2021-4-10 | 物理实验论文
一、优化实验内容，培养学生的创新能力
设计性实验介于基础性实验与实际科学实验之间，是在学生完成一定数量的基础性、验证性及综合性实验之后，对实验的全过程进行科学训练的实验课题。实验课题一般由实验中心综合考虑教师的意见后提出，由实验室为学生提供实验条件。学生根据实验课题研究的内容，自行搜集并阅读相关的参考资料，综合比较各种实验方法实施的可能性、适用条件、实验的准确程度，根据实验室提供的实验条件，推证理论，选择相对完善的实验方案。实验方案确定之后，应根据实验方案的原理和实验精度要求，选择测量误差较小的测量方法。应综合考虑分辨率、准确度、量程和价格四因素，根据误差的等作用原理选择合理、配套的测量仪器。在测量中，要确定最有利的条件，选择合理的数据处理方法，分析各种误差产生的原因，从数据中判断系统误差是否存在，寻求减小或消除实验系统误差的方法，以提高实验质量，如进行“简谐振动的研究”、“设计和组装热敏电阻温度计”、“测定平行电流间的磁场力”、“球坑法测定薄层厚度”、“导热系数的智能测量”等设计要求较高的实验。这样，按照实验内容分成不同的阶段，构建从易到难、从基础性实验到综合设计性实验、从实验知识和技能的学习到科学思维训练和创新能力培养的大学物理实验教学课程新体系，以满足不同专业、不同知识基础学生的需要，使优秀人才得到更大的发展空间。
在当今新技术迅速发展的时代，物理实验课程应该是被新技术、新手段不断改造、不断填充的开放系统，是不断改革、不断发展的动态教学体系。要使物理实验教学与科学技术的发展相适应，做到与时俱进，教师在实验教学中应把握课程前沿，有意识地增加一些应用性或涉及现代高新技术的实验项目，如太阳能电池技术、传感器技术、计算机智能检测、光纤技术、共振技术、光学信息处理技术、微弱信号检测技术、光谱技术、混沌、纳米材料和薄膜制备技术等与现代科学技术相融合的知识和内容，增加与“诺贝尔物理奖”相关的实验项目，使现代科学技术研究成果渗透到传统的物理实验课程内容中，及时反映学科最新进展，激发学生对实验课程的兴趣和科研热情，培养他们的科学思维能力和创新能力。
物理实验与其他自然科学相互渗透，有了越来越多的交叉点。物理实验课程不仅是理工科学生进行后续科学实验训练的重要基础，也是许多非物理类专业学生的必修课程之一，而这部分学生群体应该引起我们的关注。为了体现因材施教的原则，对于跨专业的学生应开设一些与其所学专业相关的实验项目，这些体现物理理论在其他专业应用的实验项目，能使学生在物理实验中充分感受到物理科学在实际工作和生活中的应用，培养学生学以致用的思想，调动其学习热情，激发其求知欲望。
例如，偏光显微镜部分的实验教学是地质专业的特有实验教学内容，但地质专业课上侧重的是与镜头材料性能相关的光的偏振知识，很少涉及显微镜的工作原理及组装等教学内容。所以，在对地质专业学生进行偏光显微镜组装的教学实践中，可以把专业课和实验课强调的重点加以整合，在传统显微镜组装实验的基础上，结合光线的偏振原理，对内容进行加深和扩展，增加组装偏光显微镜的实验教学内容。对于环境科学专业而言，应根据其专业特点，增加环境噪声的测量实验，使学生在进行基本实验操作技能训练的同时，加深对环境专业相关理论的理解，为后续的环境专业课程学习奠定扎实的基础。再如，渗流场与电场具有相似性，在油田开发专业的学生做振荡电路实验时，可以启发学生利用该电路模拟油田的产液变化。
二、实施多样化教学，提高学生的科研素养
（一）设立废旧仪器实验室
废旧仪器实验室能够实现废物再利用，是一种变废为宝的措施。应充分利用实验室提供的物质和空间资源，集中已老化报废但部分部件仍能正常使用的已淘汰废旧设备，配以仪器的使用说明或者搜集到的相关图片、文字资料，收集各类废旧家电、工具、仪器设备、配件等，再配备计算机，设立废旧仪器实验室。废旧仪器实验室是物理实验爱好者的乐园，学生通过仔细研读仪器使用说明书、图片或者利用网络资源查阅文字资料，面对实物了解仪器的构造、基本原理和使用方法，这不仅有利于学生对教材内容的真正理解，而且有助于培养学生的自学能力、动手能力。教师可以向学生展示以往破坏性操作的后果或进行实地演示，让学生明白规范化操作的必要性，为学生在以后的实验操作中养成良好的操作习惯打下基础。学生还可以自行设计小制作，动手拆卸出废旧家电、仪器设备中的有用部分，对各部分进行组装。虽然小制作的功能还不够完善，制作也很粗糙，但学生在亲自动手、动脑的活动中体验到学习的兴趣、成功的快乐，这样的体验能使学生终身受益。在学习过程中，学生还可以对仪器进行维修，成为实验室工作的小助手，激发学生的学习兴趣，使其感觉学有所用。在废旧仪器实验室，学生通过对仪器改进的方案进行验证，以检验改进方案实施的可行性，培养创新思维。废旧仪器实验室还可以为实验课程中未能顺利完成操作的学生提供再一次学习的机会，使他们学会排除实验中的故障，对实验有更深刻的认识。
（二）开设公选课
高校应以素质教育为目的，以物理废旧实验室和物理演示实验室为基地，对全体在校学生包括文科学生开设《大学物理演示实验》、《物理实验发展史》、《物理现象探索》等公选课程，供学生选修。可以重点关注物理实验发展史中对物理学的发展、人类的进步起到关键作用的重要实验，如赫兹的电磁波实验、杨氏双缝干涉实验、卢瑟福的粒子散射实验、密里根的油滴实验等，讨论这些实验在物理学发展进程中的历史重要性、严谨的实验思想以及别具匠心的设计理念。教师在讲课过程中可以引入名人案例，利用榜样的力量感染学生，用科学的世界观武装学生，使学生明确物理实验的意义，并在回溯物理发展历史过程中的著名实验时得到人生的启示。应开放物理废旧实验室和物理演示实验教学基地，让学生亲自动手操作仪器，仔细观察物理现象并进行思考，使其加深对物理世界的感性认识，强化对物理概念、物理规律的理解，体会到实验思想的严谨、实验设计的巧妙，培养其理性思维方式，提高其创新能力和科学观察能力。
（三）开展多媒体课件制作竞赛
大学生的电脑操作能力普遍较强，想象力丰富，思维活跃，具有很大的智力潜能和实验学习的主动性，这有助于教师转换思想，接受新的理念、方法，从而提高教学质量。可以尝试由学院牵头、物理实验室负责、学生会组织，选聘相关专家和学生代表为评委，在实验课的中期或后期，开展物理实验多媒体课件制作竞赛。物理实验室应在学期前期安排好竞赛时间、与物理实验项目相关的实验选题、评选规则等实施方案，方便学生早做准备，学生则以自愿报名的形式参与。为了鼓励学生积极参赛，除适当的物质奖励外，还可以在期末实验考核和综合测评中对获奖学生给予不同程度的加分奖励。参赛学生必须在实验课前、课中和课后做大量充分、细致的工作：课前要认真预习，明确实验目的、实验思想和重要仪器的使用方法，必要时查阅资料，做到思路清晰；课中要认真操作，熟练掌握基本操作规则，准确记录原始数据，及时发现实验中可能遇到的故障，并分析原因、找出排除故障的方法；课后要认真进行测量数据处理，并就如何减小实验误差进行讨论，对实验疑点、相关知识进行拓展学习。开展多媒体课件制作竞赛，能够充分发挥学生的想象力及创新能力，为学生搭建一个展示自我、勇于创新的平台。
（四）引导学生参与实验研究和科研活动
俗语说“：授人以鱼，不如授人以渔。”进行物理实验教学，不仅要让学生了解实验应该如何做，还要知道为什么这样做，更要思考可以做什么。教师在实验课教学过程中，要积极引导学生结合物理实验课程项目，应用先进的实验方法、实验技术和手段，主动参与物理实验研究和实验室科研项目，在学习物理实验基本理论、获得科学操作技能的同时，有效培养其创造性思维和科学实践能力。实验研究包括物理实验方案的改进与设计方法讨论、异常实验现象的产生因素及改进措施分析、实验仪器的改进和维修方法的探讨、实验故障的产生原因及排除故障的方法研究、实验数据处理方法及实验误差分析、实验失败的原因及解决办法研究等。
例如，在“静电场模拟”实验中，传统的静电场描绘仪是以导电纸或水作为两电极间的电介质，大多使用双层结构的描绘仪，采用等臂记录法来描绘，用数字电压表观测等电位点，这种设计存在缺陷，不能很好地描绘静电场，学生反映实验误差太大。教师可以引导学生查阅资料，综合利用物理、化学知识多方位地进行设计、改进，提出可行的改进意见，并用实验进行验证。在“分光仪的调整和使用及三棱镜折射率的测定”、“用光栅测光波波长”、“用分光计进行光谱定性分析”等实验中，分光计作为这些实验的重要仪器，经过不断演变和改进，设计更加科学，结构也更加精密、复杂，其使用和调整都有严格的规范要求，这对于初次接触分光计的学生来说是严格的考验。部分学生在调整分光计时，对载物台调平的操作虽花费了大量时间，仍不能达到很好的调平效果。
教师可以适时组织“分光仪载物台快速调平法”的讨论，引导和鼓励学生积极思考和解决这个问题。这样的讨论能够激发学生探究问题的兴趣，并鼓励优秀学生脱颖而出。另外，教师可以积极组织并有意识地引导学生结合所学专业和个人兴趣，积极参与教师和实验室的科研项目，以增加师生间的交流，激发学生的学习热情，为其自我能力的提升提供平台。例如，机械和电子专业是集机械、电子技术、信息处理、计算机等技术为一体，以计算机应用为特色的综合性学科，这种机电一体化应用的专业特色可以应用到实验仪器的设计和制作中，实现实验仪器的更新改造。计算机科学与技术专业的学生具有扎实的理论基础、较强的程序设计和软件开发能力，可以参与实验软件、实验教学软件的开发和应用等研究，以培养学生的综合实践能力和创新能力，满足学生学以致用的成就感。
三、利用现代教学手段，提高实验教学质量
应改变传统的黑板加粉笔的教学模式，以适当的黑板板书为辅助，利用现代教学手段，制作穿插图片、动画、音视频、虚拟现实等材料的高质量多媒体课件，建立网络教学资源库，引进网络仿真实验，实现物理实验教学的信息化和网络化，丰富教学内容，增加实验教学的趣味性，培养学生主动参与、主动探索、主动思考的能力。尤其是对于利用常规方法进行图形和数据处理比较困难的部分实验项目，利用计算机进行处理就比较容易完成。利用CAI教学课件作为辅助教学工具，可以将复杂的图表、实物图、电路图等通过图像、声音、动画、影像等形式形象地展示出来。仿真实验可以利用计算机技术把实验原理的理解、实验仪器的结构、实验的教学内容、实验报告的书写、教师的指导和学生的操作活动有机地结合起来，将一些因实验室客观条件限制还未开出的实验项目，通过模拟物理实验在计算机上完成，其效果甚至好于实际实验的效果，能方便学生自己安排时间进行预习、操作及复习。现代化的实验教学还能促使学生在校园网上反复查阅教师课件等教学资料，以提高实验效果，并对一些疑难问题及实验方法、技术和仪器改进方面的想法在网上随时与教师进行交流和讨论，教师要鼓励学生提出改进性建议，设计出科学合理的方案，培养学生的科研能力。教师还可以利用校园网络及时公布学生每次实验的评定情况，使学生及时了解自己的实验成绩和存在的问题，如果需要，可以随时预约重做实验。
四、实行开放式教学，强化因材施教
实行全方位、多层次的开放式实验教学，不只局限于时间和空间的开放，更重要的是教学内容、方法和手段的开放，是观念意识的开放。开放性实验室可以实现对外联网，给教师和学生带来极大的方便。
（一）有助于体现以人为本的原则
学生登录校园网的网上选课系统，根据教务处对实验的课程安排，结合自身的实验基础、兴趣爱好和所修专业的特点，可以自主选择实验时间和实验题目。这体现了以人为本、因材施教、因人而异的原则，满足了不同需求、不同层次、不同专业学生的要求，有效推进了数字化校园建设。在物理实验室开放教学的模式下，学生可以有目的地选择与专业相适应的物理实验，通过物理实验充分感受到物理科学在实际工作和生活中的应用，培养学以致用的思想意识。开放的物理实验室使学生在时间和空间上有了更大的灵活性，为学生安排学习时间、制定学习计划和发展方向带来极大的便利，符合当今社会所倡导的自主化、人性化管理理念，对实验教学管理工作的信息化、网络化建设具有促进作用。
（二）有助于学生完成课前预习和数据处理
开放的实验可以将实验教学内容的预习和数据处理的环节安排到实验室课上完成。与理论课相比，实验课的一个重要特点是要求学生能够多思考、多分析，独立完成实验操作，所以，明确实验任务、了解仪器的结构功能及操作要领、掌握误差来源及减小误差的方法等实验前的预习工作尤为重要。但是，传统的实验前预习只限于对实验教材的阅读及撰写预习实验报告，学生从教材上生涩的专业术语、模糊不清的仪器结构图中感觉实验内容枯燥乏味或看不懂，只能盲目地抄袭实验讲义，以应对教师的课前检查，这样不仅浪费了学生的时间和精力，不会对实验教学有所裨益，而且会影响学生对实验的兴趣。让学生进入实验室面对实验仪器有针对性地进行实验前预习，可以使难以理解的内容变得生动、易懂，学生的兴趣大增，预习质量明显提高，避免了以往实验前预习的诸多弊病。学生可以在课堂上进行数据处理，教师可以当堂进行批改点评，对实验报告中出现的问题及时加以纠正，不断总结教学经验，调整和完善课堂教学内容，探索适当的教学方式。
（三）有助于培养学生的创造性思维
开放的实验室可以弥补课堂教学时间的不足，为实验课内不能顺利完成实验或实验失败的学生提供完成实验或者重新实验的机会。在开放实验室的时间内，学生还可以做一些难度较大或者感兴趣的实验项目，充分发挥自身潜能，培养独立思考、积极探索、不断创新的精神和永不满足、追求卓越的态度。例如，在“拉脱法测定液体的表面张力系数”的实验中，有些学生在完成实验测定后，希望探索温度对液体表面张力系数的影响、液体表面张力系数与液体中所含杂质浓度的关系。学生通过查阅大量文献，设计实验方案，在课余时间进行实验，充分发挥实验设备的潜力，以最少的投资发挥最大的效益，使课内实验与课外开放实验有机结合起来，满足学生求知和创新的欲望。开放式教学模式可以为学生主动学习和个性发展创造良好的外部环境，满足其求知、探索和创新的欲望，侧重于创新精神与能力的培养，体现以人为本的教学理念，可以有效解决当前实验教学中存在的问题。
五、完善实验考核制度，保证教学效果
实验考核是检验实验教学效果的重要手段，是实验教学改革的基本组成部分，也是实验教学工作的重要环节。完善的考核制度能够客观反映学生的理论知识水平、操作技能，科学评定学生的综合实践能力，培养学生严谨的治学态度、实事求是的工作作风和开拓创新、不断探索的精神。针对学生不注重平时的实验操作过程，抄袭、修改或编造数据的不良作风，对学生的实验课程成绩可采用“课程总评成绩100％＝平时成绩60％＋期末实验操作测试成绩40％”的折算方式来进行评价。在总评成绩中，平时成绩比例要加大，目的是鼓励学生重视平时的实验，以提高实验操作水平。平时成绩涉及的评定因素较多，包括出勤、实验预习情况、实验操作完成情况、实验结果和实验报告质量等，教师要善于观察，做好平时的实验记录，做到客观公正、实事求是。另外，教师还要考察学生是否能独立地排除实验故障，课堂提问、课堂讨论、提交作业及工作态度等情况都可以用来综合考察学生，评定学生的学习情况。其中，实验操作及动手能力是学生实验过程的关键，教师要进行巡视考察。对于学生的实验报告，要考察实验数据的真实性、数据处理方法、误差的计算、实验结果的误差及分析、异常现象的解释等。
为了对学生的实验教学进行更全面的考核，突出对学生实验操作技能的考核力度，教师不能只看实验报告，要杜绝抄袭报告的现象。具体的做法是，在学期期末，教师选取一些以实验基本操作技能为考核重点的题目，学生随机抽取题目后，经过30分钟的准备工作，在规定的时间内独立完成实验操作，回答实验涉及的问题，并当场完成实验报告的撰写。教师要在学生的操作过程中进行巡视，观察学生实验操作的规范性和熟练程度以及数据记录、实验结果处理、解决问题方法、台面整洁与否等实验习惯。对于综合性、设计性、应用性实验项目，尤其是涉及物理知识与学生所学专业相关的项目，要通过考察设计实验方案、撰写实验论文等方式进行综合考核。对于在多媒体课件制作竞赛中获奖以及在实验研究和科研活动中表现突出的学生，可以在期末实验操作测试和期末综合测评中给予不同程度的加分奖励。总之，应不断完善实验考核制度，促使学生在研究中勤于观察思考，善于发现问题、分析问题和解决问题，激发学生进行实验研究的积极性、主动性和自觉性，进一步提高学生的综合素质，实现创造性思维和创新能力的培养。
六、结束语
大学物理实验教学相对于理论教学来说，更具有直观性、实践性和创造性。实验教学可以引导学生充分发挥主观能动性去思考问题，探讨最佳实验方案，参与实验研究和各项科研活动，而不是变成按照“操作指令”运转的“机器人”。大学物理实验教学应适应时代和科学发展的要求，不断求思、求变，通过教学改革，培养学生严谨的科学实验态度、坚实的科学实验基础、扎实的实验操作技能、勇于开拓的创新思维和坚忍不拔的创造精神，使他们成为具有创新意识和科研能力的高素质应用型人才。
作者：李青 单位：山西财经大学环境经济学院