設計簡單、造價低、運行費用低等優點［5］。拓展的物理實驗教學內容為:對高壓電場干燥枸杞過程當中的一些參數(如電壓參數、干燥速度、含水量、電極形狀等)進行比較細致、系統地統計，得到比較全面地枸杞在高壓電場中的干燥特性數據;對干燥后枸杞干制品的一些指標(如顏色、收縮率、復水率等)進行測定，對干制品的品質進行分析，及不同電壓參數下品質的比較，找到品質和電壓之間的規律。同時，讓學生對高壓電場干燥技術機制有初步的了解，并鼓勵學生探索其他機理解釋。

2．2將分析電暈放電產生的低溫等離子診斷拓展為物理實驗教學內容

高壓電暈電場是指能產生局部電暈放電的電場。在非均勻電場中，電極的尖端處電力線最集中，電場強度也最大。當加上高壓后，由于空氣游離會在電極附近產生局部放電———電暈放電。近年來，這一技術被拓展應運于生物誘變及轉基因［6-9］。近期課題組又申請了專利，國家專利局已授權實用新型專利。多針-板電暈電場可以產生電暈放電，而電暈放電可以使空氣電離產生較多低溫等離子體，這些等離子體由OH、H2O2、O、N+、N2+、O2-等自由基、活性原子和正負離子組成，這些低溫等離子體在電場作用下會被加速而形成離子風，進而與處于電場的物質發生相互作用。作者認為，正是電暈放電才引起生物誘變，所以對電暈放電產生的等離子體進行診斷，揭示不同電場參數下電暈電場中產生的低溫等離子體的各種參數，電暈放電所產生的低溫等離子體對高壓電暈電場誘變效應的貢獻率。拓展的物理實驗教學內容為:用發射光譜儀測量不同放電時間、不同電壓、不同電極間距、不同環境濕度下針板電暈電場所產生等離子體中的物種成分、空間分布、粒子相對密度等多種重要參數，進而讓學生了解處于此種電場中的生物體受電暈放電所產生的低溫等離子體的影響程度。

3結論

總之，為了突出“教學”和“科研”兩條腿相輔相成走路，推動物理實驗教學的發展，嘗試了以上兩種方法。這樣改革將最新的科研成果或項目滲透到傳統的物理實驗課程內容之中，注重物理學和生物學的交叉，將有助于提高學生綜合應用知識的能力。另外，高壓電暈電場與生物體相互作用研究是實驗中心教師的主要科研方向之一，通過將教師的部分科研成果轉化為物理實驗教學內容具有一定特色。學生的實驗教學內容與科研、工程、社會應用實踐密切聯系，使學生掌握進行科學實驗的基本方法，激發學生學習物理的興趣，培養學生創新能力和創新意識。

作者：宋智青 丁昌江 陳浩 單位：內蒙古工業大學理學院