普物实验是多数物理相关专业低年级学生进入大学后最先接触到的实验课程,起到承上启下的作用,旨在让学生了解基本的物理实验思想、实验方法以及实验手段,培养良好的科学实验态度[1].但受中学时学习方式的影响,学生往往重理论轻实践,存在依赖教师的习惯,运用知识的能力也明显不足[2].为改变这种状况,更好地培养学生的实验技能和创新意识,强化学生对知识的理解和应用,并为后续的学习、就业夯实基础,近年来,我们进行了 DIY( Do it your-self) 模式的普物实验教学尝试.DIY 的核心理念是"自己去做,自己体验,挑战自我,享受快乐"[3 -4],强调自己动手去做,但不要求 DIY 作品有多高的含金量,可以说这很好地诠释了普物实验教学的最佳境界.在教学实施过程中,根据普物实验内容和低年级学生的知识储备情况,选择一些有实际应用背景的内容开展 DIY 实验.实验室向学生开放并提供相关材料[5],也允许学生将材料带走,可在寝室或其他地方开展工作,拓展学生的实验时空,同时鼓励学生综合运用所学的物理、计算机等各种知识和技术手段,在"做中学,学中做",然后用自行制作完成的 DIY 作品进行相关的实验测量或展示,并进行一些交流评比,取得了较好的教学效果.
1 DIY 课程与实验项目设计简介
目前,普物实验项目一般采用"验证性实验 +综合性实验 + 研究设计性实验"的构架[6],但在学生动手能力参差不齐的低年级阶段,所谓的综合性、研究设计性实验往往是走马观花,一来是由于教学时间受限,二来能真正参与的只是少数优秀学生.
为使不同层次的学生都能有效地参与进来,让每一个学生在不同起点上获得最优的发展,从 2009 年开始,我们对原有的一些综合性、研究性、设计性实验进行了调整,把原有的一些实验改成了更具趣味性和实用性的 DIY 项目.为此,专门开设了短学期的"物理实验技能训练"这门 DIY 课程,本着"瓶瓶罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验"的思想,教学中仅提供必要的材料和实验场地.除了已有的工艺训练实验教室,为更好地开展 DIY 课程,还专门设置了物理实验技能训练实验教室,两个教室向学生开放并提供临时的储物柜( 铁皮信箱柜) ,方便学生存放各种工具、材料,也允许学生将材料带走,在寝室或其它地方开展工作,以拓展学生的实验时空.目前实验室开设有 6 个常规 DIY 项目,详见表 1.DIY 项目的设计与实施主要遵循以下三个原则:
( 1) 知识运用导向.由传统实验的"知识验证型"转向"知识运用型",普物实验内容一般都经过了较长时间的发展,凝结了历史上很多科学大家的智慧,学生往往并不陌生但又少有亲身实践的机会,从中选择一些有实际应用背景的内容进行 DIY 并完成相关作品,使学生体验科学探究过程,深入理解相关知识与思想,引导学生自觉地进行理论学习和实践操作,强化学生运用知识的能力.
( 2) 过程评价与仪器自制导向.引导学生从注重数据结果转向注重 DIY 作品产出,在传统的实验过程中学生更关注实验数据的获得,一旦测得数据则万事大吉,对实验仪器及操作过程缺少足够的关心,实验效果大打折扣.而 DIY 方式的实验更注重作品的产出过程,学生自制的 DIY 作品既可作为实验成果也可作为实验仪器用于传统实验,同时让学生进行自我展示、评比交流,并侧重其 DIY 作品的实验效果给学生实验评分,可更好地激发学生的实验兴趣,增强实验效果.
( 3) 现代化技术学习导向.鼓励学生在 DIY 中引入计算机技术、传感器技术等各种现代化手段,引导学生利用一些基本的或身边较为普及的器件,结合所学的计算机、电子技术知识及一些开源软件,如科学教育多媒体软件( MMUSE) 、菲尼克斯( Phoe-nix)[7]及 Avcapture 等,DIY"原生态"的现代化测量装置,如自由落体实验的改造[8],干涉衍射屏的制作[9]等,并与传统测量方式进行比较实验,消除高度集成的现代化测量手段在学生心目中的神秘感,增强学生的创新意识.
课程教学采用"早启动,集中制作,终期答辩,后续应用"的方式进行.即在短学期前的常规学期里,结合普物实验提前布置短学期任务,学生可以选择表 1 中的常规项目,也可以联系导师自选项目或课题,但要求在常规学期中完成 DIY 方案的设计;然后在短学期的两周时间内集中制作调试,完成后进行 PPT 报告答辩并侧重作品效果给分.另外,引导学生利用 DIY 作品进行相关的传统实验或应用于后续的其他实验,并允许学生将自己的作品买走( 收取部分元器件成本费) ,同时也将一些优秀作品予以展示,给后面的学生起引领示范作用,图 1 为部分学生作品.
2 DIY 实验教学示例
在普物实验中,关于光具组成像理论的实验通常有三个: 薄透镜焦距的测定、光具组基点的测定及望远镜和显微镜[6].在传统的实验教学中,这三个实验是独立的,实验做一个是一个,学生很难将光具组成像理论的相关知识点通过实验系统地融合起来,实验效果不理想.通过对这些内容的深入分析和整合,以"望远镜显微镜的制作"为题开设了一个DIY 实验,将光具组成像理论的主要知识点融合在一起.望远镜和显微镜是十分常用的光学助视仪器,有着悠久的发展历史,在日常生活中的应用也非常普遍,学生对其原理、结构并不陌生,但有许多实际问题却并不清楚.由于在生活中见过、原理也知道一些,学生从一开始就表现出比一般实验更高的热情和兴趣.下面以望远镜制作为例进行 DIY 实验过程的简单介绍.
在教学中,我们提前布置任务,让学生自行查阅相关文献资料,设计方案,实验室提供透镜并向学生开放,其他辅助材料要求学生自行从日常生活中获取或由实验室根据需要定购.同时允许学生将材料带走,在寝室或其他地方开展工作,以拓展学生的实验时空,但要求在截止期前完成作品.大多数学生能根据望远镜的相关原理很快地完成制作任务,并时常会拿着自己的"杰作"相互比较,学生在"把玩"望远镜的过程中,很容易就能发现这种简易望远镜存在的一些问题,如看到的景物怎么是倒的? 视野边缘的景物怎么是逐渐模糊的? 为何在目镜后不同位置观察,现象会有差异? 等等.基于学生的各种疑问,我们有针对性地进行了引导和拓展,提出一些望远镜制作中必须了解的问题,如:
( 1) 怎么制作: 透镜如何选择,放大倍数、镜筒长度如何确定?
( 2) 怎么观察: 如何调焦? 孔径光阑、入瞳出瞳的含义与作用如何?
( 3) 能观察到什么: 视场光阑、入窗出窗的含义与作用如何? 像差是怎么回事?
虽然只是一个小小的望远镜,但它几乎囊括了所有几何光学的知识点.伴随着对相关现象和理论的进一步了解,学生对以往在理论教学中晦涩难懂或避而不谈,在实验中很少涉及,但在实际应用中又很重要的概念,如孔径光阑、入瞳、出瞳等等,都有了直接的感性认识.针对存在的问题和不足,引导学生对原先的作品进行改进和完善,如有些学生从开普勒望远镜参数的设计出发,重新选择了物镜和目镜; 采用口径适当的 PVC 塑料管用作镜筒,并设置相应的限位部件,用于调焦范围的控制; 在目镜后加设定位观察装置,观察时使眼睛刚好在出瞳附近; 有些学生制作了伽利略望远镜,有些学生还制作了带有正像棱镜系统的开普勒望远镜; 有些学生则用USB 摄像头代替眼睛,将景物图像输入电脑观察[10],等等.
在 DIY 作品完成后,要求学生给出相关参数,如调焦范围、视场大小、放大率等,并进一步引导学生基于望远镜进行远距离物体观察及尺寸测量研究,同时组织学生进行作品评比和 PPT 报告交流,侧重其 DIY 作品的整体效果给实验评分,给学生一个自我展示的舞台,使学生能在自我表现中获取知识,享受实验的乐趣,图 2 为部分学生实验场景.
3 结束语
DIY 模式的普物实验项目兼具趣味性和挑战性,独辟蹊径地为学生提供了一种新的实验方式,在教学中受到学生的普遍欢迎.学生可以选择自己感兴趣的 DIY 项目,在"做中学,学中做",由浅入深,不同层次的学生都能有效的参与进来,都可以找到自我表现的领地,这能很好地维护学生的实验兴趣,对培养学生的实验技能和创新能力也大有裨益.
DIY 模式的普物实验给学生创造了运用所学物理、计算机等相关知识的机会,有利于引导学生将理论与实践真正联系起来,更接近当前科研、工程等的实际过程.学生通过 DIY 作品的设计制作可以深化对相关物理知识、计算机观测手段等的理解,制作完成的 DIY 作品既可作为实验成果也可作为实验仪器用于传统实验,从而能更好地激发学生的实验兴趣,可大幅提升实验教学的整体效果.
参考文献( References) :
[1] 霍剑青. 大学物理实验课程教学基本要求的指导思想和内容解读[J]. 物理与工程,2007,17( 1) : 5 -9.
[2] 梅忠义,王勇. 警惕物理实验教育的零功能和负功能[J]. 物理实验,2008,28( 4) : 15 -17,22.
[3] 王松武,刘日起,王安平. 以 DIY 理念建设 DIY 实验室[J]. 实验技术与管理,2009,26( 4) : 15 -17.
[4] 于晓勇,施瑞. 基于学部的开放创新 DIY 实验基地建设[J]. 实验技术与管理,2011,28( 4) : 179 -181.
[5] 林根金. 学生自主管理实验教学探究[J]. 实验室研究与探索,2009,28( 8) : 148 - 150.
[6] 杨述武主编. 普通物理实验[M]. 第四版. 北京: 高等教育出版社,2007 年.
[7] 李玉峰,熊建文. 综合物理实验中开设 DIY 低成本计算机辅助实验设计[J]. 实验室研究与探索,2010,29( 2) : 62 -64.
[8] 李勇,彭葆进,金洪震. 利用嵌入式微控制器进行自由落体运动实验改造[J]. 浙江师范大学学报( 自然科学版) ,2002,25( 4) : 352 -355.
[9] 李浩,许富洋,何正杨,等. 基于胶片输出仪的干涉衍射屏制作研究[J]. 大学物理实验,2010,23( 6) : 9 -11.
[10] 叶丽军,许富洋,赖兴俊,等. 自组望远镜实验的改进研究[J]. 大学物理实验,2011,24( 5) : 51 -54.
