非物理专业大学物理实验课程改革的研究

摘要:大学物理实验作为理工科学生必修的一门基础课程,在培养学生的创新能力,动手能力和分析解决实际问题的能力上有着不可替代的作用。针对目前高校物理实验课普遍存在的学生学习兴趣下降,教学质量降低的情况,从实验课程的设置上改革,提出根据学生的具体情况采取分专业、多层次的教学和评价方式,从而调动学生的学习积极性和主动性,提高教学效果。

关键词:非物理专业;大学物理实验;基础课程;创新

作者简介:曹猛(1983-),男,回族,天津人,天津师范大学物理与电子信息学院,助理实验师,理学硕士,主要研究方向:凝聚态物理和大学物理实验。(天津 300387)

基金项目:本文系天津师范大学青年基金(批准号:52LJ14)、天津师范大学实验室改革研究基金(批准号:A200909)的研究成果。

大学物理实验是理工科学生进入大学后较早学习到的一门基础实验课程,是实验技能训练的开端,它在培养学生严谨的科学态度和工作作风、提高实验技能以及加深对物理理论的理解等方面均起着十分重要的作用。[1]然而目前通过对一些高校的调查以及教学实践表明,大学物理实验课程的教学效果却难以让人满意。这其中固然有学生动手能力差、实验仪器资源缺乏等客观因素的影响,但实验项目设置的陈旧、单一往往也很难激起学生学习的主动性与积极性。这一点在非物理专业的学生身上体现得更为明显,许多学生本身物理基础薄弱,对物理实验缺乏兴趣,认为这些课程与自己所学专业无关,因此对待实验的态度不认真,实验操作往往敷衍了事,实验报告抄袭严重,实验内容很快遗忘,远达不到教学培养目标的要求。[2-5]近年来,天津师范大学物理实验中心针对教学过程出现的种种问题以及学生的反馈建议,对非物理专业大学物理实验课程的设置进行了建设与改革。

一、减少验证性实验,激发学生独立思考

传统的大学物理实验多数以验证性实验为主,侧重于理论教学中经典理论或定律的验证,这类实验尽管可以巩固所学的理论知识,但由于学生在做实验之前就知道实验结果的正确答案,不能充分发挥学生的主观能动性和创造性,而且容易造成实验数据抄袭等现象,[6,7]因此要减少开设简单重复的验证性实验的个数。除去一些常用仪器的基本操作实验(如分光仪、示波器的调节使用)之外,我们在实验中尽可能地培养学生独立操作和思考的能力。例如可以对不同组别之间的实验配件有所区分。在薄透镜焦距测定实验中,我们在每个组之间采用不同焦距的透镜;在RC串联电路暂态过程实验中,我们给学生讲解可根据电阻和电容的值来计算电容器充放电的时间,但在实验过程中可以不告诉学生电阻和电容值或只告诉其中一个数值,让学生通过示波器测量出的时间的变化去推导其他未知的电容或电阻值,不同组之间的电子元件也可有所差异。这样可以培养学生举一反三和解决实际问题的能力。而且从实验内容的设置上就要求学生必须亲手操作,通过自己的思考来探知真理,从而增加他们在实验研究中的兴趣,防止出现学生不做实验猜答案、凑数据和抄报告的现象。

二、结合各专业学生的专业背景开设物理实验项目

对于非物理专业的大学物理实验课程,目前许多学校的做法就是从物理专业的普通物理力、电、光实验中各抽出几个组合起来,对于不同专业开设的项目和要求完全一样,没有考虑各专业自身的专业特点和认知结构。这样不仅许多学生觉得学习物理实验课没有用处而造成学习主动性下降,甚至一些其他专业的教师也认为该课程对本专业学生的能力培养起不到作用从而不断削减物理实验课的学时。对于这种情况,我们将物理实验与各专业的自身特点结合起来,针对不同专业开设不同的实验项目,让学生们都能体会到物理学的理论、实验方法和技术对理工科的各专业领域的指导作用。下面以天津师范大学(以下简称“我校”)电子、化学、数学三个专业的物理实验开设情况为例进行说明。

电子专业主要培养学生系统地掌握电子学与信息科学的基础理论、基本知识和基本技能,因此我们对于该专业的学生压缩力热实验的比例,增加电磁学实验的项目和难度,基本达到与物理专业电磁学实验同等的要求。但又要避免与该专业的专业课实验重复,因此我们主要开设一些以“场”为主的实验,比如电磁场的描绘、霍尔效应等,删除了一些与专业实验类似的电路实验,让电子专业的学生从物理学的角度来认识电磁学,为今后学习电磁场理论等课程打好基础。

化学专业与物理学联系紧密,该专业的大学物理课程一般开设于物理化学课之前,为学生学习物理化学课程提供基础知识。我们主要选取物理实验中与化学联系密切的一些领域,如热力学实验(固体、液体比热容的测定,导体的导热系数等),材料学实验(介电常数的测量,磁滞回线的测量等)和光谱实验(三棱镜色散曲线,光电效应)等领域。此外化学专业的学生往往动手操作能力很强,但惧怕繁杂的计算,因此对于该专业,我们降低学生在数据分析和处理方面的要求,而把重点放到实验操作过程和对实验现象的观察上,对化学专业的学生在实验仪器调节和仪器使用的规范性要求上要强于其他专业。

数学与物理学从古至今都是相互促进、相互发展的。物理学是数学应用最广泛和最成功的领域。对于数学专业的学生,我们强化他们误差分析以及数据处理方面的要求。例如在牛顿环实验中要求学生对测量误差以及不确定度进行讨论;在测量杨氏模量的实验中学会利用逐差法处理实验数据,在热敏电阻和三棱镜色散曲线实验中利用最小二乘法进行曲线拟合等操作,并培养学生运用计算机软件处理实验数据的能力。通过这些训练,让学生了解自己所学的数学知识在解决实际问题中的作用。

表1为我校为电子、化学以及数学专业开设的36学时大学物理实验课所规定的实验项目。从表中可以看出,前四个实验项目作为基本仪器的使用,它们是后续实验开展的基础,因此对所有专业的要求是基本相同的。其他的实验如前所述,对于不同专业开设的项目和要求均有所差异。这些实验都是物理专业普物实验中所要求的,因此开设起来实验设备上有保障。总之,我们要让不同专业的学生都感受到物理实验与该专业的紧密联系,针对不同专业学生的个体差异开设与其自身相适应的物理实验课程,从而激发学生对于物理实验学习的兴趣。

三、增加实验选做内容,针对不同水平学生采用不同要求

非物理专业学生物理基础不尽相同,即使是同一专业,不同学生之间物理成绩、实验动手操作能力也往往相差很大,如果对所有学生采用同样的要求,势必会造成有些学生在规定的时间内难以完成实验,而有些学生又觉得实验内容过于简单。面对这种矛盾,我们把实验内容分为必做部分和选做部分,对于物理基础较差的学生,只需完成必做部分的内容,达到该实验目的要求的基本目标即可。而那些对物理实验感兴趣,学习主动性强的学生,可以在此基础上安排他们进行选做部分的内容。选做部分既可以是对本实验内容的延伸和拓展,也可以是用其他方法对本实验结果的验证。例如在测量液体表面张力实验中,必做部分为用拉脱法进行测量,我们再放置2～3台毛细管法测量表面张力的装置,感兴趣的学生可以用此方法对测量结果进行验证、对照。在薄透镜焦距测量实验中,完成基本内容后,可以让学生研究如何利用平面镜辅助测量凹透镜的焦距。在示波器使用实验中,对于已经很快掌握模拟示波器操作的学生,可以向他们介绍数字存储示波器的结构和用途,并比较两种示波器的异同。在热敏电阻温度特性实验中,可进一步研究输出电压与温度的关系等。通过这种多层次的实验安排来满足不同学生的实验要求。

四、实验考核与评价方法的改革

目前多数学校大学物理实验的考核是通过抽签选择,然后独立操作完成一个实验。这种方法往往造成不同学生之间考试难度差异较大,考试成绩偶然性强等结果。对于平时实验操作认真规范的学生起不到鼓励作用。我们在改革中加大了平时成绩的比例,使之占到60%,并且在平时成绩中加入了操作成绩,由教师根据学生对实验的操作情况当堂给出。避免出现学生忽视实验操作,通过抄袭报告或篡改实验数据也能得到较高成绩的现象。通过实验考试与评价方法改革的尝试,学生平时对实验课的积极主动性有了明显的提高,提高了实验教学效果。

五、结束语

大学物理实验课程改革关系到诸多因素,我们既要体现这门课作为公共基础课的基础地位,也要根据各专业学生的具体情况采取分专业、多层次的教学方式。这次改革的目标就是调动学生的学习积极性和主动性,提高教学质量,发挥实验教学对培养学生动手能力和创新能力的功效,以培育出具有创新精神和实践能力的高级人才。

参考文献:

[1]吕斯骅,等.新编基础物理实验[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]姚列明,霍中声,祖小涛,等.将科研项目引入大学物理实验的尝试[J].实验技术与管理,2009,26(6):12-14.

[3]吕太国.大学普通物理实验教学体系改革探讨[J].高校实验室工作研究,2008,98(4):20-21.

[4]杨小静,季诚响,张民.提高大学物理实验教学质量的几点建议[J].大学物理实验,2009,22(2):106-108.

[5]程玮,冉维维.浅谈大学物理实验考核系统的改革[J].中国电力教育,2009,(12):120-121.

[6]贺雅奇.非物理专业大学物理实验课应对教育创新挑战的研究[J].大学物理实验,2009,22(2):99-102.

[7]俞熹,王煜.大学物理实验课程中的一些误区及改革[J].物理实验,2009,29(1):14-16.

(责任编辑:麻剑飞)

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