学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索

学生主导型物理实验与学生综合能力培养

的实践探索1南京大学物理学院高文莉2016年7月青海西宁综合能力是一个比较宽泛的概念，包括研究(创新）能力，表达能力，沟通能力和领导力等,从学生培养的的角度看，研究能力是极其重要的一个方面，其主要包含两部分：

一、提出问题的能力

二、解决问题的能力现在的大学教育偏重于后者，即学生的知识储备、分析问题、解决问题的能力。物理实验也是这样，从形式看，物理实验可以分为如下三类：2实验教学的一些思考—现状与目标一，基础和综合实验，一般给学生实验内容、实验方法、实验仪器，让学生按要求完成，这主要培养学生的基本实验方法、仪器的使用和动手能力等。二，设计性实验，给学生实验要求，一定范围给定实验仪器，由学生自己思考如何完成实验任务，这可以培养学生综合运用所学知识的能力。三，研究性实验，老师给学生一个想法或一个方向，由学生自己准备器材、摸索实验方法，让学生学习和体会用实验方法研究物理现象和规律，进而建立新的物理概念，同时形成良好的科学素养和科学研究的协作精神。3实验教学的一些思考—现状与目标从这些实验看，有一点是相同的，就是实验题目或问题来源于教材、实验室和老师，学生自主完成空间上有所不同，基本上属于分析问题和解决问题能力培养的范畴。让学生能够发现问题、提出问题这在当今高校人才培养已经开始重视，是学生研究（创新）能力的一个重要方面。著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道在2010年首届“创新中国论坛”上指出“要创新，需学问；只学答，非学问。要创新，需学问；问愈透，创更新。”4卡文迪许实验室（英国剑桥大学物理系）——集科研教学于一身，大学实验室的典范，是诺贝尔奖得主的摇篮(28位诺贝尔奖得主)麦克斯韦(1831-1879)JamesClerkMaxwell

第一任实验室主任麦克斯韦就学生实验有自己独特的主张：“实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制仪器，虽然经常出毛病，但他们却会比用仔细调整好的仪器，学到更多的东西。”虽然质朴，但这种理念形成了卡文迪许实验室实验教学的精髓。卡文迪许实验室的启示基础与创新不矛盾。传统教学不等于按部就班，卡文迪许教学实验室就是创新培养的经典。创新不是发现前所未有的新事物，而是学习发现新事物的能力。创新不神秘，有系统性的方法，是可以训练的。做研究是一种态度和方法，是理论联系实际，综合运用知识的能力，不是只有前沿尖端才有“课题”。从小学生到博士生都可以做研究。研究（创新）型人才：要能发现问题，解决问题，综合、灵活地运用知识，以科研的方式进行实验，甚至在知识体系不完备的情况下进行摸索，做出理解与判断。实验教学的一些思考—创新理念实验教学的一些思考—关于方法学习过程是演绎还是归纳？推理还是实证？知行还是行知？发现的过程和学习的过程有时候是相反的。学习过程也要部分的颠覆逻辑顺序。做法：将课程从理论先于实验的演绎式的逻辑体系解放出来，发展学生归纳式的学习能力与经验，要求学生在知识体系不完备的情况下，通过自学或摸索理解物理现象，培养跳跃式的学习能力。模拟科学发现的过程。

课程设置与四个培养阶段实验基本能力的培养

大学物理实验（一）、（二）创新研究意识的培养

大学物理实验（三）学生主导型研究性物理实验综合实验能力的培养近代物理实验（一）、(二)科学研究能力的培养

近代物理实验研究性实验，物理实验—南京大学教学模式探索“严”指构筑基础阶段，在低年级学生做实验时培养学风端正、思维严谨、操作规范、技能扎实的基本素养，接受科学思想和研究方法的严格训练。即便在此阶段也提倡“两少”“两多”：

少讲解，少示范，多摸索，多指导（针对具体同学，因人而异）“放”是指对高一级学生给予较多的自由空间，进行主动探索，引导学生以科研的方式进行实验。“在错误中学习，在行动中成长”“带”主要是请一批高水平的学术骨干教师指导实验课题研究，通过言传身教把学生逐步带入科学研究殿堂。实验教学三部曲：“严”“放”“带”具体说来，把大学二年级下学期开设的物理实验在教学模式上进行了改变，将课程分为两个阶段，让学生实验模拟科学研究的过程，要求自主完成一个自己提出的实验研究课题。第一阶段，六周时间，学生自主选择并完成感兴趣的实验项目，激发兴趣，唤醒好奇心，培养发现问题的能力

具体而言，课程开始时由教师对本课程近30个物理实验给学生逐一简要介绍，让学生从中选择并完成2-3个自己感兴趣的基本实验。在此阶段，给予学生较多的自由空间，让学生根据实验要求，进行主动探索，引导学生以科研的方式进行实验。10学生主导型物理实验—模式探索

开设这几个基本实验的目的不仅仅是要求学生独立完成实验，更重要的是学生要在实验过程中注意观察，寻找并发现一些自己觉得有进一步研究价值的现象。同时，指导教师除了一些必要的注意事项外，尽量少讲解，少示范，多和学生进行启发性的讨论，引导学生去观察、分析、思考，激发学生的主动探索意识，唤醒他们的好奇心，培养他们发现问题的能力。11学生主导型物理实验—模式探索

第二阶段，在第一阶段基础上，学生自己提出并完成课题，在期末参加公开答辩。

完成基本实验后，要求学生在此基础上或自己的学习生活中发现问题，提出自己的实验研究课题，并设计合理的实验方案，自主完成该课题。除此以外，课题也可以是学生理论课程中或平时看文献资料时想到的问题，可以是演示物理实验中的现象研究，可以是与物理相关的来自生活中的有兴趣的问题的研究。对课题，首先明确学生的创新课题及实验完成与实际意义上的创新要求是不同的，具体说来只要是自己现有的认知水平突破即可。一个好的课题可以是有新的思想、方法、可以是物理知识的合理灵活运用、可以是有较多的设备和自制器材使用，也可以是若干实验失败的总结和结论12学生主导型物理实验—模式探索

该课程有一支由教授领衔的具有学术背景的主讲教师队伍。教授们利用自己的科研经验给出建议、看法，引导学生体会科学研究的过程。考核采用课程论文答辩形式。完成课题过程中，让学生处于主导地位，包括实验课题的提出，文献、资料的查阅，实验方案的设计，实验设备条件的准备，实验论文的写作以及论文的交流和答辩。这样，通过模拟科学发现的真实过程，引发学生的科研兴趣，培养好奇心和观察力以及发现问题的能力，发展学生归纳式的学习能力与经验。13学生主导型物理实验—模式探索从实践情况看，这样的教学模式对学生是一个挑战，由于知识和实验条件、器材等局限，选择一个可行并能完成的课题学生需要花费较多的时间，有时几乎在一个学期中反复摸索才能确定一个课题，然后需要用双休日加班加点连续实验，完成课题和课题论文，通常结果可能还是初步的，好的课题可以在暑期和下个学期进行提炼和完善，这样一个过程，学生们普遍感觉是“痛并快乐着”，而老师和实验室主要提供指导和开放。我们看到，若干年后，学生对物理实验记得最清楚的正是这样一个实验。14

学生课题—案例我们选择从迈克尔逊干涉仪实验为例。这是一个光学测量实验，在教材上，主要有三个内容：1.测量激光的波长2.测量钠光灯双黄光的波长差3.测量玻璃的折射率。学生从该实验可以拓展出那些课题。15

课题1：补偿板与干涉条纹迈克尔逊干涉仪中补偿板的作用是补偿两相干光束因通过分光板次数不同而引起的附加光程差（特别是对复合光）.做该实验时有意地去掉补偿板,讨论在单色光照射时产生干涉条纹会发生什么变化？得到的如图结果，通过分析和计算机模拟,得到了与实验完全相符的结果.16

课题2测量厚透明材料折射率物理实验课程中，迈克耳逊干涉仪测量玻璃折射率主要是利用出现白光干涉条纹的零光程条件由放入玻璃片前后出现白光干涉条纹的位置，得到相关的光程．测量厚透明固体折射率，用白光调节出干涉条纹难度很大，由于折射率与波长有关，要求待测样品要尽量薄．为解决这局限，提出采用半视场法。半视场法用激光为光源，在光路中一半视场放入平行待测材料后，调节反射镜，视场两边对应的干涉条纹出现条纹陷入和涨出，当合成为圆时如图可以得到相关的光程差。17课题3重建蜡烛火焰温度场空气温度不同，折射率将发生变化，从折射率的变化经过定标可以得到温度分布，选择蜡烛火焰作为实验对象,研究周围温度变化，应用阿贝尔变换法和环带法,对轴对称温度场进行定量计算.计算时通过噪声处理,低通滤波,获得二值化后的图像，从而得到的温度分布如图。18课题4：空气折射率与压强的关系研究

迈克尔逊干涉仪由于样品空间的限制，不方便在光路中加入其它仪器。学生自行组建的M-Z干涉仪测量空气在不同压强下的折射率，主要用于测量气体等大面积区域中折射率的微小变化.而且光路在研究容器中只经过1次,这使得该区域的光程变化显得很直观。得到下图的压强与折射率关系。然后从经典的电介质理论对空气折射率产生原因进行了分析。

压强与折射率的对应关系19课题5：测量铝薄膜的轴向应力

这也是一个从迈克耳逊干涉仪实验拓展出的课题，应力是薄膜制备和生产过程中存在的普遍现象,薄膜应力产生的原因有2个方面:一是由于薄膜和基底的热膨胀系数不同而引起的,称为热应力;一是由于薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的,称为本征应力，实验采用迈克尔逊干涉仪变形结构（如图）测量其力应变和热应变，对测量的结果进行了拟合。20课题6：溶液中溶质扩散的研究这是一个现在没有成功的课题。

课题想法：溶液的折射率与溶液的成分和浓度有关，迈克耳逊干涉仪能测量折射率的变化，可以用来进行溶质扩散的研究。学生在该课题研究过程中，解决了图像变化的获取，而样品盒中三维扩散信息的提取困难，自己制备的二维扩散样品盒（相当于薄膜），材料平整度、平行度等效果差，使得未能取得预期的结果，这样的课题我们也给予鼓励。21十多年来，在这样一种实验教学模式的探索中，我们看到，虽然有些课题最终看起来似乎简单，实际上是同学多次反复、多次提炼和修改获得的，是付出了大量精力后的结果。从统计看每届近300名学生中，有10%左右的学生课题有新意，花费时间是远远多于课程给定时间，40%同学比较好地完成了整个过程，20-30%基本上是应付。实验室老师工作量也有比较多的付出。22复杂的自然现象及事物是可以被“理解”的。在课本上