开拓型开拓型-渐进式综合性实验教学模式探讨

开拓型开拓型-渐进式综合性实验教学模式探讨

在基础大学的理工职业课程体系中建立全面的物理实验，可以为学生提供基本的物理实践技能培训，促进学生深入理解物理概念，掌握物理规律，灵活运用物理知识。为学生培养理论与实践相结合，培养创新能力和依守性。1传统物理实验教育的缺陷1.1关于多实验实验设计的讨论当采用传统物理实验教学模式时,实验仪器大多数被用来测量某一最常用、最基础的物理量,但实际上,对于同一种仪器而言,特别是通用实验教学仪器,不仅可以测量一种物理量,而且还可以搭建多个实验,测量多种物理量。也就是说,实验仪器的作用远远没有被充分利用,特别是一些昂贵的设备,这是极大的资源浪费。1.2培养了单一学习内容的兴趣在传统物理实验教学中,学生仅需按照教学内容用固定的教学仪器测量基础物理量,相似的操作方法、相同的数据测量及数据处理方法,使学生对于这种单一学习内容失去兴趣,因而在实验中往往“照猫画虎”、凑学分,而且抄袭实验报告的现象严重。1.3实验教学模式创新传统物理实验教学,在教学目标上过分强调与理论教学相衔接,而忽视了实验能力和创造能力的培养;在体系上偏重经典理论和传授分散型具体知识,而忽视了按能力结构传授由浅入深的系统知识;在内容上陈旧的验证性实验较多,而忽视了实验的新理论、新技术和新方法;在教学方法上侧重按实验步骤进行操作,而忽视了实验教学中的渐进式启发式教学。为充分利用既有实验教学仪器,发挥物理实验在学生能力培养中的作用,必须深化物理实验教学内容、方法、手段等的改革,拓宽外延,提升内涵,即按“加强基础、重视应用、开拓思维、培养能力、提高素质”的方案来改革实验教学。为此,我们提出“开拓型—渐进式”教学模式,着重强调设计和引导学生的创新活动以及相应的创新思维熏陶,发展和提高学生的创新意识以及创新能力。在几年的尝试与改革中,学生的综合能力有明显提高。2“开放型渐进式”的综合实验教育模式2.1“开拓型-渐进式”综合设计实验教学模式“开拓型-渐进式”综合实验教学模式中的开拓型是指在现有实验仪器设备的基础上,应用同一种实验仪器为主测量多种物理量。这种教学模式可以开拓学生对仪器的深入理解和掌握,充分发挥仪器利用率,在教学内容上进一步将相关理论与实际应用相联系,提高学生的学习兴趣。渐进式是指在教学内容安排上应用“循序渐进、由浅入深”的方式,即在一定知识基础上,通过自学知识拓展并综合运用所学知识进行一系列实验任务,按照“必须掌握的基础实验”、“提高性的综合实验”、“科研型实验”等一系列渐进式内容要求完成实验。“开拓型-渐进式”综合实验教学模式是一种建立在基本教学实验基础上,由学生以同一种实验仪器为主,完成多个由浅入深的实验任务。在这种模式的综合实验教学中,一部分是学生必须熟悉掌握的基本任务,其他教学内容是根据实验要求,学生独立查阅文献、收集资料、制定实验方案,独立进行操作和测量,最后将实验成果写成报告,完成实验。这种模式的综合设计实验为学生创造出宽松而富有创新性的学习氛围,为学生提供思考、探索、发现和创新的具有开放性和选择性的学习空间,使学生们的创新思维得到了锻炼,创新能力得到了培养。以“直流电路综合设计实验”为例,该实验的基本要求内容为伏安法测电阻,实验中学生可以学习电流计、伏特计、滑线变阻器、稳压电源等基本电学仪器的选择和使用,也学习仪器放置与读数方法、量程选择、误差估计等,全面掌握电表的使用。测量对象从传统线性电阻扩展到非线性电阻及各类二极管,从而使学生全面了解各类元件的特性。该实验的“提高性实验”内容则要求掌握电源的内外特性及组装各种电表,学习各类电学仪器理论上(理想状态)与实际中的差别,如各参数选取及误差估计与消除。该实验更深一步的教学任务是组装惠斯通电桥,并利用电桥更准确地测量低值电阻,学会补偿法的测量思想。此外,对于有兴趣的学生可拓宽到利用电桥测量非电学量,并可以在此基础上组装热敏电阻温度计,这一步需要学生查阅相关资料,学习更多知识及实验技术。可以看出,这种综合实验教学模式的实施并不需要添置更多实验仪器,主要在现有实验仪器中挖掘教学潜力,充分发挥现有实验仪器的利用效率。2.2按能力结构知识传递“开拓型—渐进式”综合实验教学模式将同一体系中不同知识点变为教学内容的多层次递进,将一种仪器测量一种物理量变为测量多种物理量,也将单纯的传授分散型具体知识变为按能力结构传授由浅入深的系统知识。这种变革导致了对旧实验体系的重组和更新以及实验新方法的引入,从而为物理实验教学开辟了新天地。2.2.1根据教学目标,进行基本实验以传统实验仪器为主要设备进行多种教学内容,既可充分利用实验设备,教学内容也可由浅入深地进行。开始时,由指导教师根据教学的要求,提出实验目的和实验要求,完成必须的基本实验。进一步的实验任务需要学生结合实验室所能够提供的实验条件,运用已掌握的基本知识、基本原理和实验技能,并查阅相关资料,在同一种仪器设备上测量完成更多的物理量,这样在实验内容增加、扩展的同时,现有实验仪器的利用率也大大提高。2.2.2实验仪器的设计组织学生在完成“必须掌握的基础实验”的基础上,可以应用同一种实验仪器设计完成其他物理量或其他内容的测量,而除基础实验以外的部分由学生自己查资料、应用现有的实验仪器,自己设计、组织实验。学生有很大的自主空间,完成设计后在教师的指导下选择最佳的实验方案,这样可以最大限度发挥学生学习的主动性,培养学生的动手能力及创新能力。3教育对象测量折射的处理迈克尔逊干涉仪是许多近代干涉仪的原型,是一种分振幅双光束的干涉仪,用它可以观察光的干涉现象,也可以研究许多物理因素对光的传播的影响,同时还可以测量单色光的波长、光源的相干长度以及透明介质的折射率等物理量。按照传统教学方式及内容仅仅调节观察非定域干涉,掌握光的等倾干涉测量单色光的波长,学生测量完波长实验就结束,并不去考虑迈克尔逊干涉仪的进一步应用。为了扩展学生的知识面,提高学生兴趣,我们对干涉仪实验,在实验内容上进行了调整,如图1所示。测量氦氖激光的波长作为基本要求,进一步利用等倾干涉图样测量钠黄光的波长差,并利用两者结合研究激光及钠光的相干长度。“提高性实验部分”的内容,要求学生应用白炽灯作为光源测量等光程位置,并利用相应的原理测量不同透明介质的折射率(以玻璃样品)。做实验时因为白炽灯光源的相干长度很短,通过调节等光程位置测量介质折射率时比较困难,实际中往往选用相干长度较长的激光作光源,但相应地又会出现新的问题,因此可以引导学生查阅相关资料进行分析。在用激光做光源测量折射率时,移动干涉仪的活动镜不需要用微调手轮,相对应的测量数据的有效位数有所变化,则测量的准确度降低了,但是可以寻找更精确测量折射率的测量仪器及测量方法。在综合设计实验教学中测量折射率所提供的仪器有分光计、阿贝折射仪、V型棱镜、椭圆偏振仪等,学生可以用不同的仪器测量折射率,比较各种仪器的测量范围及测量精度。“科研型实验”将迈克尔逊干涉仪的应用拓展到更加广泛的领域,如将干涉仪与多普勒效应的相关知识相结合测量运动物体的速度。我们知道,利用激光照射运动物体时,会产生激光多普勒频移现象,由此可以测量物体速度。通常是用两束已知状态的激光束以不同角度同时入射到运动目标上,分别测出它们的频移Δν1和Δν2,通过计算处理可求出物体运动速度。采用激光测速,在精度分辨率等方面比用微波雷达测速优越得多,但专用的激光多普勒测速仪价格昂贵,原理复杂,不可能在普通物理实验中介绍和采用,因此为了能在普通物理实验内容中对这一重要的现代测量技术有所了解,我们采用迈克尔逊干涉方法对激光多普勒频移信息进行处理,然后分别从多普勒效应原理以及光的干涉机理推导出激光多普勒频移与物体运动速度的关系,了解激光多普勒测速的基本原理。用多普勒效应理论与光干涉机理导出的频移结果,结合干涉仪测量得到运动物体的速度,这部分的实验内容不是一个或几个学生就可以完成,所需要的是一个学习小组或者一个团队,所需要的知识点不仅局限在光的干涉,同时还涉及运动物体的控制,光信号的接收及光电转换,信号处理等知识点。在这个“科研型实验”内容中,不但让学生将光的干涉原理、多普勒效应、光电转换等多个知识点相结合,将书本的理论知识与实际相结合,而且培养了学生创新意识