大学物理实验动手能力探究

大学物理实验动手能力探究第一章绪论1.1物理实验动手能力概念分析大学物理实验课程的主要任务是培养学生的实验能力。而学生的实验能力基本上可以分为实验动手能力、实验研究能力和实验创新能力三部分[1]。其中实验动手能力是基础，只有这个基础打好了，对实验研究能力和创新能力的培养才成为可能。实验动手能力,主要指实验操作能力、实验观察能力和实验制作能力。实验操作能力就是指利用现有仪器设备条件实现既定实验方案的能力；实验观察能力就是指观察客观现象,捕捉过程信息的能力；实验制作能力就是指根据自行设计的实验方案自己动手制作简单实验仪器和工具的能力。物理实验的动手能力是物理实验能力的一种。它主要是训练大学生安装、调试、操作实验装置的技能。实验的动手能力并不是简单地、机械地操作实验，而是大学生通过学习物理知识，在解决物理问题的过程中，根据一定的实验目的和任务，借助实验仪器，运用一切已知信息，实现实验方案或计划的能力。它具有以下特点[2]：1、理论知识与操作技能相结合。物理实验的动手能力离不开物理知识和实验操作技能，物理知识匾乏，物理实验操作就无从谈起，而动手能力差，也无法实现物理实验操作。物理实验有简单的，复杂的实验，再简单的实验要完成它也必须具有理论知识和操作技能两个条件。2、要有一定的物质主体作为动手对象。如操作仪器，使用工具等。3、动手操作过程可以看得见，且切实执行，动手操作过程不能合并，省略和简缩。4、实验操作具有精确性、定时性、协调性和稳定性。每个实验步骤或每种仪器的都有一定的规范，操作过程要有时间要求，执行操作时动作要配合得体，协调，要适应实验条件的变化。5、物理实验动手能力是属于细微型、断续型的能力，需要借助物理实验装置来体现。6、动手能力是一种综合能力，大学生在操作实验的整个过程中，有了正确的实验原理，良好的实验设计和仪器，也不一定能顺利完成实验操作过程，只有操作能力、智力、非智力等因素共同发挥作用才能使实验过程得以顺利进行。1.2提高大学生物理实验动手能力的意义大学物理实验课程是大学生进行科学实验的一门独立设置的必修课，是同学们进入大学后学习系统实验方法和接受实验技能训练的开端。通过一定数量的力学，电磁学，光学等基础物理实验和近代物理实验及误差与数据处理理论、CAI实验教学课程的学习，培养大学生对物理现象的观察、分析能力。物理实验的动手能力是物理实验的核心部分，每一个物理实验的全过程都离不开对实验装置的安装、调试和操作，动手能力的高低直接影响到完成实验的质量[2]。每个实验都有它的目的、要求和具体任务，正确的安装实验仪器、实验装置，是实验动手操作最基本的要求。调试实验仪器和实验装置是为实验仪器，实验装置达到最佳工作状态，提高实验精度。认真细致的使用仪器，操作实验装置，这是物理实验必须达到的要求，是完成一项实验的基本保证。实验的动手能力渗透在实验全过程的各个环节[3]。大学物理实验是工科院校的学生进人大学后受到系统的实验技能和方法训练的开端，是后继课程的实验基础，要使大学生具备较为深广的理论知识和足够的现代科学实验能力。动手能力不强，会直接影响工作就业，会影响科技创新。对实验的安全也是一种隐患。提升动手能力有利于培养学生的创新意识，提升自身的实践能力，提高分析问题，解决问题的能力以适应现代化工科人才的培养[4]。第二章大学生物理实验动手能力现状调查与形成原因2.1大学生物理实验动手能力现状大学物理实验课程的基本内容[5]：1、误差与数据处理。理解与掌握测量数据处理的基本知识：误差概念、有效数字及运算规则、数据处理的基本方法（列表法、图示法、图解法、逐差法、最小二乘法等）。2、物理测量与力学实验。长度密度测量、金属丝杨氏弹性模量的测定、扭摆法测转动惯量、三线悬摆测转动惯量、液体表明张力系数测定、液体黏滞系数的测定、声速的测定等实验。3、电磁学实验。包括伏安特性曲线的绘测、电表改装和标程、万用表的使用直流电桥测电阻、模拟静电场、用电位差计测量温差电动势、磁场的测量（霍尔效应法测磁场、感应法测螺线管磁场）、示波器的调整和使用等实验。4、光学实验。包括分光计的调整和使用、光的等厚干涉、迈克尔逊干涉仪、光栅衍射法测定光波的波长、光的偏振等实验。5、综合性与近代中级物理实验。包括全息摄影光电效应法测普兰克常量、密立根油滴实验、弗兰克-赫兹实验、动态杨氏模量、金属溢出功实验、核磁共振等实验。6、设计性与课题物理实验。包括焦利秤测固体密度、碰撞设计、弹簧振子运动、测定电振音叉振动频率、简易欧姆表设计、设计组装电位差计、弹簧振光的波长、单缝衍射的光强分布、光偏振现象的研究等实验。7、设计仿真实验（CAI）。通过计算机仿真物理实验的模拟操作，对大学生理解实验原理和剖析仪器的性能和构造，了解实验的设计思想与方法有很大帮助，同时在一定程度上也提高了大学生的计算应用能力。在了解了大学物理实验课程内容后，本人经过查阅大量文献并访谈一部分同学后了解到，大学生在大学物理实验中动手能力有些不足，具体表现在以下几个方面：1、部分同学不会正确地对测量数据进行处理，不了解误差、不确定度的概念，也没有掌握一些数据处理的基本方法。2、实验前没有通过预习明确实验原理，对实验内容不熟悉，准备不充分。3、实验中不能独立地完成实验，有些同学不能独立正确地安装、调整常用的实验装置，没有掌握一些基本的实验操作技术（如零点核准、消除视察差等），有些同学不清楚基本实验方法（如换测法、静态与动态研究法、模拟法、干涉法等）。4、实验后不能写出合格的实验报告。实验报告主要有三部分组成：实验预习报告，实验原始数据表，实验数据处理和实验结果。有的同学原始数据表缺失，有的同学不知道所测量的物理常量的理论值是多少，个别同学自己不撰写实验报告，而是抄袭他人的。2.2形成大学物理实验动手能力不足的原因分析以查阅的文献和访谈的结果为基础上结合自己的体会来分析，大学生物理实验动手能力不足的原因有以下几点：一、大学生对物理实验的重视程度不够，部分同学对物理实验只是持一种应付态度。大学生对物理实验并没有认真对待。有些大学生单纯的为了学分或者因为是必修课而不得不学习，却不知道利用实验提升自己动手能力并学习一些物理原理。造成重视不够的原因有很多，最主要是大学物理实验毕竟只是从属课程[6]，许多同学认为只要拿到学分就可以了，而把重心放在所谓的主要课程上，比如英语，计算机等。二、大学生对物理实验课程的兴趣不足，许多大学生对物理实验都不感兴趣。刚做实验的同学只喜欢摆弄实验仪器，一旦新鲜感过了以后便不喜欢动手，不愿意努力专研深入进去。在课后也不愿意参加一些开放性实验课程，在物理实验操作较好的同学中，也只有少部分同学有兴趣参加大学物理实验竞赛。虽然大多数兴趣是靠后天培养的，可许多同学对大学物理实验基本不熟悉，在操作过程中没有仔细观察实验现象，分析现象产生的原因，也就很少体会到实验的乐趣，因此也就很难培养做物理实验的兴趣。三、大学生在物理实验前没有做预习工作，在课前没有明确实验原理，对实验内容并不十分熟悉，准备不够充分，导致了在实验过程中有些仓促，加上实验课时间有限，往往导致实验没做完就草草了事。个别同学在课后也不去实验室补完实验。大学生不做预习工作的原因有很多，最主要的应该是偷懒，怕辛苦，认为实验预习没必要，还有些同学都把精力放在了其他一些所谓主要的课程上，而放弃了对实验课的预习工作。四、大学生在物理实验过程中没有注重自己的基础操作，对错误或者不规范的操作不予以改正，对产生的物理实验现象也没有进行认真的研究和分析。比如在示波器的调整和使用的实验课上，当示波器上的图形不符合要求时，部分同学没有分析自己操作错误的地方，而是盲目的调动一些按钮。许多同学都能在示波器上调出李萨如图形，但一般的李萨如图形都不太稳定，同学们对其抖动原因不求甚解，也不知道用示波器的“同步”按钮来稳定。基础操作不过关，就会影响到实验的科学性，甚至会产生安全隐患，因此不能正确和安全地完成实验。五、在实验过程中同学们耻于问于老师，喜欢低成本地问同学，不喜欢费力地看书问老师。大学物理实验课程包含的内容十分复杂，涉及到许多方面，这其中大学生必然有许多不懂的地方，部分同学遇到问题时，耻于下问老师，对问题不管不顾，或者只是问下同学，知道个大概就可以了，而没有去深究，细究。因此也就不能通过物理实验学到更多的物理知识，也就无法更有效的提升自己物理实验动手能力。六、在实验课后部分同学没有很好处理实验数据，有些同学认为实验只要有数据就可以了，而对实验数据的处理十分草率，对误差和不确定度没有进行精确的计算，因此无法撰写出较好的实验报告。七、在实验结束后，部分同学对实验不做复习，不加深对实验内容的理解与记忆。在完成每个实验后应当对实验内容做复习，并思考一些相关的内容，如在金属杨氏弹性模量的测定实验后，可以思考实验中“光杠杆”放大法与力学中的杠杆原理有什么异同点。这样不仅能巩固实验课中所学内容，更好地掌握实验操作过程，还能学习到另外相关的一些物理知识。第三章对大学生提高其物理实验动手能力的一些建议针对第二章分析出动手能力不足的原因，为培养与提升大学生物理实验动手能力对大学生物理实验学习提出了以下一些方法与建议：一、提高自身对物理实验的重视程度物理实验课程并不是只给我们拿学分，拿学位证书的工具。教学大纲要求大学生必修物理实验课程，我们应当充分了解并认识到物理实验对专业成绩的帮助作用，物理实验不仅能让我们了解到一些物理原理，还能提升我们的动手能力，认识一些物理常识，能够更好的认识客观世界。提升动手能力有利于培养自身的创新意识，提升自身的实践能力，提高分析问题，解决问题的能力以适应现代化工科人才的培养。二、提高自身对物理实验的兴趣大学物理实验课程对于理科，工科的大学生来说是必修的一门基础实验课程，大学一年级就开设物理实验课[7]。物理实验的仪器，中学和大学的通用率很低，大一新生总会对大学的物理实验充满向往。虽然物理实验都是一些基础性实验，但很多物理规律的发现，高科技的发明创造都是在简单的基础实验中获得启发的。大学生们要在各个具体的实验中归纳和学习相关的物理思想和物理知识，不仅要注重自身技能的训练也要注重培养自身的研究问题、解决问题的思路和方法，使自己觉得物理实验不是分散的，零碎的东西，而是有规律的，整体的[8]。对物理实验的一些原理与实验现象仔细了解和观察，激发与培养自己对实验的兴趣。三、课前对物理实验做预习在实验前，对实验做预习是十分有必要的，实验课的时间十分紧张，如果课前不做预习，对实验的操作过程和原理都不清楚，在实验课上就会非常盲目，不知从哪里下手。理解学习任务,既涉及对学习任务本身的界定以及说明,也涉及自身积极利用以往相关的经验,让现在的学习与以往的经验相联系[11]。具体到物理实验中,就是指我们在进行实验之初,首先要明确地知道该实验要求掌握哪些实验操作技能,并详细地了解这些实验操作技能的性质、特点以及注意事项,使自己对将要完成的任务有一个明确的期望和目标。当然这种目标和期望的提出既要考虑到任务的难易,也应以熟悉自身的实际情况为前提,不能超出自己的能力范围。四、注重自身基础操作的培养物理实验涉及的知识面很广，包括力、热、光、电、磁声及近代物理，对于这些实验内容，根据自身的实验能力，循序渐进、从易到难，针对每项实验的内容去培养自身的动手能力[9]。物理实验中的很多实验装置都是由基本实验仪器组成的，因此首先要学习懂得使用基本实验仪器如力学中的游标卡尺、螺旋测微计、光杠杆、读数望远镜等等。电磁学中的指针万用表、数字万用表、示波器、滑线变阻器、电阻箱及各种电表等等。还有光学、热学等其他课程的实验基本仪器，都应掌握它们的基本原理及使用方法，这些仪器的使用方法，可集中练习，可分散练习。在每个实验过程中基础操作都是十分重要的。基础操作不规范，影响到实验的许多方面，实验就很可能失败，就无法提升自己的动手能力。很多物理实验装置都需要自行安装、调试、然后才能操作实验。为了提升动手能力我们应自行安装实验装置，实验结束后再拆下来。如复摆振动的研究[10]，刚体转动的研究等实验都可以看说明书动手安装实验仪器，然后调试实验仪器，最后操作实验。光学中分光计的调节实验，是操作规范，手脑协调训练的最好体现。首先要了解分光计的结构、规格、其次进行粗调、粗调很重要。如果粗调不认真，可能给细调造成困难，再次是细调细调要非常有耐心而且必须按步骤。按要求进行才能把分光计调节好。其实物理实验就应先布置、安装和调试仪器、检查桌面上若干仪器的布置是否合理，读数是否方便，耐心细致的调试仪器达到最佳工作状态，做到操做有序。这样可能会花去很多时间，但就整个实验进程来说，实际是加快速度，而且实验质量也较好。五、注重实验过程，要多问问题在实验过程中有必要得到策略方面的指导才能更有效地完成动作技能的学习[12]。因此在实验过程中,应该根据自己的实验能力要求教师对自己的实验操作过程加以指导。不仅要学习正确的实验方法和实验技巧,还要纠正自身错误的理解和不正确的操作。当实验的内容比较复杂、难度比较大时,可以要求老师进行示范操作,并且配合指导性的讲解,这样有利于更快的学习与提升自身的能力。在实验结束后，对自己测出的实验结果或者数据要有信心。如果数据不正确，不要抄袭别人或者自己瞎编乱造数据，而是因该仔细分析自己的数据，发现自己在实验中犯得错误，并且重新进行测定。六、充分利用学校的实验室，在课余时间多参与开放性实验由于自身的水平、能力、兴趣、爱好等因人而异。因此在要在实验课的规定时间内，要求完成某些复杂实验内容有些不现实，所以要根据自己的情况和需要来安排实验进度[13]。在实验课上未完成的实验，我们应当在课后的空余时间利用学校开放的实验室继续完成实验。另外自己觉得学有余力的同学还可以在课余时间搞一些小实验、小制作，并让老师对自己的作品进行评定，记入实验课的成绩。这些措施都是培养自身动手能力的有效途径。在实验过程中应大胆仔细，在实验过程中由于非故意的原因造成的仪器损坏或故障,我们应不必害怕并且主动分析原因、排除故障，使自身敢于动手操作在发现问题和解决问题的过程中可以学到更多的操作技能。在课余时间可以报名参加学校开设的开放性实验，这些创新与综合性实验对提升自身的动手能力有很大帮助。在物理实验课上，由于有学时和要求的限制，一般都是在课堂上按规定的步骤完成实验。而在开放性实验中，从实验器具的安装、调试与观察实验现象等实验过程和实验结果的整理，都由自己独立完成。同学们的动手能力有了明显的提高。参加开放性实验还可以提高自身主动学习的积极性。实验项目可以根据自己的兴趣和需要自选。因此，同学们一般在实验前就充分预习，资料准备也较为充分，实验过程就会非常认真并且十分高效。开放性实验全部安排在课余时间，这样也不会占用到大学物理实验课程的时间。七、有能力的大学生要积极参加大学生物理实验竞赛近期开展的省大学生物理实验竞赛涉及到许多大学物理实验课程中的实验内容，比如霍尔效应及其应用，光的等厚干涉，夫兰克-赫兹实验等等。这些都是平常我们实验课所做过的内容。实验竞赛的实验方案要自行设计，这可以提高我们进行实验设计，分析问题和解决问题等方面的能力，从而提高了自身的综合能力素质。实验竞赛的项目也比较贴近实际生活，使自己对物理实验的产生浓厚兴趣。这些建议可以具体到实际的实验课程中，比如在电表的改装和校准的实验中，在实验前应该自己主动的先做预习，掌握电表改装的基本原理和方法，并学习用比较法校准电表并绘制校准曲线。学会利用并联电阻分流扩大电流量程，利用串联电阻分压扩大电压量程。还可以在实验前通过网络了解电表的使用范围，了解一些电表发明的历史，增加对电表知识的兴趣。与此同时也要熟悉电表在日常生活中的作用，认识到学会使用电表的重要性。在实验过程中，熟悉要使用的仪器相关参数，如表头的量程，滑线变阻器的阻值范围等等。还应当注重自己的一些基本操作，比如电阻的接入，实验电路的连接。特别是在测表头内阻的时候，注意活动变阻器的正确安装，合理的闭合打开开关，以免使表头过载。在改装好电表和应该予以校准，在校准过程中要熟悉校准的原理，用一个准确度较高的电表进行比较，在校准前应学会机械调零，并按照要求校准量程与刻度。在实验结束后对数据要进行处理并且进行不确定度的计算。在实验课后可以思考怎样把表头改装成多量程的电流表，并在课后利用学校的实验室进行实验。第四章对大学物理实验教学的几点建议一、充分利用计算机对实验进行仿真并且演示充分利用计算机技术获取物理实验信息及处理数据，利用现代多媒体技术丰富实验教学手段[14]。计算机辅助教学己成为现代化的教学手段通过交互操作和多媒体技术图、文、声并茂等方法,可以形象、生动、全面、准确地演示教学内容。利用计算机模拟仿真技术完成虚拟与现实、模拟与仿真的实验。可以随意改变实验的参数,测试各种数据,能模拟各种实际状况进行快速实验,并且能够获得良好的实验感