物理实验教学方法的改革探究

物理实验教学方法的改革探究

高允锋李鸿英韩飞

高允锋李鸿英韩飞

收稿日期：2011-09-01

作者简介：高允锋（1970-），男，吉林长春人，大学本科学历，长春师范学院物理学院高级实验师，从事普通物理实验的教学与研究。（吉林长春/130032）

摘要:由于社会对高能型人才的需求，使教育部门越来越重视实验教学，教育部关于实验室建设与实验教学改革采取了一系列重大举措，提出了很多指导性意见，推动着实验教学不断创新。本文从注重基础实验，加强综合实验，拓展设计性和研究性实验等及方面讨论了如何做好物理实验教学。

关键词:物理学实验教学

物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用，这就要求我们物理从教人员要特别重视物理实验教学。实验教学能够为学生正确认识事物及客观规律提供事实依据，又能培养学生观察现象、提出问题、分析问题、解决问题的能力。怎样搞好实验教学，是大多数物理教师研究的课题。

由于社会对高能型人才的需求，使教育部门越来越重视实验教学，教育部关于实验室建设与实验教学改革采取了一系列重大举措，提出了很多指导性意见，推动着实验教学不断创新。经过几代人的努力，在物理实验教学方面已经有了丰厚的历史沉淀，各高校实验教学也有自己的特色和体系，作为一位这个领域的工作者在此谈一些自己看法。

如何搞好物理实验教学呢?

根据“加强基础、重视应用、提高素质、培养能力、开拓创新”的教改精神，在教学过程中，我们应根据理、工科不同专业和不同层次的教学要求，将实验分为预备实验、基本实验和综合设计性实验。这样可在内容安排上由浅入深、循序浙进，分层次组织实验教学，有助于学生掌握物理实验的思路、方法和技巧，使学生养成良好的实验习惯，独立地完成实验，并具有一定的独立观察物理现象和独立完成综合设计性实验的能力。

首先，注重基础实验教学

中国的大学教育，经过长期发展已经积累了大量教学器材，要充分利用学校的基础设施，抓好基础实验教学。首先掌握基本物理量的测量，然后进入基础性实验阶段，例如扭摆法测物体转动惯量实验、静态法测定金属丝的弹性模量、用焦利秤测量弹簧劲度系数、弦线上的驻波实验、计算机远程控制Pasco系列实验——力学部分、牛顿第二运动定律的验证、动量守恒定律的验证、弹性材料应力-应变特性研究、光杠杆法测量固体线膨胀系数、冷却法测量金属的比热容、空气比热容比的测定、用补偿法测电源电动势和内阻、电阻元件伏安特性的研究、霍尔法测磁场、示波器的使用、平衡电桥与非平衡电桥特性的研究、分光计的调节与使用、用牛顿环测透镜的曲率半径、利用阿贝折射仪测量折射率和色散、偏振光的观测与研究等都可以充分利用现有设施进行物理实验教学。通过基础性实验可以加强学生对物理学理论知识的认知,巩固物理理论基础,掌握常规测量仪器的使用方法和原理,培养严谨的工作作风,提升工作素质与修养。

其次，加强综合性实验教学

大学普通物理综合实验的意义在于对实验课程的主要内容进行轿卡、综合语总结，是学生进一步掌握有关的实验原理、内容与方法，培养学生的动手能力、独立分析和解决的能力，开发学生发散思维的潜力和创新能力。

大学普通物理综合实验的任务不但要对学生进行科学实验的能力、理论联系实际的能力、综合素质进行进一步的培养与提高，而且要对学生的实验方法与技巧、动手能力、独立工作能力进行测评，对学生掌握有关的实验原理、实验方法、实验内容以及如何完成给定的实验目标进行考核。

大学物理综合实验课程的内容也要严格选定，例如可倒摆测重力加速度、物体转动惯量测定的研究、液体表面张力系数测量的研究、热的传导及导热系数测定的研究、空气密度的测定、不良导体导热系数的测量、霍尔效应的研究、双臂电桥原理及应用、交流电桥、用示波器研究铁磁材料的磁化特性、物质介电系数的测量、液体折射率的测量、用双棱镜测量光波波长、物质旋光性的研究与应用、迈克尔逊干涉仪原理研究、电子束线偏转的研究等都可作为综合性实验的课程。

再其次，拓展设计性实验以及研究性实验

随着科技的发展，各种新型材料的不断涌现，各种研究方法的升级，所以就要求我们物理实验教学工作者也要与科技发展同步设计实验，例如，高温超导材料的研制、超导样品深低温测量研究、杨氏模量测量方法的研究、空气粘滞系数测定的研究、迈克尔逊干涉仪应用研究、单缝衍射光强分布的研究、光速测量的研究、单色仪定标和透明材料透射率测定的研究、水的汽化热测定方法的设计、能量转换的研究等都应该不断引入我们的实验教学。

四，增加开放性实验的选修项目

学校不是孤立的机构，既是教学机构，也是研究机构，所以我们就不能与现实脱离，应该将一些正在研究的课题引入我们的物理实验教学过程中，为学生的学习研究做一个引导，例如，霍尔原件交直流特性研究、用多种方法研究液体表面张力系数的测定、热电制冷的研究、深冷液体汽化热的测量研究、电桥及电路模拟设计、深低温实验方法研究、高真空的研究、冰箱与制冷原理研究、太阳能电池特性的研究、磁电阻元件的研究、自动控温元件及电路设计与研究、电解法估测电子电荷的研究、电动势及内阻测量的实验研究、电学暗盒实验研究、磁电式电表内阻测量的实验研究、电阻测量的实验研究、深冷速度自动控制和记录的研究等课题逐步纳入我们的教学过程。

五，创建开放式网上虚拟实验室

随着科技的发展，网络的普及，各个学校也都建立了自己的网络系统，这也使传统的物理实验只能局限在实验室的情况得到改善，同时可以充分发挥学生的主观能动性。

近几年来，高校扩招给实验教学带来了巨大的压力。传统的实验教学已经不能满足新形势下的教学要求，从而面临各种各样的问题。

1、实验室建设费用高昂

传统的实验教学主要依赖费用高昂的实验设备，存在前期投入大、后期维护费用高，开展过程受时间、地点、人力、物力、财力等限制问题，致使实验教学无法有效开展，严重影响教学质量。

2、教师指导难以到位

有限的教师很难在有限的时间内细致地指导大批的学生，教学目标难以达到。设计性和探究性试验更是难以开展。

3、教学目标难以落实

培养动手能力、设计能力和创新能力是实验教学的重要目标。但是目前学生主要根据实验指导书进行验证性实验，有些实验操作训练不足，创新能力难以提升。

针对传统实验教学中存在的教学方法单一，知识学习和实验动手操作相互分离，学生缺乏学习主动性和创造性等问题，开放式虚拟实验教学系统就是很好的解决方案。

开放式网上虚拟实验室是一种运用虚拟现实技术模拟真实实验的计算机教学软件。它采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境，提供可操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近真实的人机交互界面完成实验，同时提供网络实验教学的一体化管理功能。开放式网上虚拟实验室又分为课程实验仿真平台和虚拟实验教学管理系统两个部分，在此基础上可建立课程虚拟实验教学系统。

课程实验仿真平台与真实实验台类似。用来供学生自己动手配置、连接、调节．和使用实验仪器没备进行实验。实验仿真平台允许根据平台上提供的器材自由搭建任意合理的典型实验，或实验系统案例，这一点是实验仿真平台有别于一般实验教学课件的重要特征。典型实验通常是由精通相关课程的教师设计的。要求学生在此基础上进行实验．可满足教师对各层次实验教学的需求。实验仿真平台也为学生自由搭建实验模犁提供了可能。学生既可通过实验仿真平台动手操作。又可自主设计实验，有利于培养设计能力和创新意识。与器材库(或仪器、设备、材料库)类似，虚拟实验平台通常拥有一个器材栏。用于各类虚拟实验器材的管理。学生可以把器材从器材栏中移到实验台上．或者从实验台上把器材收回到器材栏。

要开展虚拟实验教学．就需要通过虚拟实验教学管理系统向学生、教师、教务管理员和系统管理员提供实验教学管理功能。实验答疑与交流教师和学生通过教学论坛进行互动交流，学生可将实验中的经验、教训、收获和问题在论坛上发布，教师可将实验中的不足提出来，师生共同探讨。教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息，以便调整实验教学的进度和深度。学生也可从中吸收别人的经验，快速提高自己的能力。

(1)学生：选课、选择实验、开展实验、接受实验指导、在线提交实验报告、保存和提交实验结果、查询实验成绩和批语。

(2)教师：典型实验库维护、发布实验、安排实验、批改实验报告、自动批改、智能指导、统计并发布学生的实验成绩和批语。

(3)教务管理员：课程计划、开课计划、选课日期设置、开课审核、开课查询。

(4)系统管理员：用户管理、分组管理、角色管理、权限管理、系统维护等。

通过虚拟实验教学管理系统，教师既可搭建典型实验或调取实验案例。方便地向学生布置实验任务，还可在实验结束后查看学生的实验结果。给出实验成绩和评价。虚拟实验管理足虚拟实验教学系统的重要特征。是虚拟实验教学系统与一般仿真系统的主要区别。采用网络化的虚拟实验管理可以有效地提高虚拟实验技术在教学上的应用效果。

实验仿真平台模拟真实实验中所使用的实验器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境并实现了网上开放式实验管理功能。用仿真软件组建的虚拟实验室，在实践教学中有益于拓宽实验渠道，有助于增加学生动手实践机会，是现有实验教学的有益补充。

开放式网上虚拟实验室系列产品可以促进学生学用结合，实验的安排更加灵活方便且不受时间空间限制。只要有网络的地方就可以动手做实验，实现真正意义上的开放实验室。虚拟实验可减少实验设备的维护强度，缓解当前实验设备不足，实现理论教学和实践教学的有机融合。通过建立虚拟实验室，完善现有实验教学体系。

物理实验教学改革是个任重道远的事情，不是一朝一夕能完成的，这就需要我们教育工作者勤勤恳恳，踏踏实实的工作，着眼未来，不断更新思路，开拓创新，与世界同步，才能更好地服务于中国的教育和广大学生，培养出更多更优秀的人才，为祖国的经济和社会发展做出贡献。这里只是愚人浅见，希望同行共同交流，为物理实验教学改革更进一步。

参考文献：

［1］张映辉，大学物理实验2010.1机械工业出版社

［2］胡亚平主编，大学物理实验教程湖南师范大学出版社