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關鍵詞:大創實驗;抗剪強度;教學改革
一、引言
隨著我國高等教育發展水平的逐步提升,實驗教學也逐步探索新的發展模式。大學生創新實驗可與土工實驗內容對接,實現土力學理論教學與試驗相融合,實現土木工程學科在高校教育應用發展得到落實。
二、大學生土力學創新實驗教學的問題及現狀
土力學創新型實驗教學的開設是現代教育改革的有效途徑,但我國創新型實驗的開展實際情況并不樂觀,如表1[1]。創新實驗的資源應用率較低,以土力學實驗室教學的開展進行分析,可以對土工實驗教學提供新思路。在當前土力學教學中,課本教學內容應與實驗教學進行同步,在教學中不斷的更新教學內容,注重學生的技能提升和創新意識的培養[2]。在土力學實驗教學中,讓學生在理論知識的基礎上去學會獨立完成實驗,從而去提高他們的自主創新實驗能力[3]。
三、土力學創新實驗的過程和分析
創新實驗是促進理論教學的重要手段,可提高學生解決實際問題和創新意識的重要方式,是專業知識得以應用提升的階段[4]。本次土力學創新實驗用原狀土測出土的天然含水量和密度等一些土的物理指標基礎上,測出不同含水量膨脹土的抗剪強度實驗。
(一)土力學實驗的準備
實驗所使用的土樣共有三種,測出物理指標如下表所示:第二部分實驗將所采集的土樣分別稱取500g,每一種試樣各取五組,放入干燥箱內烘干8小時,再將土樣研磨至顆粒小于2mm,分別加按照15%、18%、21%、24%、27%的含水量分別加入水75g、90g、105g、120g、135g然后保持密封放入試樣桶內浸潤8小時后開始實驗。
(二)土力學實驗數據的分析
根據實驗所測得的數據,按照S=KR:式中:S———抗剪強度K———應變圈系數R———應變圈中測微表的讀數之差由表中直觀得出試樣的抗剪強度,與實驗結果進行對比分析。下圖為實驗的分析結果:隨含水量的增加土的抗剪強度不斷下降,結合庫倫定律和實驗結果分析,在剪切面上的應力不變情況下,抗剪強度受兩個因素影響,即土的內摩擦角和粘聚力。根據莫爾-庫倫強度理論,繪制出土的抗剪強度包線,得出粘聚力和內摩擦角變化的因素是含水量。在實驗數據的分析中,含水量與線性關系有差異性。粘聚力的受影響的線性值變化明顯較大,這次實驗研究中,含水量這一因子對其造成的變化很大。在其增大過程中,土的抗剪強度是在不斷的變小。同時土的抗剪強度變化影響的主因還有垂直應力。
四、結論
土力學教學中,要在理論的基礎上去培養創新型人才,在實驗教學上去提高大學生的創新和應用能力。土力學在大學課程中,是專業知識較強和比較難以理解的學科。要讓土力學這門學科被學生們所熟知,就必須不能只局限理論教學,需要老師做到對課程教學的不斷更新,去適應學生的節奏。同時在教學中,把實踐項目融入理論中,以理論和實踐結合,去提高學生的學習認知能力。在這樣的基礎上,學校多去創造一些實踐性強的平臺,提高學生獨立思考和解決問題的能力。
參考文獻:
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一、大學物理實驗教學模式改革的必要性
1.教學模式單一。處于當代教育發展環境下,新課程改革進一步深入,高校的教育理念也要進行相應的創新:轉變以往單純的對學生進行知識機械灌輸的教學模式,把精力投入到提升學生知識能力的教育過程中。就大學物理實驗教學而言,科學創新精神和實踐動手能力是其不可或缺的內容。但是在以往的物理實驗教學過程中,單純機械的驗證相關理論知識成為高校物理實驗中的主要教學內容,大學物理實驗教學模式過于機械和單調,學生的創新能力和實踐動手能力難以得到有效提高。并且在實踐教學過程中,往往是學生被動接受教師的實驗安排,制定實驗步驟、組織儀器設備等內容都是由教師來準備,實驗方法和實驗數據的記錄也通常是由老師來完成,而學生只是對教師實驗過程的一個機械模仿。這樣機械化的教學模式嚴重阻礙了學生動手能力的培養,束縛了學生的創造性思維,不利于學生的科學素養的建立,基于此,改革現有的大學物理實驗教學模式,提高學生的實踐創新能力成為物理教學中的一項迫切任務。2.教學方法和教學內容落后。傳統的物理實驗教學方法是“教師統領實驗過程,學生機械模仿”,在此過程中,學生只是被動的接受知識,沒有充分發揮自身的主觀能動性。久而久之,學生會對教師形成一種依賴心理,在具體的實驗過程中“會看不會做”,并其怠于思考,使得學生形成一種模仿的思維定式,難以有所突破。學生學習的自覺性受挫,難以主動去發現問題并解決問題,不利于實踐創新能力的提高。另外,物理實驗教學內容比較落后,沒有很好的體現學科之間的共融性。大學物理實驗內容也基本是驗證性和測量的,利用學生的創新思維,出于學生自己的創造能力來設定的帶有研究性的內容相對匱乏。正是在此基礎上,與國外培養的物理實驗人才相比,中國物理知識方面的人才理論知識可以很豐富,但是具體到實踐操作中,卻難以有效的將理論知識與實踐相結合,而創新精神和獨立思考的能力更是缺乏。
二、大學物理實驗教學模式改革的優化策略
(一)改革物理實驗教學方法
傳統的物理實驗教學方法中,采取的是教師灌輸,學生被動接受的方式。實驗操作過程中,教師預先告知學生這次的實驗目的,并且在此基礎上,教師還會詳細的為學生講解實驗原理、實驗方法、實驗步驟、實驗過程中需要用到的儀器及其使用方法,并且還有相關的數據記錄、數據處理等信息。更甚者,有的教師為了使學生更加明白本次實驗的過程和步驟,在實驗開始之前把整個實驗過程在學生面前演示一遍。在此基礎上,教師在進行物理實驗教學之前就沒有必要讓學生對將要傳授的內容進行預習,學生也不需思考,這樣就對學生的學習造成了一定的負面影響。學生對教師的實驗過程也產生一種依賴性,在教師做完相關的實驗后,很多學生沉溺于教師的實驗過程中,卻難以理解其中涉及到的科學原理。也正是因為此,學生缺乏實踐操作的機會,沒有一定的實驗操作經驗,難以促進動手能力和創新能力的提升。即使是在具體的物理實驗過程中,教師也是為學生準備好一切,學生也不需要深入思考,只要按照教師給定的步驟加以演示就可以了。這種機械的實驗過程嚴重違背了學生的認知特點和認知發展規律,限制了學生學習的主動性和積極性,不利于提高學生的思維創新能力和實踐應用能力。鑒于此,在具體的物理實驗教學過程中,教師要充分尊重學生學習的主觀能動性,適應現代課程改革的要求,把課堂還給學生。在此基礎上,教師要改革物理實驗教學方法,可以從以下三方面做起:1.打破傳統的教學方式,以“學生預習,自主學習”為主,“教師引導”為輔。教師在物理實驗過程中,需要對實驗儀器和原理細致的介紹,牽涉到具體的實驗步驟和測量方法,教師要利用學生的自主創新能力,激發學生的創新思維,讓學生自行設計完;2.將物理實驗課以選課的形式出現。物理實驗課中會有學生必做的實驗,除此之外,教師還可以以學生對實驗課的實際需求為依據,結合學校對物理實驗課程的安排,在實踐發展的基礎上為學生開設選做實驗項目。既然是選作項目,那么學生就可以根據自身的實際學習情況和實驗能力來自主安排,在自己動手的過程在提升動手能力和實踐操作能力。教師通過這樣的教學安排,一方面可以鍛煉學生的基本實驗技能,另一方面又可以最大限度的調動學生學習的主觀能動性,同時,學生自覺發現和處理相關問題的能力也可以得到進一步提升。3.隨著時代的進步,計算機信息技術的應用范圍越來越廣泛,緊跟時代腳步,高校物理實驗教學中也應擴展計算機的應用范圍。計算機在高校物理實驗中有很高的應用價值,例如利用計算機來操控實驗的過程,收集相關的物理量,快速的將實驗數據記錄下來等,另外,利用計算機實施擬合分析,制作圖標等內容也是其應用表現。除此之外,教師利用計算機進行輔助教學,進行計算機管理,也屬于計算機在物理實驗教學過程中的應用范圍。當然,計算機在物理實驗中只是一種輔手段,它的應用可以方便物理實驗的進行,促使學生加深對物理原理的理解以及對實驗方法的掌握,在物理實踐中的應用仍是十分必要的。
(二)創新物理實驗教學內容
就現在很多大學開設的物理實驗課程而言,驗證性實驗是其最主要的表現內容。而相對應的,以學生的實際發展需要為基礎,集科學性和設計性為一體的實驗內容則比較少。基于現代的經濟發展環境,這樣的設置體系會妨礙高校對實踐應用型人才的培養,學生進行實踐創新的發展空間也被縮小,而學生通過實驗也難以提高自己分析問題和解決問題的能力。在一些高校中,受到學校生源條件的限制,在具體的物理實驗過程中,學生和實驗儀器一對一的現象并不少見。在此發展條件下,教師通過引導,使學生自己動手做實驗,來進一步提高學生的動手能力和實踐操作能力,同時也間接的加強了學生分析和解決實際問題的能力。但是在有些高校中,受到學生人數的限制,物理實驗課基本上是兩到三個學生共同做一個實驗,這樣的分配會在一定程度上激發少數學生的惰性思維。因此,他們在物理實驗中只是機械的記錄相關數據,而沒有主動動手和主動思考的習慣,這樣的話,這些學生就難以在具體的物理實驗過程中得到鍛煉,有些學生甚至對此感到厭煩。另外,如果高校設置的實驗項目有限,而其中的學生人數卻過多,那么物理實驗就難以適應學生的發展需求,也不能有效做到與物理理論知識課的同步。鑒于此,高校在開設物理實驗課的時候,要充分結合院校學生的實際水平和發展需要,以現有的物理實驗儀器為載體,調動學院教師的力量,以本院校中的物理實驗教學為基礎,科學編寫相關知識的物理實驗講義,其中涉及到的內容要充分體現物理實驗的實用性,并且在其中詳細闡明某項實驗在某些專業中的應用。以此物理講義為標準,學生在做某項實驗時,就不會產生這項實驗與所學專業有何關系的疑問。另外,為了適應社會對人才的需求,迎合現代科技發展的需要,同時也為了適應社會對實踐應用型人才的需求,高校的物理實驗課程中可適當融入一些富于實踐操作性的實驗項目,例如自行車及鐘表的拆裝等內容。社會在不斷發展,高校中的物理實驗也要與時俱進,為了進一步與社會科技發展接軌,高校要根據自身的實際發展情況和學生對自身能力的需求,適時改革物理實驗講義,使得物理實驗講義為學生提供實驗參考的同時,也能跟上時展的步伐。高校為了加強物理實驗教學的影響力,也可以迎合學生的對物理實驗的興趣,舉辦物理實驗設計大賽,使得高校學生更好地適應現代科技的發展。
(三)定量考核與定性考核相結合
物理實驗過程中,物理實驗的考核體系對科學判斷學生的實驗能力和評價學生的實驗成績具有重要的影響。物理實驗不同于理論知識學科,在它的評定過程中,物理實驗成績占據重要地位。正是鑒于這種學科的特殊性,其考核體系才更加需要完備。對物理實驗成績進行評定的過程中,教師往往以實驗報告的形式來加強對學生的考察,但是在具體的操作過程中,這種考察形式具有一定的弊端,實驗報告是以紙質的形式出現的,教師看到的只是學生實驗的結果,而難以看到學生實驗的整個過程。并且在這種考察形式中,即使學生不做實驗,也可以提交一份完整的實驗報告,因為學生可以抄襲其他學生的實驗數據實驗記錄。鑒于實驗的準確性和科學性,教師又很難發現實驗報告中的這些弊端。因此,教師在實際的物理實驗評定過程中,一定要創新實驗考核機制。在此,筆者建議利用定量考核與定性考核相結合的方式。在具體的考核過程中,教師要充分考慮到學生各方面的能力,考察的內容不能過于單一化,學生對實驗方法和技能的掌握,學生對待實驗和相關實驗問題的態度等內容都要納入考核體系,教師都要加以科學化的考察。從一定程度上說,這種全方位的考察,也是對學生學習積極性和學習主觀能動性的一種激發,讓學生充分重視物理實驗的過程,也讓他們明白物理實驗考察不只是一種簡單的成績判定,更是一種實踐能力和動手能力的考察。同時,也充分體現了評定的科學性和公正性。此外,口試、筆試以及現場操作等方式也可以被應用到成績考核中,為學生營造良好的實驗考核氛圍,加強學生對物理實驗的興趣,力爭考核標準更加科學,能全方位、公正地對學生進行實驗考核。
綜合來說,高校物理實驗不僅能提高學生的實踐應用能力,考察學生對理論知識的運用能力,還能培養學生獨立分析和解決問題的能力,強化學生創新思維能力。結合現代的經濟發展環境,社會對人才的培養也提出了更高的要求,實踐應用型人才受到社會的普遍關注。而高校中的物理實驗則著重培養學生的動手能力和觀察能力,迎合了社會對人才的需求趨勢。在此基礎上,高校要進一步適應現代經濟社會的發展,明確大學物理實驗教學中存在的問題,從物理實驗教學方法、物理實驗教學內容和物理成績考核體系三方面來改革大學的物理實驗教學模式,在此基礎上有效促進大學物理實驗教學效率的提高。
作者:薛禹 單位:北華大學物理學院
參考文獻:
[1]朱婷,王春霞,韓財寶.獨立院校大學物理實驗教學模式改革初探[J].物理與工程,2014(S2).
關鍵詞 物理實驗 教學改革 開放教學 資源共享
中圖分類號:G424 文獻標識碼:A
Teaching Reform in College Physics Experiment
WU Wangsheng
(Physical Science and Technology College, Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434023)
Abstract In this paper, at first, it analyses the current situation of the development of the physics experiment of present middle school and university. Secondly, the importance of the physics experiment is discussed. At last, it has carried on the preliminary discussion and practice to the teaching reform of the physics experiment of college.
Key words physics experiment; teaching reform; open teaching; resource sharing
1 中學物理實驗教學的現狀研究
我們對長江大學連續兩屆新生進行了中學物理實驗情況的調研,收回有效答卷1500份。對37個項目,140個選項進行的統計分析表明:原學校物理實驗儀器不齊備的占34.7%,只有極少數儀器的占12.9%;能保證一人一組做實驗的僅占1.2%,三人以上一組做實驗的占65.2%;中學大綱規定的24個實驗中17個必做實驗,入校以前做過了的占73%,聽老師口頭講實驗的占25%。調查還表明,部分中學生不重視物理實驗,對實驗不感興趣。有高達90.1%的學生從沒參加過第二課堂的實驗活動。由此看來,物理實驗是中學物理教學的薄弱環節,做好中學和大學物理實驗教學的銜接,不僅可以提高大學物理實驗教學的質量,增強學生學習物理的興趣,而且有利于后續課程的學習,提高學生綜合素質。基于上述分析,我們在提高大學物理實驗教學質量方面進行了初步探索和實踐。
2 大學物理實驗教學的改革初探
2.1 實驗教學體系改革
我們打破傳統的按力學、熱學、電磁學、光學及近代物理實驗分類教學的體系,根據學生認知及實驗技能形成的規律,將大學物理實驗課程分為基本訓練、綜合設計訓練和科研訓練等三個層次,其內容對應基礎實驗、綜合設計性實驗和專題實驗。基本實驗能力訓練層次為基礎實驗,主要教授基本實驗技能和方法,絕大部分為必做實驗。綜合能力訓練層次為設計性實驗,綜合應用性實驗和近代物理實驗。主要訓練學生的綜合能力和科學素質,其中少部分為必做實驗,大部分為選做實驗,以供不同專業學生選修。科研創新能力訓練層次的訓練主要為動手能力強又學有余力的學生提供選修,主要面向大二大三的學生。該層次教學不安排固定時間,教學內容形式多樣,可以是科研講座、畢業設計、創新實驗制作或仿真實驗模擬等。重在培養學生的創新能力和團隊精神。
分層次的課程結構體系體現了以人為本的教育理念,符合學生的認知規律,提高了學生對物理實驗的興趣,發展了學生的個性特長,使學生的綜合實驗能力、分析和解決問題的能力以及科學素養得到全面培養和提高。
2.2 實驗教學內容改革
大學物理實驗改革的核心是教學內容的改革,我們編寫了與實驗改革配套的《大學物理實驗》教材。該教材打破了傳統教材體系結構,按培養學生的能力層次來編排實驗教學項目;全面推行了實驗結果的不確定度評價體系,在數據處理上,既符合國家技術規范又簡單可行;精選實驗項目,刪去了部分內容過于陳舊的傳統實驗項目,合并了部分基礎實驗,增加了教學信息量,加大了基礎訓練內容;加強了實驗方法、測量方法及基本操作技術的教學內容;加強了綜合應用性實驗、設計性實驗和近代物理實驗的內容。除此之外,在教材編寫上,對課前預習、課堂內容和課后訓練要求都做了不同層次的精心設計。華中科技大學物理實驗專家李天應教授評價:“此教材具有減輕學生負擔、便于教學、結果評價體系超前等特點”。
為了教學的需要,我們編寫了《大學物理實驗教學指導書》。書中不僅提供了實驗教學方法和實驗的重點難點,而且提供了實驗教學指導要點,指明了學生易犯的錯誤,并附有儀器常見故障的分析與排除方法。此外,我們還編寫了配套的《大學物理實驗思考題參考答案》,有利于學生與老師進一步鉆研與探討,也有利于學生創新意識和能力的培養。
2.3 實驗教學模式改革
為了發揮學生的主觀能動性,因材施教,提高教學質量,根據我校學生的現狀和實驗室的實際情況,制定了物理實驗全面開放實施方案,開發研制了學生網上開放預約系統、教師教學管理系統和網上答疑系統,使學生從實驗預約到成績評定均在校園網上完成。
開放實驗預約系統可以設置實驗項目、安排實驗教學。學生根據自己的專業和興趣選擇實驗項目,激(下轉第120頁)(上接第78頁)發了學生的學習積極性,體現了因材施教的教育思想;學生可以查詢預約情況,選擇實驗教師和時間,在線生成課表和查詢成績,因特殊原因不能上課可以取消并重新預約新實驗,體現了以人為本的教育思想。實驗教學管理系統,可以管理學生的考勤,輸入、評定、匯總并輸出學生的成績,使教學管理精細化、規范化。網上答疑系統,可以進行網上實驗討論、問題解答、信息反饋,通過該系統可以及時了解學生的情況,為科學安排實驗、調整教學內容、改革教學方法等提供依據。
2.4 實驗教學手段改革
在改革實驗教學體系、內容、模式的同時,我們也加強了現代化、信息化教學手段的應用。根據大學物理實驗課程的教學內容,設計制作了全套實驗的多媒體課件。課件明確實驗目的,闡明實驗原理,以圖示的方法,直觀介紹了實驗儀器,詳細介紹了實驗儀器的調試過程及實驗方法,強調了儀器使用的注意事項,使學生可以全方位地了解每一個實驗。在實驗教學中,我們配備了投影儀、計算機,教師可以通過多媒體、黑板和實驗儀器進行授課。
積極開展物理實驗創新設計實踐,學生累計制成并移交使用的實驗儀器100多套件。為物理理論教學提供了一定數量的教學演示實驗儀器,節省了教學資金。創新實驗活動激發學生對實驗物理的興趣,培養了學生靈活運用物理實驗的基礎知識、方法和技術解決實際問題的能力,提高了學生的創新意識和團隊協作能力。
注重課程網絡信息化平臺建設,建成了大學物理實驗精品課程網。網上提供了各種教學資源,如參考資料、教案、思考題、多媒體課件、課堂錄像、實驗視頻、實驗仿真軟件等,幫助學生課外自學;還提供教學大綱、教學要求、備課規范、考核辦法、評分標準及其它各種教學和管理文件資料,規范教師的教學行為,保證了課程的教學質量。目前,我們正在建設大學物理實驗精品資源共享課,已陸續將所有實驗拍攝成實驗教學片,配備實驗教案和課件,全部資源網上共享,旨在為學生提供豐富的學習資源,拓展學生的學習時間和空間。信息技術的引入不受場地和時間的限制,在實驗教學中發揮了傳遞信息量大,表現手段靈活的優勢,取得了良好的教學效果。
通過改革大學物理實驗課的教學體系、優化教學內容、引入信息化教學手段、創設網上資源共享和學習平臺,為學生營造良好的學習環境,能夠加強學生對物理現象的感性認識,幫助學生樹立正確的物理觀念,培養實事求是的科學態度,提高學生的學習興趣和理論素養,在培養學生的思辨能力、創新能力、探索精神以及團隊協作能力等方面,發揮著舉足輕重的作用。大學物理實驗改革要適應時代的發展和教育觀念的轉變,需要各方面關注和投入,也需要自身不斷地創新與探索,以適應現代教育信息化的發展。
參考文獻
[1] 楊述武,等.普通物理實驗[M].北京:高等教育出版社,1993.
關鍵詞:物理實驗教學;教學質量;創新人才
中圖分類號:G420 文獻標識碼:A 文章編號:1003-2851(2010)09-0061-01
物理實驗是大學物理實驗教學的重要組成部分,物理實驗教學的任務是培養學生掌握物理實驗的基本方法和基本技能,掌握由感性認識到理性認識的科學思維方法,為培養具備現代科技素質的高質量、高層次創新人才打下一個良好的基礎[1]。而物理實驗教學的現狀不容樂觀:教學模式單一、教學方法落后、教學內容陳舊,學生沒有積極性。這種缺乏主動性和積極性的實驗方式,極大地影響了實驗課的教學效果。針對這一情況,為了改進教學環節,提高教學質量,本人從以下幾方面談一些個人體會。
一、轉變觀念,提高認識,強化實驗教學的地位和作用
在高等學校的教學體系中,理論教學和實驗教學是同等重要的兩個部分,兩者的關系不是主從關系,而是兩個相互獨立、相互依存、相輔相成的教學體系,然而長期以來受中、高考的導向作用,使得中學普遍存在一種急功近利的思想,忽視了實驗課的重要性;另外,一些學校在重教學、輕實驗的思想上積重難返,使得一部分學生對實驗課程產生了偏見,對實驗上應付了事[2]。針對這種現象,我們要進一步轉變觀念,提高認識,強化實驗教學的地位和作用。
二、明確實驗目的,加強課前預習,提高實驗教學質量
針對每一個具體的實驗項目,我們首先讓學生明確實驗的目的,然后提供相應的預習提綱,要求學生進行預習,并寫出實驗預習報告。通過預習,可以讓學生明白本次實驗要測什么量,以及與這個物理量有關的一些相關知識,從而讓學生知道需要掌握的知識,這樣學生就會在上實驗課時帶著問題去聽老師講解,進而起到事半功倍的效果。針對部分學生應付寫預習報告,抄襲預習報告的情況,我們建立以提問、自問、討論等靈活多樣的教學模式,促使這部分學生重視實驗預習。
三、詳解實驗原理,注重實驗過程,培養學生實驗興趣
實驗教師要在有限的時間內講清實驗原理、實驗內容、實驗儀器、實驗中可能出現的問題、儀器操作的注意事項和解答學生的提問等,這是很困難的;因此我們盡可能的側重講解實驗原理,因為實驗原理是學生理解實驗的基礎,原理清楚了其他問題一般都會迎刃而解。實驗中我們要引導學生不能單純以追求實驗結果為目標,而更要注重實驗過程。在這個過程中,去培養他們的各種技能,激發他們的創新能力,激發他們探究知識的愿望和信心。另外授課過程中穿插一些科普性的、和生活密切相關的內容,用一些物理實驗原理解釋生活中的某些現象,逐漸培養他們的實驗興趣。這樣既鞏固了專業基礎知識,提高了自己的動手能力,又達到了培養學生的基本科學實驗技能和科學實驗的基本素質。
四、發揮教師主導作用,突出學生主體地
位,提高學生實驗素質
剛開始做物理實驗的學生,大部分由于沒有經過規范的訓練,常常是一到實驗室就擺弄儀器,不能按正確的方法操作、實驗數據隨意涂改、實驗報告書寫不規范等情況。這些現象都有悖于物理實驗所必需的嚴謹作風,這樣對日后的工作、學習和生活都會產生負面的影響。因此,在課堂上的實驗指導過程中教師要充分發揮主導作用,以引導的方式糾正學生的一些不良行為,引導學生以研究者的態度對待實驗操作,除個別測量需要合作外,保證每人測出一套數據,鼓勵學生自己調試儀器。能由學生動手的,教師不要包辦代勞,能由學生分析的,教師不要早下結論,從而突出學生的主體地位。讓學生歸納實驗儀器的調節技巧和方法,總結儀器的性能原理,這不僅鍛煉了學生的動手操作能力,也充分發揮了學生的主動性。
對于部分學生為了迎合已知的現象或規律而對實驗數據進行隨意更改的現象,我們則一定要嚴把數據關,要求學生正確測量、正確讀數、如實記錄所有數據包括錯誤數據,保證實驗數據的嚴肅性和客觀性,進而培養學生實事求是、嚴謹認真的科學態度,提高學生的整體實驗素質。
五、規范實驗報告,提高學生綜合思維能力
實驗報告是學生對整個實驗工作的全面總結,是學生在實驗過程中理論水平、動手能力的直接成果,撰寫實驗報告的過程就是對學生綜合思維能力的培養。因此在學生上第一節課時,教師應指導學生如何撰寫規范的實驗報告。教師通過實驗報告可以獲得教學效果的反饋信息,發現問題及時解決。因此,實驗報告撰寫是否規范,是考核學生成績的一個主要方面,也是實驗教學的一個重要環節。
六、科學評定實驗成績,確保實驗教學質量
公正合理、科學規范的實驗教學評價體系,不僅可以準確反映實驗教學效果,全面評價學生掌握知識的水平、能力強弱和素質高低,同時也有利于培養創新人才,對實驗教學改革的全面推進有著不可忽視的促進作用[3-4]。實驗課的成績我們采取的是筆試加平時成績,為了公正、客觀、合理地反映每一位學生的實驗成績,我們建立了較為完整的實驗教學評價體系標準。科學評價學生的實驗成績,需從以下幾個方面入手:一是實驗課的遲到、早退、曠課情況;二是實驗預習情況;三是課堂上的操作情況;四是課堂抽查情況;五是實驗報告的撰寫情況;六是期末考試情況。對成績不合格的,該重修的則要重修,從嚴要求,才能確保教學質量的提高。
綜上所述,要提高物理實驗的教學質量,為社會培養出高質量、高層次、高素質的創新人才,必須注重實驗教學的各個環節。針對目前這種教學方法,學生對實驗課的主動性和積極性有了明顯的改觀,實驗課的成績也有了明顯的提高。在今后的實驗教學中,希望同仁們能不斷交流和探討,建立一套更加完整的教學體系,使得我們的物理實驗教學環節更加完善。
參考文獻
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由于師資水平和教學環境的限制,現如今大部分高校的大學物理實驗教學都還是“教師主導”的傳統課堂模式。在課堂上,教師演示完整的實驗過程,學生不需要進行自主思考,只需機械式地模仿,使實驗變成了一種形式化,記憶性的過程。一定程度上,這限制了學生的思維創新,造成了學生對老師的依賴心理。
為了實現大學物理實驗教學培養“應用型”人才的教學目標,對大學物理實驗教學進行改革的關鍵是提高教學質量的和完善期末的考核體系。
一、引入多媒體資源,激發學生興趣
獲取實驗數據,撰寫實驗報告是實驗課的最終結果,也是實驗課的重要組成部分。相對而言,對實驗的預習環節的重視不夠。從提高學生的素質和能力的角度來看,實驗的預習環節非常重要。
現在學生在預習上課要講授的實驗項目時,一來可以根據教材上的內容介紹,二來可以根據在學校網站上的預習提綱和實驗示范報告。學生可以通過閱讀教材上關于實驗原理,實驗步驟以及實驗儀器結構的相關介紹等基本知識結合預習提綱來對下次課要進行實驗進行思考,充分發揮他們在學習中的主體作用[3]。
但由于學生課業繁重,學校教學資源有限等原因,學生往往不能在實驗課之前接觸到實驗器材。這樣紙上談兵的實驗預習,往往會造成學生對預習環節缺乏興趣,而大大影響了實驗預習的效果。為了讓學生對預習內容建立起生動具體的形象,引入多媒體資源是行之有效的辦法。即在學校網站上逐步上傳一些教學資源[7],比如拍攝的一些教學視頻,實驗項目的動畫模擬視頻等。這對于實驗教學來說也是一種全新的授課方式。
另外,學校也可以在網站上建立網絡虛擬實驗室。虛擬實驗是利用多媒體、仿真軟件和虛擬現實來模擬實驗的環境和操作過程,實驗者可以像在真實的環境中一樣完成各種實驗項目。與實驗室一些設計精密、價格昂貴的儀器相比,學校只需很少的投入,就可以緩解教學資源不足的問題。對學生而言,虛擬實驗無疑是富有吸引力的,這極大地激發了學生對大學物理實驗的學習興趣,提高了教學的效率[4]。
除了三線擺等必修的實驗課程之外,虛擬實驗中可以加入一些拓展性、創新性的實驗,供學有余力的同學自學。
然而,虛擬實驗雖然突破了傳統實驗受時空限制的弊端,但是它仍然無法代替真實的實驗操作,它只能作為傳統實驗的一種具有可行性的補充。只有把傳統實驗和虛擬實驗有機地結合起來,才能最大程度地發揮它們的優勢。
二、采取多種授課模式,提高課堂教學質量
引導學生讀懂實驗原理、實驗方法以及實驗儀器的運行操作是實驗教學的第一步,也是實驗教學成敗的關鍵。大學物理實驗課是理工科學生的必修課,學生來自不同學院不同專業,的實驗的能力也是參差不齊,因此,可以以學生的實驗水平為指標,對不同班級采取不同的授課方式。
對于實驗水平較高的班級,可以通過課上提問的方式讓學生自行講解實驗原理和介紹實驗方法,這一方面可以檢驗學生的預習效果,另一方面也可以加深學生對實驗的印象。
比如在“密立根油滴儀測油滴電荷”這個實驗中,由于密立根油滴儀在操作不當的情況極容易損壞[1],教師可以讓預習得好的同學介紹實驗步驟,再補充強調學生介紹里的疏漏之處。這樣,一方面體現了學生在課堂里的主體作用,另一方面也提高了學生對實驗步驟的掌握程度。而對于長度測量工具等一些基本使用工具,可以讓學生自行看教材上的說明來進行操作,教師則在課堂里面巡查,發現并記錄學生操作上存在的問題,在大部分的學生都操作完畢之后,教師可以采用反問的方式提問學生操作上的問題,最后由教師進行系統的分析和評價。從而不僅使學生掌握了大學物理實驗的實驗技能,而且有效地激發了他們對學習的熱情。在大學物理實驗的課堂上出現學生積極思考,主動參與,敢于創新的熱烈場面[6]。
而對于實驗水平相對較弱的班級,教師可以先向學生介紹有關實驗背景,實驗儀器的使用以及在實際生活中的應用,給學生一個直觀的印象,同時也擴大學生的認知面。例如在講解示波器的時候,由于示波器的按鍵很多,教師可以利用投影儀先給學生看一遍示波器使用的操作視頻,讓學生對示波器的使用有初步的印象,然后提出實驗的思路和方向,引導學生讀懂實驗原理,思考實驗的可靠性,從而激發學生主動思維,加深學生印象,起到事半功倍的效果。
三、在教學和數據處理中應用Matlab
Matlab在物理實驗的作圖、數據處理、模擬仿真方面起著重大的作用,有助于將物理實驗的教學過程轉變成一個師生間共同探討的互動過程。
例如在“等厚干涉――牛頓環”這個實驗中,教師可以在講授實驗原理時,根據光的干涉的基本原理,利用Matlab進行牛頓環的干涉模擬,從而得到模擬出的干涉圖像,使學生建立一個干涉現象的初步印象,有助于學生更好地理解實驗原理和掌握實驗操作,從而更快地找到干涉條紋。
另外,Matlab不僅在光學實驗中有著重要應用,而且在電磁學實驗中也有著較多的應用。例如,學生在使用示波器觀察李薩如圖形時,常常會由于信號源的不穩定而造成圖像不穩。如果采用Matlab進行模擬,則可以將實驗中觀察到的圖形與模擬產生的圖形進行對照,有利于提高學生的認知水平以及盡快地發現錯誤[8]。
Matlab不僅有助于繪制物理實驗的圖形圖像,而且在數據的分析處理方面表現優異。
在大學物理實驗課程中,涉及的物理規律一般可以分為線性規律和非線性規律兩種。
對于呈線性規律的實驗數據,數據處理一般采用逐差法、作圖法和最小二乘法。但在數據點不多的情況下,逐差法可能會產生較大的實驗誤差。而作圖法則是人為手工繪制一條直線,當數據點分布較為松散時,學生繪制這條直線不僅難度較大而且極可能產生較大誤差。
最小二乘法體現了統計的規律,目的在于尋找“最優擬合”,也就是最佳的擬合直線,但它的缺點在于運算量龐大。為了解決這個問題,教師可以引導學生利用Matlab進行運算,從而將學生從復雜的人工運算中解放出來。
教師先引導學生編寫好最小二乘法的運算程序,然后通過修改實驗數據和調用程序,就可以得到需要的擬合直線、相關系數、線性回歸方程和不確定度。這樣不僅節約了時間,而且有效地避免了傳統數據處理方法受諸多因素干擾的弊端。
而對于呈非線性關系的物理規律,數據處理一般采用作圖法,并且通常不需要得到實驗目標曲線的函數關系式。為了得到滿意的實驗結果,一般情況下需要先測量好數據點再進行作圖。然而描點連線不僅容易引入實驗誤差而且耗時巨大,學生易產生厭倦心理,進而對完成實驗報告抱著應付的心態,極大影響了實驗報告的質量。若與Matlab相結合,采用曲線擬合和插值的方法,則可以得到理想的平滑曲線。
在數據處理環節引入Matlab,不僅提高數據處理的速度和質量,并且可以便捷地得到直觀圖像和函數方程。既緩解了學生對處理數據的倦怠心理,又提高了學生的主動性和操作能力。當實驗數據出現較大誤差時,也方便了學生及早發現錯誤,及時重做實驗,避免學生在課后因為誤差過大而篡改實驗的原始數據,體現實驗的科學性和真實性。
四、完善期末考評制度
目前普遍采用的大學物理實驗考核方式是將平時實驗成績和期末考試成績兩個部分按一定的比例進行綜合評價。雖然平時實驗成績和期末考試成績兩個部分的綜合評價能夠比較公平地反映學生對大學物理實驗這門課程的掌握程度,但仍然存在一定的弊端[2]。
例如目前平時實驗成績評定主要以撰寫的實驗報告為依據,雖然教師會在課堂上對預習報告進行檢查并作標記,但仍然存在學生篡改實驗數據、抄襲實驗報告的現象。這不僅不能準確地反映學生的實驗水平,而且挫傷了認真學習的同學的積極性。
考慮到現在大學物理實驗課的教學往往采取大班上課的模式,教師無法對每個學生的實驗過程進行考量,提出如下幾點建議:
(一)在期末考評中加入閉卷理論考試成績
理論考試一定程度上可以檢驗學生對實驗的掌握情況。在試題內容的設置上,可以是與學生選擇的操作性實驗相關的理論問題。比如簡述實驗原理、對某項操作是否出現錯誤的判斷、實驗可能存在的誤差以及誤差分析、實驗數據的處理方法等[5]。必要時,還可以加入一些延伸性的問題。比如“等厚干涉――牛頓環”這個實驗的理論試題可以問如何測量水的折射率,這與實驗課堂中測量透鏡曲率半徑的方法類似。
(二)加入預習成績作為平時成績一部分
好的實驗預習可以提高實驗教學效率,是完成實驗的必要前提。但學生在預習環節往往存在諸多問題。例如部分學生僅僅是為了應付教師的檢查,將教材上的內容原封不動地搬到預習報告上,沒有進行任何思考,并不能達到預習目的。