理工科大学物理实验课,是对学生进行科学实验基础训练的重要必修课和实践性教学环节。通过物理实验,使学生在实验过程中验证、加深对物理知识规律的理解掌握,在实验方法、实验技能和实验数据处理等方面受到系统和严格的训练,培养学生分析解决问题的思维能力和动手能力。物理实验课在引导学生将来从事科学研究起着潜移默化的催化作用,在培养学生活跃的创新意识,理论联系实际,成为适应社会科技发展的智能型、开拓型人才等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。因此,教好物理实验课是大学实验教师需要认真探索的问题。
长期以来,物理实验沿用传统的实验教学手段,实验教学模式固定,教学内容陈旧,实验设备破损失修,多年不变的教学体系和教学内容与当今飞速发展的前沿科学新理论、新技术严重脱节,很难激发学生的物理实验兴趣。学生习惯于中学阶段依赖教师,很少独立思考,还受应试教育的影响极少动手实验。教师讲解实验目的、原理、仪器、步骤、要求等,学生只会按照教师讲述的内容机械地重复实验,测量数据,验证结果,教师按部就班完成实验课了事。
实验课仅仅是物理规律认证、课堂知识验证的过程。这种教学模式、方法、手段远远落后于科学技术进步的步伐,难于适应社会对人才知识结构和科学素质越来越高的要求。
为了改变这种状况,近年来各理工科高校都结合自己的实际对大学物理实验课教学改革进行了理论研究和实践探索。创新是素质教育的核心,培养创新人才是决定国家竞争力的关键。笔者从事实验教学二十多年,深知改革的必要和迫切,以创新观念对实验课教师在物理实验中的作用进行重新审视,做了有益的探索与实践,取到初步成效。
1、 实验教师作用的再认识
一直以来,高校实验室往往被列为“教辅”部门,实验教师被视为“教辅”人员,课堂教学与实验课的分列、教学与科研的分离,这样“约定俗成”的定位以及大学教师身份的分化,极大地制约了实验教师的主动性和创造性,阻碍了物理实验的改革创新。
笔者认为,要改变目前的种种现状,就要重新认识实验教师的地位作用,改善教师发展制度、评价标准,重构教学与科研的关系。实验教师应变被动为主动,变辅助为主导,充分调动实验教师的学习积极性,利用各种机会参与科研,及时掌握相关物理理论在当今科学技术领域的新发展以及工程技术领域的新应用;不断努力提升自身教学科研水平,投入实验创新过程,脱离辅助被动地位,焕发创新使命感,成为研究型、创新型物理教师、教育科研型人才。
2、 创新意识从环境开始
D.K.Nachtigall 指出:“物理教师的任务应该是启发学生的好奇心,发展他们的智力和创造力。”创造一种富有探索和创造性的学习环境,激发学生物理实验兴趣,引导学生积极主动地观察和思考,培育科学思维方法和主动探索精神是物理教师的首要任务。通过调查,百分之六七十的入学新生对大学物理实验是好奇的,尤其对力学、光学、电学感兴趣,有迫切探索大学新知识的欲望。并且当代学生危机意识感强,希望在大学里锻炼自己的动手能力和科研能力,也希望锻炼自己的设计创新能力,表现出了造就自己成为毕业求职就业所需要的高技能人才的强烈愿望。因此,首先为学生营造一个安静、整洁的实验环境和充满探索精神的科学氛围,在实验大楼的走廊两边布置了获得诺贝尔奖的费米、赖尔、居里、伦琴、塞格雷、约瑟夫森、杨振宁、李政道等数十位物理学家的科学成就展栏,让学生带着崇敬的心情走进神圣的科学殿堂,了解科学家研究创造的过程和科学献身精神,体会到科学成就来自于无数次的实验,激励学习热情,启发创新意识。
同样在各个专题实验室里,实验原理、物理规律展示清晰,一目了然,维护完善的实验设备仪器摆放有序,体现出科学、整洁、美观。除此之外,额外配备一些电子元器件,提供扩展实验条件。素质的培养不仅在于教育,更依靠环境的熏陶。实验创新着眼于从物理规律之间的联系出发设计问题,创造合适的条件,引导学生独立思考、合理猜想、发现乐趣,激发钻研动力,提高物理实验兴趣,激励学生个性发展。
3、 创新思维在于引导启发
物理实验的过程是实验方法实施、实验技能训练的过程,需要严格要求步骤规范,以利于培养学生严谨的逻辑思维、严肃的治学态度、一丝不苟的科学素养。要求学生在实验现场仪器设备的位置规范,连接线整齐有序,做完实验各种部件归放复原,有条理有次序,善观察勤思考,训练未来工程师的优良风格和技术素质。为减少电学实验仪器接线乱串,开关经常断线的问题,教师动手改变原来的开关结构,设计发明“一种下接线式实验用单刀双掷开关”,改进欠操作性的实验装置,降低了仪器设备的损坏率,优化了实验过程,获得更好的实验效果。并且以此为例讲解,把发明思路、改进设计过程与学生探讨交流,启发引导学生的创新思维,鼓励熟悉掌握创新方法。
同时在实验课中增加趣味性、体验性,把实验原理与实际生产应用结合,实验内容与生活运用联系,延伸实验意义,发展扩散思维。例如,在“压力传感器研究”实验中,通过传感器上加载不同质量的砝码,测量相应的输出电压V,用逐差法求出传感器平均灵敏度 S,从而手工计算得出重量W=V/S 的实验结果。这个实验的原理如何应用到生活实际中?通过启发,学生思维很快活跃起来,可以制作电子称!
那么如何进一步在实验中实现电子称呢?学生热烈讨论,要使原来显示在传感器特性数显仪上的电压值转换为重量值W=V/S=KV(kg),电压与重量的比例系数 K 完全可以通过分压器实现。笔者随即提供电位器,帮助学生在输出电压端设计连接分压线路,用砝码和电位器调节 K 值,最终在传感器特性数显仪上直接显示出重量 W 值。这样原来显示0.01 ~ 0.99 mv 的数显仪变成了一台显示 0.01 ~ 0.99 kg的电子称。学生的手机、文具盒的重量纷纷显示了出来,枯燥的实验课变为快乐的创造过程,让学生有了创新的体验,思维更加开放,分析动手解决问题能力更强。深刻体会实验并不仅仅是纯理论验证,还有技术的现实应用,科学的启蒙。
4、 创新能力来自于科研实践
要给学生一杯水,教师就要准备一桶水。实验课创新取决于教师的科学素养和创造才能。实验室是教师结合教学深入科研的平台,物理实验课一线教师更有条件立足教学参与科研项目,有很大空间发展自己,教育与科研结合,在科研实践中不断历练,提高自身技术水平和创新能力,在物理实验课的改革创新中提高实力、增加动力。
教师主动争取参加各种有关学术会议、论坛,开拓视野,与同行讨论交流,吸收先进实验教学经验,拓宽知识面,知识结构得到调整和更新。近几年来,笔者就参与了国家基金课题“数字全息纤维实时超分辨技术的研究”,进行相关实验和数据的分析;参与“银电解阳极铸造新工艺及设备开发”项目,负责控制部分实验研究。这些科研实践的锻炼,使笔者的学术水平和创造能力得到较大提升,在实验创新中有所展现和发挥。
利用现有设备仪器,构思研究开发新实验,节省经费,弥补设备不足,也是实验创新的发展。为使学生深入理解及掌握互感现象及互感器,笔者在“示波器的使用”实验基础上,专门设计了一个“用示波器研究互感现象”的实验,拓展仪器实验应用范围;从实际出发钻研仪器原理,分析仪器结构线路,大胆改进原有实验,在“用霍尔元件测量通电螺线管磁场”的实验中改进结构,发明设计“一种暗接线式螺线管磁场实验仪”,解决引线外露容易短路烧坏霍尔元件和影响实验数据稳定性的问题;对“双臂电桥测电阻”实验中所用仪器剖析分解,发明制作出“一种双臂电桥测电阻实验用组合电阻盒”,将实验用多个电阻组合置于盒子内,通过统一的两个出端及连接线与双臂电桥相连,由多档选择开关来实现电阻组的变换。既改进充实实验内容及设备,增强实验效果,又在一定程度上减少损耗,节约了实验仪器设备的资金投入。
在发明设计过程中,实验教师对实验设备的改进及技术创新也是科研的实践,在实施新型实验教学方式中积极探索,技术实力及创新潜能得到充分挖掘和发挥。
5、 实验管理创新有助于教学质量提升
传统的实验管理侧重仪器设备的使用,要求管好用好,定期保养维护,而在仪器出现故障的情况下,多是由生产单位返修。随着高等教育新时期大发展,学生数量剧增,实验仪器使用频率相应增加,故障、破损增多,影响实验课正常进行,难于保证教学质量,实验教师任务艰巨而繁琐。
作为实验管理的直接参与者和具体的实施者,笔者进行了一些大胆的实践探索,更新完善实验教学管理模式,对实验过程监控、跟踪,进行技术手段、管理方法创新。
实验教师不仅要上好实验课,还要熟悉仪器的原理结构,提高动手维护修理技能,做到能“管”会“理”:管设备、管学生、管过程,会处理、会整理、会修理。首先对全部实验使用的仪器设备状况做到心中有数,日常检查维修与定期维修结合,形成常态。特别注意每节实验课结束后,对实验仪器设备使用情况进行及时检查,分类造册进行详细记录。注明损坏状况,分析原因,制订维修计划,尽快处理维修。管理被动的状况得到转变,客观上减少了实验仪器设备的停机率,使实验仪器设备劣化速度变慢,延长了实验仪器设备的更新周期。
另一方面通过对大量实验课的跟踪调查,摸清实验过程中仪器损坏的状况和规律,掌握学生实验中仪器设备容易出现的普遍问题和特殊、突发性损坏问题,为有效维修处理,设计准备好应急处置预案:一是调整配置一些备用仪器,一旦发生现场不能及时解决的故障可立即更换;二是针对性准备一些易损电子元器件,当场快速修复实验中出问题仪器,保证实验顺利进行,如课前会焊接好很多备用接线柱和备用电位器,实验中调压损坏时及时更换;三是实验教师课后对替换下来的故障仪器能够动手修理或者及时安排维修处理。
最后更需要注重的方面是,经长期跟踪、原因分析、原理剖析,发现故障属设计缺陷所致的仪器设备,就要主动和生产厂家反馈沟通、交流探讨,提供改进意见、设想方案,促使仪器设备得到改进完善,更适合高校学生高频率使用的实验状况,提高仪器设备的可靠性,降低故障率。
在改革实验成绩评价体系中,更新教学理念,完善成绩评定标准,既考核对理论知识理解、基本实验技能表现,又考察学生在实验中的创新能力、数据处理结论的逻辑思考,从管理各方面促进教学质量的提升。
实践证明:多年来在创新思维指导改进下的实验教学,促进了学生创新意识的培育,加强了教学与科研的有机结合,教师的学术水平、科研素质得到提高,实验教学的管理水平提升,整体提高了实验教学质量。有了创新思维,投入精力越多,越有成效,方法点子越多,实验效果和质量越好,为更好地培育适应科技发展的综合应用创新人才做了有益的探索实践。
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