大學(xué)物理設(shè)計性實驗教學(xué)模式探究
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摘要:本文分析了傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式存在的問題，針對性地提出了一種設(shè)計性大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，通過該教學(xué)模式的實施，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)學(xué)物理實驗的興趣，同時促進了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的提高，將逐步實現(xiàn)應(yīng)用型本科實驗教學(xué)的改革和創(chuàng)新。
關(guān)鍵詞:大學(xué)物理實驗;設(shè)計性實驗;教學(xué)模式
1緒論
傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)過程分為三個環(huán)節(jié)，如圖1。首先，教師給學(xué)生講解實驗原理、實驗?zāi)康摹嶒瀮x器及實驗步驟等內(nèi)容。其次，教師集合學(xué)生，按照實驗步驟給學(xué)生詳細演示實驗操作過程。最后，學(xué)生觀察完實驗操作步驟后，按照教師的演示步驟進行實驗。由此可見，傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以教師為主體，學(xué)生為客體，實驗課教學(xué)模式過于“理論化”，實驗操作過程過于程序化，這種實驗教學(xué)難以調(diào)動學(xué)生的積極性，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新思維。另外，傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗課程驗證性實驗及經(jīng)典物理實驗內(nèi)容偏多，設(shè)計性實驗不足。這種知識體系下的實驗教學(xué)，難以促進學(xué)生進一步深入學(xué)習(xí)的興趣，也在一定程度上不能最大限度地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，需要對傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)實驗?zāi)Ｊ竭M行大膽創(chuàng)新，進一步提高課堂教學(xué)質(zhì)量。
2設(shè)計性實驗教學(xué)模式
本文提出一種大學(xué)物理設(shè)計性實驗教學(xué)模式［1］如圖2。首先，教師提出設(shè)計實驗［2］名稱，班級學(xué)生進行分組，每組學(xué)生針對實驗名稱，并結(jié)合實驗室現(xiàn)有的儀器，自己通過閱讀論文，查閱資料，網(wǎng)上搜集數(shù)據(jù)等形式確定設(shè)計實驗方案，并撰寫實驗方案報告。當(dāng)所有分組的學(xué)生完成實驗方案后，教師組織學(xué)生進行分組討論。如果相關(guān)分組的同學(xué)實驗方案［3］可行，則進入實驗室，利用實驗室現(xiàn)有的儀器，參考預(yù)先設(shè)計的實驗方案，進行實驗操作，完成實驗后，進行實驗數(shù)據(jù)處理。如果相關(guān)分組的同學(xué)實驗方案不可行，則該組同學(xué)需要重新設(shè)計實驗方案，待分組討論合理后，方可進入實驗室按照實驗方案操作實驗［4］。等待所有組別同學(xué)完成實驗且處理實驗數(shù)據(jù)后，每個組做好整個實驗進程的PPT，進行分組答辯。答辯過程中，任意同學(xué)可以進行答辯環(huán)節(jié)提問。待整個答辯流程結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生的實驗方案，實驗操作及實驗報告和答辯環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)給出最后的總評成績。
3設(shè)計性實驗教學(xué)模式實例
例如測量定值電阻阻值的設(shè)計性實驗教學(xué)中，學(xué)生先22進行分組，分組后每個小組設(shè)計實驗方案，通過收集學(xué)生設(shè)計的實驗方案，匯總后有多種實驗方案。第一個小組學(xué)生提出用伏安法測定值電阻的阻值，學(xué)生設(shè)計了實驗電路，先利用實驗室現(xiàn)有的儀器連接好電路，設(shè)計好記錄數(shù)據(jù)的表格，接著按照設(shè)計的實驗步驟進行實驗，每次實驗記錄電壓表的示數(shù)和電流表的示數(shù)，多次測量多組數(shù)據(jù)。當(dāng)學(xué)生測量完數(shù)據(jù)后，緊接著進行數(shù)據(jù)處理。這時授課教師給該組學(xué)生分配一項任務(wù)，討論實驗數(shù)據(jù)的處理方法，該組學(xué)生進行激烈討論，提出的數(shù)據(jù)處理方法有列表法和作圖法［5］，經(jīng)過授課教師的指導(dǎo)，該組學(xué)生選擇了作圖法進行數(shù)據(jù)處理，但作圖法結(jié)合了計算機軟件，使得處理數(shù)據(jù)更加快速、高效。當(dāng)該組學(xué)生完成電路設(shè)計及數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理步驟后，授課教師給學(xué)生提出幾個問題，一是如果實驗室只提供電流表而不提供電壓表，如何測量未知電阻的阻值［6］。授課教師要求該組學(xué)生進一步討論，最好能夠設(shè)計出電路圖。二是如果實驗室只提供電壓表而不提供電流表，如何測量未知電阻的阻值，授課教師引導(dǎo)學(xué)生進一步討論。第二個小組學(xué)生提出用直流電橋法測定值電阻的阻值。在用該方法測定值電阻時，第二小組的同學(xué)又提出兩種方法。第一種按照設(shè)計的電路圖連接好電路，電路中滑動變阻器用分壓式連接，滑動觸頭兩邊對應(yīng)的電阻記為R1和R2，電阻箱記為Rs，未知電阻記為Rx，檢查電路無誤后，設(shè)置不同的R1R2的數(shù)值，利用直接法的公式Rx=R1R2Rs計算未知電阻的阻值，最后將多個Rx的值求平均值，計算出待測電阻的阻值，緊接著交換未知電阻Rx和電阻箱Rs的值。第二種方法利用箱式電橋，連接好外圍電源，外接電流表，在箱式電橋中設(shè)置R1R2的數(shù)值，利用直接法公式Rx=R1R2Rs計算待測電阻的阻值，共測三次。第二小組同學(xué)在用自己搭建好的電路測試未知電阻時，閉合開關(guān)后出現(xiàn)若干故障。比如電流表的指針未偏轉(zhuǎn)，比如電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，比如電源出現(xiàn)報警，這時授課教師不要急于為學(xué)生解決存在的問題，可以提示學(xué)生可能存在的原因，該讓學(xué)生自己根據(jù)電路圖及實物電路查找問題，這樣鍛煉了學(xué)生的動手實踐能力，又提升了學(xué)生對電路的分析［7］能力。當(dāng)學(xué)生完成了整個實驗的電路設(shè)計及電路連接和測量實驗數(shù)據(jù)后，授課教師引導(dǎo)學(xué)生對實驗電路中經(jīng)常存在的故障及解決方法進行總結(jié)，并反思自主設(shè)計實驗教學(xué)［8］過程中的教學(xué)方法。一是要注意電路中是否存在短路現(xiàn)象，當(dāng)存在此現(xiàn)象時，應(yīng)該立刻關(guān)閉電源，重新回歸到實驗的電路圖，認真分析電路的串、并聯(lián)方式及分析清楚電路中的結(jié)點，主要是要分析清楚電流的流向。二是要注意電路中是否存在斷路現(xiàn)象，當(dāng)存在此現(xiàn)象時，學(xué)生也應(yīng)立即切斷電源，認真分析電路圖，檢查電路連接，必要時利用歐姆表等儀器判斷電路中具體位置是否存在斷路現(xiàn)象。這個過程中，有小組學(xué)生提出利用歐姆表判斷電路中具體的斷路位置存在一定的困難，這時授課教師應(yīng)該從最基本的理論講起，給學(xué)生講解該方法的原理，接著為學(xué)生親自演示操作的方法，最后為學(xué)生設(shè)置一定的實際問題，讓學(xué)生利用學(xué)到的原理及方法解決對應(yīng)的實際問題。三是要注意連接電流表時電流表串聯(lián)在電路中，而電壓表要并聯(lián)在電路中。四是要注意連接滑動變阻器時分清楚滑動變阻器的連接方式是分壓式還是限流式，要熟悉滑動變阻器的分壓式連接電路和限流式連接電路，大部分的學(xué)生對滑動變阻器的限流式連接比較清楚，但是對分壓式連接不一定清楚明白，所以授課教師要將分析滑動變阻器的分壓式連接作為重點內(nèi)容，詳細地為學(xué)生分析電流的流向，讓學(xué)生能夠熟練掌握滑動變阻器分壓式的連接。四是要注意連接電路時要斷開開關(guān)。在實驗課的教學(xué)過程［9］中，授課教師發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生連接電路時電源依然打開，這樣在連接電路過程中存在一定的安全隱患。五是要在電路連接完成后，測量前要先估測一下所需要的電壓表或電流表的量程，所選擇的電壓表或者電流表的量程不能過大或者過小。第三個小組學(xué)生提出用歐姆表法測待測電阻的阻值。在進行這樣的實驗之前，授課教師應(yīng)該讓學(xué)生熟悉歐姆表測的內(nèi)部簡單的電路圖。學(xué)生最好能夠親自繪制歐姆表內(nèi)部的電路圖。授課教師提醒學(xué)生在測量過程中，應(yīng)該用好試觸法。當(dāng)學(xué)生用該方法測量完待測電阻的阻值后，授課教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)使用歐姆表需要注意的一些問題，一是測量電阻的時候，每一次換擋都應(yīng)該進行歐姆調(diào)零。二是測量時應(yīng)該使指針盡可能在滿刻度的中央附近。三是測量的時候被測電阻和電源以及被測電阻和其他的元件要斷開。四是測量時不能用雙手同時接觸表筆。第四個小組同學(xué)提出數(shù)字式歐姆表法。隨著科技技術(shù)的不斷創(chuàng)新，集成電路技術(shù)以及數(shù)字技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，實際的工程應(yīng)用中已制成各種各樣的新型的電阻測量儀器。數(shù)字式歐姆表是將電阻變換成電壓，接著用模數(shù)轉(zhuǎn)換式電壓表測定電壓的數(shù)值，最后從電壓來確定待測電阻的數(shù)值。該組同學(xué)設(shè)計的實驗方案是合理的，但授課教師提醒學(xué)生設(shè)計實驗方案時應(yīng)考慮實驗室現(xiàn)有的條件及已有的儀器。第五個小組學(xué)生設(shè)計了利用等效替代法測量未知電阻的阻值。授課教師要求學(xué)生獨立設(shè)計電路，學(xué)生設(shè)計了電路圖，同時，教師要求學(xué)生設(shè)計好詳細的實驗步驟，提出實驗過程［10］中需要注意的問題，并設(shè)計好實驗的表格。學(xué)生設(shè)計完電路后，教師詳細檢查學(xué)生設(shè)計的電路圖，確保設(shè)計的電路無誤后，教師要求學(xué)生按照設(shè)計的電路圖連接實物電路，并且按照設(shè)計的實驗步驟進行實驗。
4設(shè)計性實驗教學(xué)模式效果反饋
在平時的教學(xué)過程中，選取三個班級采用傳統(tǒng)的大學(xué)物理實驗教學(xué)方法［11］，選取另外的三個班級采用設(shè)計性實驗教學(xué)模式［12］，經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)過程，對授課學(xué)生進行問卷調(diào)查，學(xué)生對設(shè)計性實驗教學(xué)模式反饋如下，一是該教學(xué)模式提升了自身的學(xué)習(xí)興趣，更有動力去探索未知的問題，二是從被動地接受知識轉(zhuǎn)化為主動地、自覺地吸收知識，三是學(xué)生通過查閱大量資料，無論是閱讀小論文，還是網(wǎng)上查閱相關(guān)文獻、新聞，都無形中增強了學(xué)生查閱書刊資料的能力，四是學(xué)生在設(shè)計實驗過程中能夠積極分工，明確各自責(zé)任，在實驗過程中也能夠進行互相協(xié)作，增強了學(xué)生的團隊合作能力，五是學(xué)生能夠積極準備實驗器材，當(dāng)在實驗過程中遇到困難時，能夠獨立思考，盡自己最大努力解決實驗設(shè)計中存在的一些問題，同時也能夠積極處理實驗過程中遇到的某些問題。統(tǒng)計了學(xué)生對兩種教學(xué)模式的興趣程度，其中，學(xué)生對設(shè)計性實驗教學(xué)模式［13］的感興趣程度為96．5%，而對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式感興趣程度為80．10%。開展設(shè)計性實驗教學(xué)模式以后，授課教師對教學(xué)過程積極反思，有以下體會，一是教師需要進一步更新教育理念，始終要以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為根本宗旨，突出學(xué)習(xí)過程中實踐的重要性，積極引導(dǎo)學(xué)生改變學(xué)習(xí)理念及實驗方式，讓學(xué)生學(xué)會在合作中學(xué)習(xí)，積極促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。二是作為教師要與時俱進，教師要不斷學(xué)習(xí)對應(yīng)學(xué)科領(lǐng)域最前沿的知識，不斷更新自身的知識體系，能夠整理自己的知識庫和素材庫，充分了解實驗室的各種教學(xué)資源和各種儀器，能夠積極將理論知識應(yīng)用于實踐，科學(xué)地、合理地處理教學(xué)過程中遇到的各種問題，不斷增強自身處理各種儀器故障的能力，能夠熟練掌握各種儀器的操作，能夠處理學(xué)生在實驗過程中遇到的一些常見的問題。三是教師在教學(xué)過程中要積極申報相應(yīng)的研究課題，通過一定的課題的研究，進一步總結(jié)教學(xué)模式及教學(xué)經(jīng)驗，提高教師的教學(xué)能力?？傊?，通過設(shè)計性實驗教學(xué)模式的開展，教師的綜合素質(zhì)有了一定的提升。學(xué)期末對兩種教學(xué)模式對應(yīng)的教學(xué)班的成績進行分析，分別從課程優(yōu)秀率、課程平均分、不及格率及學(xué)生評教等級進行分析，如下表所示。
5結(jié)論
綜合以上的分析和研究成果，結(jié)果表明大學(xué)物理實驗教學(xué)中采用設(shè)計性實驗教學(xué)模式，能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)學(xué)物理的興趣，不僅增強了學(xué)生的邏輯思維能力，而且促進了學(xué)生獨立創(chuàng)新的能力，能夠適應(yīng)應(yīng)用型本科院校實驗教學(xué)的要求，更符合“新工科”人才發(fā)展的方向。
作者:趙朝軍 韓娟 邱文旭 智春艷 劉金秋 單位:西安工商學(xué)院
