大學物理設計性實驗教學模式探究

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摘要:本文分析了傳統(tǒng)的大學物理實驗教學模式存在的問題，針對性地提出了一種設計性大學物理實驗教學模式，通過該教學模式的實施，能夠激發(fā)學生學學物理實驗的興趣，同時促進了學生動手能力和創(chuàng)新能力的提高，將逐步實現(xiàn)應用型本科實驗教學的改革和創(chuàng)新。

關鍵詞:大學物理實驗;設計性實驗;教學模式

1緒論

傳統(tǒng)的大學物理實驗教學過程分為三個環(huán)節(jié)，如圖1。首先，教師給學生講解實驗原理、實驗目的、實驗儀器及實驗步驟等內容。其次，教師集合學生，按照實驗步驟給學生詳細演示實驗操作過程。最后，學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)的教學模式主要是以教師為主體，學生為客體，實驗課教學模式過于“理論化”，實驗操作過程過于程序化，這種實驗教學難以調動學生的積極性，抑制了學生的創(chuàng)新思維。另外，傳統(tǒng)的大學物理實驗課程驗證性實驗及經典物理實驗內容偏多，設計性實驗不足。這種知識體系下的實驗教學，難以促進學生進一步深入學習的興趣，也在一定程度上不能最大限度地提升學生的創(chuàng)新能力。因此，需要對傳統(tǒng)的大學物理教學實驗模式進行大膽創(chuàng)新，進一步提高課堂教學質量。

2設計性實驗教學模式

本文提出一種大學物理設計性實驗教學模式［1］如圖2。首先，教師提出設計實驗［2］名稱，班級學生進行分組，每組學生針對實驗名稱，并結合實驗室現(xiàn)有的儀器，自己通過閱讀論文，查閱資料，網上搜集數據等形式確定設計實驗方案，并撰寫實驗方案報告。當所有分組的學生完成實驗方案后，教師組織學生進行分組討論。如果相關分組的同學實驗方案［3］可行，則進入實驗室，利用實驗室現(xiàn)有的儀器，參考預先設計的實驗方案，進行實驗操作，完成實驗后，進行實驗數據處理。如果相關分組的同學實驗方案不可行，則該組同學需要重新設計實驗方案，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］。等待所有組別同學完成實驗且處理實驗數據后，每個組做好整個實驗進程的PPT，進行分組答辯。答辯過程中，任意同學可以進行答辯環(huán)節(jié)提問。待整個答辯流程結束后，教師根據學生的實驗方案，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設計性實驗教學模式實例

例如測量定值電阻阻值的設計性實驗教學中，學生先22進行分組，分組后每個小組設計實驗方案，通過收集學生設計的實驗方案，匯總后有多種實驗方案。第一個小組學生提出用伏安法測定值電阻的阻值，學生設計了實驗電路，先利用實驗室現(xiàn)有的儀器連接好電路，設計好記錄數據的表格，接著按照設計的實驗步驟進行實驗，每次實驗記錄電壓表的示數和電流表的示數，多次測量多組數據。當學生測量完數據后，緊接著進行數據處理。這時授課教師給該組學生分配一項任務，討論實驗數據的處理方法，該組學生進行激烈討論，提出的數據處理方法有列表法和作圖法［5］，經過授課教師的指導，該組學生選擇了作圖法進行數據處理，但作圖法結合了計算機軟件，使得處理數據更加快速、高效。當該組學生完成電路設計及數據測量和數據處理步驟后，授課教師給學生提出幾個問題，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生進一步討論，最好能夠設計出電路圖。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，授課教師引導學生進一步討論。第二個小組學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，第二小組的同學又提出兩種方法。第一種按照設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，設置不同的R1R2的數值，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，在箱式電橋中設置R1R2的數值，利用直接法公式Rx=R1R2Rs計算待測電阻的阻值，共測三次。第二小組同學在用自己搭建好的電路測試未知電阻時，閉合開關后出現(xiàn)若干故障。比如電流表的指針未偏轉，比如電流表的指針發(fā)生偏轉，比如電源出現(xiàn)報警，這時授課教師不要急于為學生解決存在的問題，可以提示學生可能存在的原因，該讓學生自己根據電路圖及實物電路查找問題，這樣鍛煉了學生的動手實踐能力，又提升了學生對電路的分析［7］能力。當學生完成了整個實驗的電路設計及電路連接和測量實驗數據后，授課教師引導學生對實驗電路中經常存在的故障及解決方法進行總結，并反思自主設計實驗教學［8］過程中的教學方法。一是要注意電路中是否存在短路現(xiàn)象，當存在此現(xiàn)象時，應該立刻關閉電源，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，當存在此現(xiàn)象時，學生也應立即切斷電源，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，這時授課教師應該從最基本的理論講起，給學生講解該方法的原理，接著為學生親自演示操作的方法，最后為學生設置一定的實際問題，讓學生利用學到的原理及方法解決對應的實際問題。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容，詳細地為學生分析電流的流向，讓學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。在實驗課的教學過程［9］中，授課教師發(fā)現(xiàn)有些學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，授課教師應該讓學生熟悉歐姆表測的內部簡單的電路圖。學生最好能夠親自繪制歐姆表內部的電路圖。授課教師提醒學生在測量過程中，應該用好試觸法。當學生用該方法測量完待測電阻的阻值后，授課教師引導學生總結使用歐姆表需要注意的一些問題，一是測量電阻的時候，每一次換擋都應該進行歐姆調零。二是測量時應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。第四個小組同學提出數字式歐姆表法。隨著科技技術的不斷創(chuàng)新，集成電路技術以及數字技術的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，實際的工程應用中已制成各種各樣的新型的電阻測量儀器。數字式歐姆表是將電阻變換成電壓，接著用模數轉換式電壓表測定電壓的數值，最后從電壓來確定待測電阻的數值。該組同學設計的實驗方案是合理的，但授課教師提醒學生設計實驗方案時應考慮實驗室現(xiàn)有的條件及已有的儀器。第五個小組學生設計了利用等效替代法測量未知電阻的阻值。授課教師要求學生獨立設計電路，學生設計了電路圖，同時，教師要求學生設計好詳細的實驗步驟，提出實驗過程［10］中需要注意的問題，并設計好實驗的表格。學生設計完電路后，教師詳細檢查學生設計的電路圖，確保設計的電路無誤后，教師要求學生按照設計的電路圖連接實物電路，并且按照設計的實驗步驟進行實驗。

4設計性實驗教學模式效果反饋

在平時的教學過程中，選取三個班級采用傳統(tǒng)的大學物理實驗教學方法［11］，選取另外的三個班級采用設計性實驗教學模式［12］，經過一學期的教學過程，對授課學生進行問卷調查，學生對設計性實驗教學模式反饋如下，一是該教學模式提升了自身的學習興趣，更有動力去探索未知的問題，二是從被動地接受知識轉化為主動地、自覺地吸收知識，三是學生通過查閱大量資料，無論是閱讀小論文，還是網上查閱相關文獻、新聞，都無形中增強了學生查閱書刊資料的能力，四是學生在設計實驗過程中能夠積極分工，明確各自責任，在實驗過程中也能夠進行互相協(xié)作，增強了學生的團隊合作能力，五是學生能夠積極準備實驗器材，當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)計了學生對兩種教學模式的興趣程度，其中，學生對設計性實驗教學模式［13］的感興趣程度為96．5%，而對傳統(tǒng)的實驗教學模式感興趣程度為80．10%。開展設計性實驗教學模式以后，授課教師對教學過程積極反思，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，突出學習過程中實踐的重要性，積極引導學生改變學習理念及實驗方式，讓學生學會在合作中學習，積極促進學生自主學習的能力。二是作為教師要與時俱進，教師要不斷學習對應學科領域最前沿的知識，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資源和各種儀器，能夠積極將理論知識應用于實踐，科學地、合理地處理教學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，能夠處理學生在實驗過程中遇到的一些常見的問題。三是教師在教學過程中要積極申報相應的研究課題，通過一定的課題的研究，進一步總結教學模式及教學經驗，提高教師的教學能力。總之，通過設計性實驗教學模式的開展，教師的綜合素質有了一定的提升。學期末對兩種教學模式對應的教學班的成績進行分析，分別從課程優(yōu)秀率、課程平均分、不及格率及學生評教等級進行分析，如下表所示。

5結論

綜合以上的分析和研究成果，結果表明大學物理實驗教學中采用設計性實驗教學模式，能夠在一定程度上激發(fā)學生學學物理的興趣，不僅增強了學生的邏輯思維能力，而且促進了學生獨立創(chuàng)新的能力，能夠適應應用型本科院校實驗教學的要求，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:西安工商學院