非物理专业大学物理实验教学改革

分类：高等教育论文发表 时间：2019-03-30 11:24 关注：(1)

　　这篇论文主要介绍的是非物理专业大学物理实验教学改革的内容，本文作者就是通过对大学物理实验课程性质的内容做出详细的阐述与介绍，特推荐这篇优秀的文章供相关人士参考。

　　[关键词]网络教学平台;大学物理实验;智慧实验室

　　1大学物理实验课程性质

　　物理实验是高等学校对学生进行科学实验训练而独立设置的一门基础必修实验课，体现众多科学实验的共性。大学物理实验以实验为基础，覆盖面大，实用性强，其各个层次的实验题目和内容都经过精心设计、安排，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练。它是大学生在实验思想、实验方法及实验技能等方面接受较为系统、严格训练的开端，在培养学生自主学习、活跃创新意识、理论联系实际和调整适应科学技术发展的综合能力方面有着其他实践类课程无可比拟的作用[1]。

　　2大学物理实验课程教学现状及存在的问题——以福建农林大学为例

　　2.1课程教学现状

　　福建农林大学物理实验中心(以下简称本中心)实验室占地面积约3500m2，实验仪器台套数1700余套，价值约900万元，可开设实验项目50余个，分为基础物理实验、综合性物理实验和仿真实验、设计性物理实验三种，涵盖力学、热学、光学、电学、近代物理学五部分。大部分实验仪器为32套，30人一班，2套备用。每年进入本中心实验操作的学生约为3500人，总计10万人时数。开设大学物理实验A、B、C和E课程，学时分别为40、30、20、16学时。

　　2.2存在的问题

　　2.2.1学时数不足按照教育部2010年颁布的《理工科大学物理实验课程教学基本要求》(以下简称基本要求)，物理实验课程至少要求54学时，对于理科、师范类非物理专业和某些需要加强物理基础的工科专业，建议实验课时一般不少于64学时，而福建农林大学安排大学物理实验最多的电科专业也只安排40学时，分两个学期上，分别为24学时和16学时[1]。2.2.2教学内容未与最新技术衔接教学内容包括测量误差与数据处理的基础知识、基础性实验、综合性实验、设计或研究性实验四大部分，然而理论课程与实验课程教学不同步，教学内容较为陈旧，教材更新不够及时，与中学物理实验教学的衔接存在断层。其中，最新现代科学技术在课程中几乎没有体现，与高科技的创新和发展存在脱节。2.2.3教学模式单一因课程本身具有抽象性、推理验证、逻辑性等特点，学生课前通过书本进行预习，理解实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容;由教师在课堂上讲解实验内容、步骤、仪器使用方法及注意事项，数据的处理与分析等，然后学生根据理解的内容操作仪器，观察实验现象，记录实验数据;课后，学生处理实验数据及误差分析，得出结论，完成实验报告。近年来由于招生量的不断扩大、高考物理改革、学生生源地来自五湖四海等，使得学生物理基础情况差异显著增大。有些专业录取学生文理兼收，有些学生甚至在高中时期就已经没有学习物理;还有些学生来自西部欠发达省份，高中时根本没上过物理实验课。由于学生是非物理专业，在学习中意识不到学习物理实验与自身发展的关系。学生的自学能力不强，常常照抄教材。高中时物理基础不好，学生在大学时对大学物理产生抵触情绪，从而将这种情绪带到大学物理实验课堂。多数采用讲授式教学，以教师为中心，师生间交流互动少，无法启发学生的创造性思维。在课堂上完全由教师讲解和演示，这占用了大量的课堂时间，导致学生动手时间少，对实验缺乏兴趣。学生在灌输式的教学模式下被动地完成实验，甚至不知道实验目的及实验原理，只是机械地按照既定的操作步骤一步步完成实验，学生们只在意最后的结果是否符合要求，对实验过程中出现的实际性问题不关心，当实验理论和理论数据相差太多时，临时改变数值，或者直接在误差分析中将问题归结于仪器破损或其他原因，并不会仔细分析实验过程和实验条件等，找出产生问题的真正原因。2.2.4实验室资源未被充分利用本物理实验中心的实验室分布在两个校区，只配备4名专职实验员，只能保障正课时间正常开放;在没有课程教学安排时，大部分实验室和实验仪器处于闲置状态，其可开发潜能很大。实验员除了管理实验室，还有相应的教学任务需要完成，其工作量并不低于专职实验教师。另外实验室管理模式以人工为主，开放程度低，无法满足新时代学生个性化、自主化学习的需要。仪器设备维修费每年只有6万元，维修率0.67%，远低于国家要求的2%标准[2]。

　　3教学改革举措

　　本中心参照《理工科大学物理实验课程教学基本要求》的文件精神，结合本校实情，本着始终坚持以学生为中心的实验教学理念，对大学物理实验进行教学改革。针对现有不足之处，从教学内容、教学方法、举行CUPT竞赛以及建设“智慧实验室”等方面对大学物理实验课程进行有针对性的教学改革。

　　3.1开发课堂学习深度，提高学习效率

　　这个问题只能通过学校层面统一协调安排，短时间无法解决。既然学时数无法增加，只能在课堂学习的深广度上开发，提高学习效果。经费不足，就要求我们必须通过不同仪器组合或自行设计新教学仪器来满足实验教学。本中心自行设计数字示波器测试模块，本模块可以测试半波整流、桥式整流、滤波电路等。经过两学期实验教学，学生通过此测试模块基本掌握了数字示波器的大部分功能，取得很好的教学效果。

　　3.2结合农林专业特点，完善和更新教学内容

　　只有坚持以学生的需求为导向，以学生的体验为核心，才能真正激发学生的学习兴趣。近三年，本中心购入黑体辐射实验仪、空气热机实验仪、波耳共振仪、巨磁电阻效应实验仪、燃料电池综合特性实验仪、单反数字照相机等实验仪器，投入物理实验教学中，取得显著的实验教学效果。采用分层次教学，按照6∶3∶1的比例分配基础性实验、综合性实验、设计性或研究性实验的教学课时。实验内容的设计多与学生的专业相结合。根据专业大类来设置实验项目，以适应学生专业的发展需要。每个专业大类的学生，除了完成一定数量的必选实验外，其余实验则结合专业来设置，形成模块[3]。例如对于电科、电信、计算机专业的学生，主要设计电学，电磁场、信息采集联系密切的物理实验，如自组电桥实验仪、PN结正向特性综合实验、黑体辐射实验等;农林类专业的实验以光学、热学方面的实验居多，如导热系数的测量、落球法测量液体的黏度、光电效应测定普朗克常量等;对材料、化工专业的学生，则安排燃料电池综合特性测试、铁磁材料磁化曲线和磁滞回线的测绘、巨磁电阻效应实验等。对机械类专业学生则安排刚体转动惯量的测量、波尔共振实验等。实验内容结合专业情况来设计，例如基本测量实验安排的是测量不同茶叶水(红茶、绿茶等)或饱和盐水的密度。液体表面张力实验，提供自来水和纯净水来作对比实验。将生活中的现象与实验内容相结合，提高学生学习兴趣。将光学实验的很多知识，如光学透镜成像原理放在数码摄影上讲授，要求学生用单反数字照相机拍摄出曝光模式、曝光时间、光圈系数、ISO以及焦距等参数各不相同的照片。学生感觉学有所用，学习积极性很高。在“落球法测量液体的黏度”中，通过讲述汽车机油与黏度之间的关系，分析温度对液体黏度的影响。PN结正向特性综合实验，则联系常用电子器件如二极管、三极管给学生讲解[4]。

　　3.3改革教学方法

　　3.3.1实施“互联网+大学物理实验”“互联网+”思维与大学物理实验有机相加、深度融合，带来“1+1>2”的效果。构建双向互动、自由共享的大学物理实验中心教学平台，强调“以学生为中心”，以学生的特征、能力、需求等作为一切活动的出发点和落脚点[5]。该平台在PC端和手机端均可使用，教师将实验课程相关资源如实验要求、参考资料、补充讲义及时上传至网页、辅导教学APP平台。差异化分类整理实验课程相关资源，供学生自学使用，有效帮助学生获取所需知识。随着新实验仪器和新实验内容的不断引入，原有的物理实验教科书已经不能满足现有的实验需求，因此教师需要编写新的实验讲义。这些讲义以及相关的参考资料、视频等都会上传至平台。通过平台，教师和学生可以进行信息实时交换，把孤岛式的人和信息源沟通连接起来，及时收到反馈、解答相关问题，促进师生间沟通和讨论，引导学生自主学习，有效拓展该课程的信息化教学空间。开展嵌入式视频教学，将与实验相关的PPT讲解、结合仪器的实验操作讲解，现场实验操作步骤等制作成视频微课，建立链接，挂在本实验中心网站的超星学习通、微信公众号、APP上。利用网络解决和实现教育领域教学活动的4A(Anyone、Anytime、Anywhere、Anystyle)问题[6]。学生在观看学习视频时，还需要正确回答弹出的问题，方可继续，否则视频又跳回本知识点重新开始。学生只有提前进行线上学习，获得相应的预习成绩，方可被允许进入实验室。这样就大大地了减少了课堂教学时间，为线下课堂实践获得更多时间。视频内容一般包括实验目的、实验仪器、实验原理、实验内容、注意事项。以下列出与课本不同的项目内容。①实验仪器部分：把仪器结构打开，让学生清楚仪器的内部构造、工作原理、设计思路、测量方法。②实验原理部分：增加物理学史，增加与该实验相关的背景知识介绍，剖析其创造进程，可以激发学生的思考，引起悬念，探寻始末，领略方法论的奥妙，弥补书本和课堂上因篇幅时间限制不能展开的资料。只有让学生在做中学、学中做，才能领略其中精妙的研究方法和实验构思。例如迈克尔逊干涉仪是因研究“以太”而设计出来精确程度达到10-5mm的干涉仪，从而证明“以太”并不存在，其对学生精神的激励作用远大于实验操作本身[7]。③注意事项：实验操作中需要注意的关键点，规范仪器操作。学生在实验操作有的放矢，做到心中有数，手中不慌，安全、准确，提高效率。3.3.2课前知识论证参考课本和课前发放的“物理实验数据记录表格”中预习要点、自学视频材料学习和撰写预习报告。预习报告内容要精练，要求学生总结其知识点，一张A4纸的篇幅左右即可。预习成绩由视频成绩和纸质预习报告成绩两部分相结合。3.3.3课堂设计上课时，学生必须要带上“物理实验数据记录表格”，每学期初，该表格由全体实验老师统一讨论设计，结合以前的教学反馈，对实验要求进行修改。表格内容由预习要点、实验内容、实验注意事项、数据处理要求、思考题、原始数据记录表格、参考公式等内容组成。课堂教学过程：主要利用“雨课堂”的课堂互动功能，教师把事先准备好的5道题(视实验而定)上传到班级“雨课堂”，然后学生可以通过手机当场在规定的时间提交答案。通过“雨课堂”的互动教学，实现知识传授。还可以利用雨课堂“弹幕”功能，进行集体讨论，引导学生积极思考，变被动学习为主动自主学习。通过0.5学时的教学互动，传统实验的教学目的已经达到了，接下来学生按照实验内容来操作实验仪器，这是一个验证的过程，大部分学生均能胜任。通过线上线下结合的实验教学设计，实现“能力翻转”。3学时的实验课，安排0.5学时用于“知识翻转”，2.5学时用“能力翻转”。针对“迈克尔逊干涉仪的调节与使用”这一基本实验内容，我们安排了研究性的实验内容：将M2镜换成带有压电陶瓷管的M2镜。通过线上预备知识的学习，以及线下实验课堂第一环节的知识翻转后，学生对研究性实验的内容都很感兴趣。将数据当场给教师批阅，教师给分后即在平台上登分。学生若下载了APP或微信关注，则会实时收到分数变动的消息推送。3.3.4课后数据处理课后，学生要如实根据实验课上获得的数据，完成对应的数据处理及误差分析。鼓励学生多用计算机辅助绘图软件及计算软件，完成实验数据处理分析。个别对实验有新想法的学生，可以在报告上提出，提交报告后，由教师讨论验证。

　　3.4举办物理学术竞赛

　　近年来，CUPT(ChinaUndergraduatePhysicsTour-nament,简称CUPT)竞赛受到大学生的欢迎，学生参加该赛事后，可进入CUPT实验室做实验。该实验室除配备物理实验仪器外，还配备3D打印机、激光雕刻机、光纤打标机、多功能小型钻铣床及微型机床，引导学生立刻将想法变为实物，便于研究性实验，设计性实验的开展，同时分配导师，随时进行指导。通过举行竞赛，模拟学生今后进入科研团队的场景，满足培养研究型创新人才的需求。每学期初，面向全校学生公开报名，报名结束后，单人参加校级初赛。进入复赛的同学就组成几只队伍进行比赛。组队后，我们将选择当年IYPT(InternationalYouthPhysicist’sTour-nament)竞赛的题目给他们，分配导师，开放实验室，由学生在课余时间完成。最终选择5名同学代表学校参加CUPT全国赛。学生们反映参加竞赛后，其独立实验的能力、分析与研究的能力、理论联系实际的能力以及创新能力得到质的飞跃。建立传帮带，以勤工助学的方式鼓励高年级优秀学生帮助指导低年级学生，特别是CUPT竞赛指导，实行开放实验室值班制度，提高实验室利用率，便于学生进一步自主学习、研究性学习。

　　3.5智慧实验室

　　基于物联网建设“智慧实验室”，以计算机网络和移动通信网络为通讯平台，以多种类型传感器、控制器、终端为感控中枢，实现实验室门禁、供电、仪器以及实验教学秩序网络化实时管理。基于教学平台实验开放预约、自主学习、虚拟仿真等功能，及时报修损坏仪器，预定实验耗材等。不同人员以不同的权限进入本实验中心。基于物联网的实时监测、智能控制、实时通告、信息归集等功能，实验室信息公开化、网络化、实验室和仪器设备管理维护智能化，减少不必要的资源，提高实验室教学和管理水平，打造符合新时代要求的“智慧实验室”。建立走廊文化，在本中心实验室走廊墙壁上有本中心概况、物理实验相关信息、诺贝尔物理学奖获奖者情况等。同时，还有一个5m×1.2m的LED屏，动态展示本中心及物理实验的相关信息。学生反映受走廊文化的影响，一进入物理实验室，就感受到浓厚的学习氛围，迅速被吸引到实验科学的大海中。

　　4结束语

　　立足农林院校学生特点，实验中心对大学物理实验课开展因材施教、分类指导的分层次教学，提出“互联网+大学物理实验”的教学模式，开发PC端和手机端物理实验教学平台，引入嵌入式视频教学。经过一年多的实践，这些教改方法已经初有成效。通过线上和线下的充分融合，提高课堂效率，更多关注学生的个性特点和需要，更好地构建“以学生为中心”的主动学习模式。基于物联网和便捷的移动通讯工具实现实验室现代化管理，降低了教学管理的人工量，使实验室管理更好地服务于实验教学。

　　作者：吕灵燕 梁真 王玉柱 林斯乐 单位：福建农林大学机电工程学院