導(dǎo)語：物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)踐探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:為了促進(jìn)教學(xué)和科研相輔相成，共同發(fā)展，推動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展，需要將科研成果拓展為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。本教學(xué)改革項(xiàng)目從兩方面入手，一是在課堂教學(xué)中引入最新科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容，二是將高壓電暈電場與生物質(zhì)相互作用引入物理實(shí)驗(yàn)課程等。經(jīng)過3個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將科研成果拓展為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，可以更好地吸引學(xué)生課堂注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增加課堂知識(shí)更新率，培養(yǎng)學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)中尋找科研題目的能力，從而喚醒學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高創(chuàng)新能力，也可對(duì)本科生提前進(jìn)行科研基本素養(yǎng)訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞:科研成果;教學(xué)內(nèi)容;創(chuàng)新實(shí)踐

著名物理學(xué)家密立根曾說:“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn)，有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面，但只有兩條腿才能前進(jìn)。”其實(shí)對(duì)高等教育的發(fā)展來說，何嘗不也是要靠“教學(xué)”和“科研”兩條腿來走路，只有這兩條腿相輔相成，一起向前，才能推動(dòng)高等教育的發(fā)展。因?yàn)榻虒W(xué)和科研是高等院校工作中不可分割的兩個(gè)方面［1］。教學(xué)工作是給學(xué)生講授已知的成熟的知識(shí)，目前的教學(xué)工作已經(jīng)融合了各種有效的教學(xué)手段如翻轉(zhuǎn)課堂、慕課(MOOC)、微課等。通過有效的教學(xué)方式把已有的知識(shí)講解明了，使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)體系和相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)能把握整體，明了細(xì)節(jié)，以達(dá)到學(xué)通、學(xué)懂、學(xué)會(huì)的目的，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題能力，做到學(xué)有所用，學(xué)為所用;科學(xué)研究則是引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用一些科學(xué)思維、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)方法對(duì)未知領(lǐng)域的探索研究，重在培養(yǎng)學(xué)生分析解決未知領(lǐng)域問題的科學(xué)思維和能力。教學(xué)和科研是互相融合、互相促進(jìn)的關(guān)系，正如德國著名學(xué)者雅斯貝爾斯所言，尤其重要的是教學(xué)要以研究成果為內(nèi)容，因此教學(xué)與研究并重是大學(xué)的首要原則［2］。物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)思想、方法和技術(shù)是各學(xué)科科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，所以物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新人才必不可少的組成部分，對(duì)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)方法的養(yǎng)成具有重要作用。當(dāng)前物理學(xué)科的迅速發(fā)展對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)提出了新的要求，因此，物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要進(jìn)一步拓展并與最新的科研成果接軌，使最新的科研成果及現(xiàn)代科技滲透到傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容之中，將科研成果拓展、融入物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容之中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)，以及用科學(xué)思維、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、科學(xué)方法解決未知問題能力，這將有助于提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力、掌握進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法，以適應(yīng)新時(shí)代學(xué)生的發(fā)展要求。為此，近些年，課題組開始將一些科研成果拓展為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行系列研究與實(shí)踐。這方面的教學(xué)改革主要從以下兩方面入手。

1在課堂教學(xué)中引入最新科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，有些題目比較經(jīng)典，一直延續(xù)了幾十年，學(xué)生認(rèn)為這些題目知識(shí)比較陳舊，對(duì)這些題目的學(xué)習(xí)興趣不高。其實(shí)可以換個(gè)角度考慮問題，因?yàn)榇髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)大部分題目是針對(duì)經(jīng)典物理學(xué)中的一些知識(shí)內(nèi)容所設(shè)計(jì)，不管的物理實(shí)驗(yàn)題目多么陳舊，總是可以把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與最新的科學(xué)發(fā)展前沿領(lǐng)域相聯(lián)系。既可以讓學(xué)生覺得實(shí)驗(yàn)是有意義的，又可以讓學(xué)生領(lǐng)略科學(xué)研究的進(jìn)展。

1．1磁場分布測量實(shí)驗(yàn)中引入科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容

在磁場分布測量實(shí)驗(yàn)中，給學(xué)生介紹我國在合肥建立的強(qiáng)磁場國家中心，特別是強(qiáng)磁場在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，這就是大家在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)的磁場的魅力之一。還可以給同學(xué)們介紹我國的東方超環(huán)，簡稱EAST。該實(shí)驗(yàn)裝置是用來實(shí)現(xiàn)可控核聚變的。核聚變的燃料是氘和氚，要發(fā)生可控制的核聚變反應(yīng)需要超高溫和超高壓。大約需要1億攝氏度。而在如此高的溫度下任何固體容器都會(huì)化為灰燼。而用來約束這些高溫高壓的等離子體的物質(zhì)就是磁場。2016年我國宣布，在全球首次實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的101．2秒穩(wěn)態(tài)長脈沖高約束模等離子體運(yùn)行，等離子體溫度達(dá)到5000萬℃，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，為人類開發(fā)利用核聚變清潔能源奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。這是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中認(rèn)識(shí)的磁場的又一魅力。

1．2在組合干涉儀實(shí)驗(yàn)和固體線膨脹系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)中引入科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容

在組合干涉儀實(shí)驗(yàn)或固體線膨脹系數(shù)測定的實(shí)驗(yàn)中，用到了邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜本人也因?yàn)檫@一貢獻(xiàn)獲得了1907年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2017年，三位來自美國的引力波研究專家雷納·韋斯、基普·索恩以及巴里·巴里什榮膺當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的殊榮，以表彰他們對(duì)激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)和觀測引力波所做出的決定性貢獻(xiàn)。LIGO是laserinterferometergravitationalwaveobserv-atory的縮寫，是借助于激光干涉儀來聆聽來自宇宙深處引力波的大型研究儀器。截至目前，LIGO由兩個(gè)干涉儀組成，每一個(gè)都帶有兩個(gè)4千米長的臂并組成L型，它們分別位于相距3000千米的美國南海岸Livingston和美國西北海岸Hanford。每個(gè)臂由直徑為1．2米的真空鋼管組成。換句話說，LIGO就是一個(gè)放大版的邁克爾遜干涉儀。1916年，愛因斯坦提出了廣義相對(duì)論，他認(rèn)為任何有質(zhì)量的物體加速運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空產(chǎn)生作用，這個(gè)作用就是以引力波的形式發(fā)生的。三位美國物理學(xué)家也因利用改進(jìn)后放大版的邁克爾遜干涉儀探測到了引力波，從而證明了100年前愛因斯坦廣義相對(duì)論的正確性。愛因斯坦和他的廣義相對(duì)論，同學(xué)們都是熟悉的，引入這樣的科學(xué)發(fā)展前沿內(nèi)容可以引起學(xué)生對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)題目的興趣和好奇，而好奇可以推動(dòng)學(xué)生理解背后原理。

1．3在熵和熱機(jī)實(shí)驗(yàn)中引入科學(xué)發(fā)展前沿

在熱機(jī)效率實(shí)驗(yàn)中，熵的概念比較抽象難懂，引入了美國賓夕法尼亞大學(xué)物理和天文系的幾位科學(xué)家合作的一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在物理學(xué)的頂級(jí)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表?？茖W(xué)家先將一個(gè)直徑只有0．474微米“大球”放入梨形容器里。通過長時(shí)間多次光學(xué)攝影觀察，發(fā)現(xiàn)到這個(gè)大球可以出現(xiàn)在這個(gè)容器中任何一處。接下來，又將很多的更小的球(0．084微米)放了進(jìn)去。這時(shí)候，從攝影照片看，大球基本上只能待在邊上了。這個(gè)結(jié)果是如何發(fā)生的呢?其實(shí)，這樣的結(jié)果是由于熵力(entropy)的作用。熵是表征體系自由度的一個(gè)物理量。容器中的大球、小球都在不停地做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)小球也在不停地從各個(gè)方向撞擊著大球。每一時(shí)刻，大球在不同方向上受到的小球撞擊一般來說是不一樣多的(因?yàn)槿萜魇怯邢薮笮〉?，大球就會(huì)因?yàn)槭芰Φ牟煌蚰硞€(gè)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大球碰到了容器壁的時(shí)候，陰影部分面積就減小了，因?yàn)榇笄蛑車年幱安糠趾腿萜鞅诘年幱安糠置娣e有了重疊。這說明，小球可以去的地方就變大了一些。那么體系的自由度也就變大了。物理規(guī)律說一個(gè)封閉的體系總是要趨向于熵最大，也就是熵增加原理，這說明封閉體系更喜歡自由度大的情況。這樣一來，大球由于受這個(gè)規(guī)律的制約就跑到容器邊緣上待著。經(jīng)過教師這樣講解，同學(xué)們對(duì)熵增加原理就有了較深體會(huì)和認(rèn)識(shí)，也增加了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的趣味性。

2將高壓電暈電場與生物質(zhì)相互作用引入物理實(shí)驗(yàn)課程

近年來，課題組共承擔(dān)3項(xiàng)有關(guān)高壓電場與生物質(zhì)相互作用的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和5項(xiàng)內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目。同時(shí)還承擔(dān)2項(xiàng)有關(guān)科研與教學(xué)促進(jìn)方面的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目基金的資助下，教學(xué)改革取得了一些成果，在近年將高壓電暈電場與生物質(zhì)相互作用研究取得的系列成果轉(zhuǎn)化為《物理興趣與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)》選修課及《大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)》課程的一個(gè)教學(xué)內(nèi)容，以構(gòu)建具有綜合物理及生物學(xué)知識(shí)、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練和將基礎(chǔ)知識(shí)運(yùn)用于科技前沿研究特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。這樣不僅使教學(xué)內(nèi)容更加新穎，而且也使學(xué)生消除了對(duì)科研的神秘感，提高了學(xué)習(xí)積極性，開闊了思路，培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)。

2．1將電場干燥技術(shù)拓展為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

高壓電場干燥技術(shù)［又稱為Electrohydrodynamic(EHD)干燥］是一種新型的干燥技術(shù)，它是通過將被干燥物料放在下極板上，然后給上極板(平板、針狀、線狀等不同形狀82的電極)加一定幅度的直流或交流高電壓，在兩電極間形成電暈電場實(shí)現(xiàn)物料干燥。日本的淺川1976年就發(fā)現(xiàn)了“淺川效應(yīng)”，即在高壓電場下，水的蒸發(fā)變得十分活躍，施加電壓后水的蒸發(fā)速度加快，并認(rèn)為電場消耗的能量很小［3］。但一直到了20世紀(jì)80年代末期這個(gè)現(xiàn)象才受到重視，人們逐漸研究起來，并且放到了一個(gè)新興學(xué)科里面———電流體動(dòng)力學(xué)［Electrohydrodynamic(EHD)］。本文作者丁昌江教授通過高壓電場干燥技術(shù)對(duì)多種物料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)高壓電場干燥不但干燥速度快，而且具有能耗低、不污染環(huán)境、干燥均勻、物料不升溫、還可殺滅細(xì)菌的優(yōu)點(diǎn)，并能很好的保存物料的有效成分［4］。與對(duì)流干燥和冷凍干燥相比，該技術(shù)具有設(shè)備設(shè)計(jì)簡單、造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)［5］。拓展的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為:對(duì)高壓電場干燥枸杞過程當(dāng)中的一些參數(shù)(如電壓參數(shù)、干燥速度、含水量、電極形狀等)進(jìn)行比較細(xì)致、系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)，得到比較全面地枸杞在高壓電場中的干燥特性數(shù)據(jù);對(duì)干燥后枸杞干制品的一些指標(biāo)(如顏色、收縮率、復(fù)水率等)進(jìn)行測定，對(duì)干制品的品質(zhì)進(jìn)行分析，及不同電壓參數(shù)下品質(zhì)的比較，找到品質(zhì)和電壓之間的規(guī)律。同時(shí)，讓學(xué)生對(duì)高壓電場干燥技術(shù)機(jī)制有初步的了解，并鼓勵(lì)學(xué)生探索其他機(jī)理解釋。

2．2將分析電暈放電產(chǎn)生的低溫等離子診斷拓展為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

高壓電暈電場是指能產(chǎn)生局部電暈放電的電場。在非均勻電場中，電極的尖端處電力線最集中，電場強(qiáng)度也最大。當(dāng)加上高壓后，由于空氣游離會(huì)在電極附近產(chǎn)生局部放電———電暈放電。近年來，這一技術(shù)被拓展應(yīng)運(yùn)于生物誘變及轉(zhuǎn)基因［6-9］。近期課題組又申請(qǐng)了專利，國家專利局已授權(quán)實(shí)用新型專利。多針-板電暈電場可以產(chǎn)生電暈放電，而電暈放電可以使空氣電離產(chǎn)生較多低溫等離子體，這些等離子體由OH、H2O2、O、N+、N2+、O2-等自由基、活性原子和正負(fù)離子組成，這些低溫等離子體在電場作用下會(huì)被加速而形成離子風(fēng)，進(jìn)而與處于電場的物質(zhì)發(fā)生相互作用。作者認(rèn)為，正是電暈放電才引起生物誘變，所以對(duì)電暈放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行診斷，揭示不同電場參數(shù)下電暈電場中產(chǎn)生的低溫等離子體的各種參數(shù)，電暈放電所產(chǎn)生的低溫等離子體對(duì)高壓電暈電場誘變效應(yīng)的貢獻(xiàn)率。拓展的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為:用發(fā)射光譜儀測量不同放電時(shí)間、不同電壓、不同電極間距、不同環(huán)境濕度下針板電暈電場所產(chǎn)生等離子體中的物種成分、空間分布、粒子相對(duì)密度等多種重要參數(shù)，進(jìn)而讓學(xué)生了解處于此種電場中的生物體受電暈放電所產(chǎn)生的低溫等離子體的影響程度。

3結(jié)論

總之，為了突出“教學(xué)”和“科研”兩條腿相輔相成走路，推動(dòng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展，嘗試了以上兩種方法。這樣改革將最新的科研成果或項(xiàng)目滲透到傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容之中，注重物理學(xué)和生物學(xué)的交叉，將有助于提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。另外，高壓電暈電場與生物體相互作用研究是實(shí)驗(yàn)中心教師的主要科研方向之一，通過將教師的部分科研成果轉(zhuǎn)化為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容具有一定特色。學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與科研、工程、社會(huì)應(yīng)用實(shí)踐密切聯(lián)系，使學(xué)生掌握進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)。

作者：宋智青 丁昌江 陳浩 單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)理學(xué)院