導(dǎo)語：大學(xué)物理實驗第二層次教學(xué)探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：從第二層次大學(xué)物理實驗教學(xué)、全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽和大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)之間關(guān)系的角度，分析了大學(xué)物理實驗第二層次教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽中存在的學(xué)生能力培養(yǎng)不足的問題．提出了在大學(xué)物理第二層次實驗教學(xué)中，通過深挖學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的內(nèi)涵，并與全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽成果相融合來提高學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的途徑．

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗教學(xué);創(chuàng)新能力培養(yǎng);中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽

1引言

目前，建設(shè)創(chuàng)新型國家的戰(zhàn)略目標和建設(shè)“雙一流”學(xué)科的首要任務(wù)是：培養(yǎng)具有創(chuàng)新型的科研人才．近幾年來，各學(xué)科為培養(yǎng)科研創(chuàng)新型人才進行了大量的教學(xué)改革研究［1～6］．大學(xué)物理實驗課程作為培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)的實驗課程，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力方面具有不可替代的重要作用．因此，大學(xué)物理實驗的教學(xué)改革也成為人們研究的熱點［7～10］．我校［哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）］是一所在深圳特區(qū)興建的大學(xué)，為充分發(fā)揮物理實驗教學(xué)的創(chuàng)新能力培養(yǎng)作用，在借鑒國內(nèi)高校大學(xué)物理實驗教學(xué)方面成功經(jīng)驗基礎(chǔ)上，為解決物理實驗教學(xué)中存在的實際問題，我們研究和分析了大學(xué)物理實驗教學(xué)體系中第二層次實驗教學(xué)和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)系，以及和全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽融合的關(guān)系，對大學(xué)物理實驗教學(xué)如何培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力提出了新的認識．

2大學(xué)物理實驗教學(xué)體系和培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)系

2．1大學(xué)物理實驗教學(xué)體系實施過程中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的問題．大學(xué)物理實驗教學(xué)體系一般分3個層次設(shè)置，第一層次為基礎(chǔ)驗證性實驗，第二層次為綜合提高性實驗，第三層次為設(shè)計性或研究性實驗．第一層次實驗是在教師指導(dǎo)下，培養(yǎng)學(xué)生掌握物理實驗中基本的操作技能．第二層次實驗是學(xué)生在已經(jīng)掌握了基本實驗常識和基本技能后在教師指導(dǎo)下進行的相對提高的訓(xùn)練，主要培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力．第三層次實驗相比第一、二層次的實驗，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面更具有直接性．在該層次實驗教學(xué)實施過程中，學(xué)生需根據(jù)教師給定的實驗條件和目標，獨立地設(shè)計實驗方案，挑選相應(yīng)的實驗儀器，在教師的引導(dǎo)下完成實驗的操作及數(shù)據(jù)處理，并寫出具備基本科研訓(xùn)練的實驗報告或論文．在這3種物理實驗教學(xué)體系設(shè)置中，由于受到教學(xué)時數(shù)和教學(xué)資源不足的限制，導(dǎo)致第三層次物理實驗教學(xué)時數(shù)設(shè)置相比第一、二層次實驗教學(xué)時數(shù)較少，第一和第二層次物理實驗教學(xué)僅局限于學(xué)生循著教師的示范操作做一遍，得到一些數(shù)據(jù)和結(jié)論后寫出實驗報告，并沒有對物理實驗中出現(xiàn)的問題進行深入的探討．這些問題都將在物理實驗教學(xué)過程中制約大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)．近幾年，在我校學(xué)生評教結(jié)果中，有學(xué)生認為：“大學(xué)物理實驗和大學(xué)物理理論課沒有聯(lián)系”“感覺物理實驗與專業(yè)課無關(guān)，以后的學(xué)習(xí)和工作中也用不上”，甚至說“物理實驗占用了他們的專業(yè)學(xué)習(xí)時間”．學(xué)生的評教結(jié)果都和上述問題相關(guān)，說明在大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)是被動消極的，實驗創(chuàng)新能力培養(yǎng)并沒有在他們身上凸顯出來．2．2大學(xué)物理實驗第二層次實驗教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的挖掘．為發(fā)揮大學(xué)物理實驗教學(xué)在學(xué)生能力培養(yǎng)過程的積極作用，在大學(xué)物理實驗三層次教學(xué)過程中，我們認為：應(yīng)重視挖掘第二層次大學(xué)物理實驗教學(xué)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的作用．因為第二層次的物理實驗教學(xué)項目除具有只需最簡單的儀器和設(shè)備、最基本的物理原理就能使學(xué)生清晰地認識自然界規(guī)律的特點外，還內(nèi)涵許多培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力的內(nèi)容需要我們?nèi)ネ诰颍硗猓瑢W(xué)生的科研創(chuàng)新能力提高也需要通過第二層次物理實驗教學(xué)獲得一定的綜合素質(zhì)與能力后，再經(jīng)過科學(xué)實踐訓(xùn)練獲得，因此，在第二層次教學(xué)體系中開發(fā)和挖掘培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的提高性教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在該層次接受大學(xué)物理實驗基本方法和技能等方面系統(tǒng)訓(xùn)練的同時，繼續(xù)去探索該實驗中挖掘出來的提高性實驗內(nèi)容，使教學(xué)和科研有效融合，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)能得到有效的提高．以第二層次雙光柵測量微小振動實驗為例，該實驗依據(jù)位移光柵的多普勒頻移原理，通過雙光柵形成光拍來精確測定微弱振動位移，這是一個設(shè)計巧妙，能提高學(xué)生興趣的實驗，其測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域中．目前，在這個實驗過程當中，教師主要是指導(dǎo)學(xué)生調(diào)試光柵，尋找音叉諧振的頻率，通過準確測量音叉諧振時半個周期內(nèi)光拍的個數(shù)，計算音叉諧振動振幅，并測量外力驅(qū)動時音叉的諧振曲線．由于該實驗綜合運用了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面的知識，且多普勒效應(yīng)是大學(xué)物理重點教學(xué)內(nèi)容，所以該實驗的教學(xué)既能開闊學(xué)生的理論視野，又能啟發(fā)思維．但由于受到學(xué)時數(shù)限制，多數(shù)學(xué)生在課堂上僅按照教師的示范操作完成實驗，課后處理數(shù)據(jù)之后并沒有對實驗當中出現(xiàn)的問題去進一步思考，因而也沒有引起對該實驗的興趣或沒有達到學(xué)生能力培養(yǎng)的要求．事實上，該實驗存在下列幾個待進一步思考的問題，可挖掘出來提供給學(xué)生進一步研究．如：（1）學(xué)生調(diào)試雙光柵時得到“毛刺”現(xiàn)象，即調(diào)試得到的光拍信號波形和理論波形相差太大．為什么會出現(xiàn)“毛刺”現(xiàn)象，“毛刺”現(xiàn)象的產(chǎn)生，和實驗裝置設(shè)計有何關(guān)系，以及如何消除“毛刺”現(xiàn)象，這些都是很好的，需要深入探討的研究性課題，挖掘出來給學(xué)生在教師指導(dǎo)下去進行理論和實驗研究，可以激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的研究興趣和創(chuàng)新能力．（2）雙光柵實驗過程中，學(xué)生需通過調(diào)節(jié)頻率使音叉諧振以后，改變音叉附著質(zhì)量去觀察音叉的振幅大小改變（示波器顯示的拍頻波的個數(shù)的改變），這個教學(xué)內(nèi)容可結(jié)合計算機數(shù)據(jù)處理進一步挖掘，即學(xué)生在做該實驗內(nèi)容的同時，可要求他們多測幾組數(shù)據(jù)，利用計算機去擬合出附著質(zhì)量大小改變與音叉振幅改變的關(guān)系曲線，找出函數(shù)關(guān)系，并進行誤差分析，不但可以豐富該實驗項目教學(xué)內(nèi)容，還可促使學(xué)生在已有實驗儀器及條件下，通過進一步分析、綜合和判斷實驗現(xiàn)象，達到研究創(chuàng)新能力有效的提高．

3大學(xué)物理實驗教學(xué)體系和全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽（CUPT）相互融合研究

3．1大學(xué)物理實驗教學(xué)體系和全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽（CUPT）的關(guān)系．自2010年7月首屆中國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽在南開大學(xué)舉辦以來，目前全國大部分高校都把這個競賽作為大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一種有效手段，并作為第三層次物理實驗教學(xué)內(nèi)容的擴充．這個競賽每年的17個競賽題，包含了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等日常生活物理和實際工程技術(shù)物理問題，參賽學(xué)生要準備所有題目，其研究過程必須經(jīng)歷查閱與題目相關(guān)的大量書籍、文獻；確定題目相關(guān)的研究歷史、研究現(xiàn)狀以及可能的研究結(jié)論．并在此基礎(chǔ)上，運用所學(xué)的知識去分析題目所含的物理機制，擬定實驗方案并進行多次實驗．在實驗過程當中，參賽學(xué)生還需設(shè)定具體的測量物理量（一般參賽題目中不直接給定），研究各物理量的動力學(xué)過程以及相互作用．最后還需分析各種實驗方案所得到的結(jié)論是否合理，并對實驗方案進行優(yōu)化，給出較為合理的結(jié)論，并以科技論文的形式寫出研究報告［11］．實踐證明：競賽可以培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度和自信心，即“在以后的研究工作中，只要通過努力就能得到完美的結(jié)果”．但不足的是：這個“精英教育”過程存在著教學(xué)資源分配不均，少數(shù)學(xué)生受益，雖然每年在校內(nèi)針對全校學(xué)生以科技節(jié)形式舉辦選撥賽，但多數(shù)學(xué)生還是沒有參與．另外，由于競賽是在學(xué)生經(jīng)過第一、二層次物理實驗教學(xué)過程訓(xùn)練之后，且已在掌握用物理實驗的方法去觀察、分析、研究物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)上參賽，因此，大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽具有彌補第一和第二層次物理實驗教學(xué)不具備的開放性、研究性等學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的缺失和不足．從這個角度上去看，第二層次大學(xué)物理實驗教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽兩者之間具有相互依存和補充的關(guān)系，如能將兩者相互融合起來，將有效地提高學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．3．2大學(xué)物理第二層次實驗教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)．術(shù)競賽相互融合的方法由于每年的競賽題目來源于力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等日常生活物理和實際工程技術(shù)物理問題，因此，第二層次物理實驗教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽兩者的融合途徑主要有以下兩種：（1）將競賽成果作為第二層次大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容擴充．即深入總結(jié)和挖掘大賽的豐富資源和成果（包括競賽內(nèi)容，所用的實驗方法及儀器），將其嵌入到第二層次大學(xué)物理實驗教學(xué)過程中去，讓全體學(xué)生受益．（2）在校內(nèi)舉辦多場科技節(jié)，讓更多學(xué)生都來參與，全面提高大學(xué)生人才培養(yǎng)質(zhì)量．如2019年大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽第15題“牛頓擺”，該題是要研究一個球與多個彼此獨立且彼此接觸的同質(zhì)等大的球構(gòu)成的球鏈相互間的碰撞作用，如圖1所示，并研究擺受哪些因素影響停下來．這個競賽題可以和我校開設(shè)的、屬于第二層次物理實驗教學(xué)的碰撞打靶實驗相互融合，作為碰撞打靶實驗培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)拓展．碰撞打靶實驗其實驗原理是動量守恒定律和能量守恒定律，而牛頓擺的碰撞不能簡單用動量守恒和能量守恒定律來解決，因為牛頓擺的碰撞屬于一種球體（或球鏈）與球鏈之間的沖擊作用，需要建立新的模型，即質(zhì)點和與之相聯(lián)的彈簧構(gòu)成的模型［12］，來考慮球與球鏈之間碰撞過程中的變形，如圖2所示．圖1牛頓擺圖2質(zhì)點－彈簧模型通過將動量和能量在球鏈上的傳輸過程等效為動量和能量在質(zhì)點和彈簧之間的傳輸來解決傳輸過程中的能量耗散．這種牛頓擺的分析模型具有很好的開放性和研究性，如融入到碰撞打靶實驗中，引導(dǎo)學(xué)生采用以上模型，應(yīng)用計算機進行數(shù)值模擬分析碰撞結(jié)束后飛出去小球個數(shù)、反彈回來的小球個數(shù)以及小球各自的速度，并通過實驗驗證數(shù)值模擬分析的正確性，可以讓學(xué)生得到一次系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，既提高了學(xué)生的理論水平，又能提高學(xué)生對科學(xué)實驗的興趣，我們的教學(xué)經(jīng)歷證明了這一點．

4結(jié)束語

本文探討了大學(xué)物理實驗教學(xué)體系中第二層次實驗教學(xué)與全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽以及大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)之間的關(guān)系，分析了大學(xué)物理實驗第二層次教學(xué)和大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽中存在的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)不足的問題．在此基礎(chǔ)上，提出了在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，提高學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的兩種有效途徑：（1）深挖第二層次實驗教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的內(nèi)涵；（2）將全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽成果融合到第二層次大學(xué)物理實驗教學(xué)中．并通過雙光柵實驗和碰撞打靶實驗實例對兩種有效路徑進行了說明．我們的教學(xué)實踐證明，上述兩種途徑確實有效地提高了物理實驗教學(xué)中學(xué)生的創(chuàng)新能力，有效提高了大學(xué)物理實驗課的教學(xué)質(zhì)量，為進一步深入開展大學(xué)物理實驗教學(xué)改革奠定了基礎(chǔ)．

作者:曹峰 鄧柏昌 陳浩基 單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)