“平台+模块”大学物理实验课程体系的探讨

赵丽华 王悦悦 戴朝卿

(浙江农林大学理学院,浙江临安 311300)

大学物理实验课是提高大学生创新能力和综合素质的重要课程[1]。为了有效地培养大学生的综合能力,使学生能将科学的实验方法运用到将来的科研和其他创造活动中,各高校着手进行大学物理实验课程体系的改革[2-3]。从最初结构单一的“力、热、电、光”实验课程体系发展到层次化渐进式的“基础性实验—综合性实验—设计性实验”实验课程体系,大学物理实验课程体系越来越符合学生的认知规律。但随着这种分层次课程体系的实施,一些具体问题也逐渐显露出来。我们通过校内外的调研,并结合农林院校非物理专业物理实验教学的特点,对大学物理实验课程体系进行改革,建立了“平台+模块”的物理实验课程新体系。实践证明,该课程体系能够有效地提高学生实验技能和综合素质,达到培养学生的动手能力、综合思维能力和创造能力的目的。

一、分层次课程体系面临的新问题

目前大部分院校采用了“基础性实验—综合性实验—设计性实验”分层次实验课程体系,其中大多数实验都具有独立的知识点要求,并且部分院校采用了开放选课的教学模式。经过长期的教学实践,一些问题逐渐显现。

(一)实验之间缺乏联系,不利于提高学生的综合能力

由于学生自由选择的时间不够充裕,实验室的资源有限,以及学生在选实验项目时存在的盲目性,导致学生没有选择或无法选择到自己感兴趣以及前后有联系的实验项目。

(二)课程体系系统性不够,不利于学生掌握科学的实验方法

大一新生已习惯于系统性较强的高中物理课程体系,而分层次课程体系没有考虑到各实验对学生能力培养的前后联系,学生会误以为实验只是一个机械地重复实验步骤的过程,感受不到实验的乐趣,意识不到物理实验的精髓方法在今后学习中所发挥的作用。尤其是在农林院校学时数相对较少的情况下,学生没有足够的时间去掌握力、热、光、电的所有实验,一旦学生在开放选课时只选择了独立散乱、不成系统的实验项目,就无法系统地掌握科学的实验方法,造成学生所学的知识不能很好地融会贯通,从而无法灵活应用知识、突破创新。

(三)与后续专业学习脱节,不利于激发学生的学习兴趣

目前很多高校的专业已采用大类招生,专业特色越来越明显,但分层次实验课程体系并未考虑与专业紧密结合,与后续专业课衔接不合理,致使学生误解物理实验与所学专业无关,导致学习积极性下降。

此外,由于物理实验课程与专业的内在联系并非显而易见,貌似无关,学生误认为学而无用,学习热情不高。

二、“平台+模块”实验课程新体系

针对现有课程体系存在的问题,我们对其进行了改革,提出了“平台+模块”的大学物理实验课程新体系。把所有的物理实验进行重新分析和分类,将原来独立的实验有机联系起来,构建了统一的公共实验平台,并按专业分模块教学,使实验教学成为螺旋式上升发展的认识和实践过程。具体框架见图1。

(一)公共实验平台

该平台涵盖了力、热、电、光各方面的知识内容,包含了涉及基本仪器操作的基础性实验和在物理学发展史上曾起过重要作用的、物理思想好、设计方法妙的经典实验,如密立根油滴实验、夫兰克—赫兹实验等。这样,不仅使学生掌握了基本操作技能,激发了学习兴趣,而且经典实验的物理思想拓宽了学生的科学视野,为学生进入专业学习打下了坚实的基础。

图1 “平台+模块”实验课程新体系

(二)开放式选做实验模块

开放式选做实验模块采用网上选课,开设多个实验模块小循环供学生选择。学生可以选择自己感兴趣、且与自己专业相关的实验模块,为学习后续专业课程奠定基础。实验模块化小循环主要经历4个阶段,如图2(a)所示,现以其中一个光学模块[见图2(b)]和电学模块[见图2(c)]为例进行说明:

图2 开放式选做实验模块举例

如图2(b)所示,第一阶段通过“薄透镜焦距的测定”实验,让学生运用高中所学的透镜成像原理,学会光学仪器共轴调节,掌握光学实验的规范操作,并且熟悉光学平台上各仪器的功能。此外,实验中直接测量焦距的自准法和间接测量焦距的共轭法也能很好地训练学生对合成不确定度、实验结果表达、有效数取舍等大学物理实验数据处理方法。第二阶段通过“全息照相”实验,让学生综合运用光学的干涉和衍射原理完成光路摆放,并使其了解现代科技的成果,培养综合运用知识的能力,为他们的后续科研工作奠定基础。第三阶段先运用偏振光实验系统,让学生掌握偏振光的起偏和检偏方法,理解偏振光的成像原理。接着要求学生运用已有实验仪器在光学平台上搭建偏振光光路,使其了解偏振光实验系统的内部结构,从而多途径地掌握相关实验原理和实验方法,为学生将来学会组装、改装仪器奠定基础。第四阶段是设计性实验,主要运用前面3个阶段学到的实验技能和方法设计完成望远镜和投影仪的组装,让学生能够运用多种方法和手段实现实验目的。这一设计性实验的题材来源于现实生活,创造了一种促使学生生动活泼地进行实验活动的环境,从而提高了学生学习的主动性和创造性。通过这样一个实验小循环,学生不仅掌握了光学中几何光学、波动光学(干涉、衍射、偏振)的知识内容,而且掌握了光学实验方法和光路图的设计,达到了光学实验的教学目的。

如图2(c)所示,我们希望通过第一阶段让学生掌握电学基本仪器相关参数的选择方法,学会电学实验的基本方法和规范操作,并且熟练进行实验数据处理和误差计算、分析。第二阶段通过改装和校准各种电表,了解其内部结构、工作原理以及扩大量程的方法,培养学生的综合应用能力。第三阶段让学生运用已掌握的电学方法和知识进行与现代科技紧密联系的实验,让学生接触科学前沿的内容,从而意识到学有所用。第四阶段采用现实生活中的温度计题材,让学生灵活运用电学知识和方法进行设计,培养学生的创新设计能力,使他们将理论运用于实际,达到电学实验的教学目的。

我们开设的每个实验模块小循环,不同于以往简单地将所有实验按知识点分块罗列,而是按照实验项目的内在联系编排实验。每个实验不仅具有内在联系,而且注重实验教学内容与科研、工程以及社会应用实践密切联系,实现了基础与前沿、经典与现代的有机结合。实验内容从简到难分层次上升,不仅保留了传统的分层次实验课程体系的优点,同时也改正了分层次课程体系系统性不足、知识点之间相互脱离等缺点,而且还考虑了专业特点。通过学习任何一个模块小循环,学生能系统地掌握物理实验的方法,在有限的学时内让学生做到学以致用、举一反三,培养综合应用能力和创新能力,全面提高学生的综合素质。

(三)近代选做实验模块

该实验模块中,我们设置了具有代表性的物理实验,或者具有新技术、新方法、新领域特征的近代物理实验。例如,利用光电效应测定普朗克常数、微波基本系统的了解和使用、高温超导材料特性测试、用单光子计数器测微弱光的光子数等实验。这些实验不仅可以引导学生关注和跟踪现代科学发展的前沿,还有利于激发学生的创新意识,培养学生的创新能力。

三、课程新体系的实施及其效果

我们在2007、2008级学生中实施了“平台+模块”课程体系,编写了相应的实验教材和讲义,并结合各专业人才培养的要求制订了各实验的教学要求、目的以及教学效果考核和评定细则。

我们对农业与食品科学、机械与材料、环境与科技、电子信息、统计与信息等5大类专业的2007、2008级共计1956名学生进行了网上问卷调查,课程体系改革前后的几个代表性问题的调查结果见表1:

表1 课程体系改革的效果评价

从问卷调查中我们可以看出,虽然以前的分层次实验课程体系也得到了大多数学生的认可,但相比较而言,学生更乐于接受改革后的实验课程体系。学生在实验活动中由被动变为主动,由“要我做实验”变为“我要做实验”,大大提高了学习物理实验的兴趣。实验课程新体系既能满足学生的求知欲望,又能培养学生的科学素质。此外,实验教学改革提高了教学效率,使教学内容环环相扣,形成了一个完整的、统一的有机体。通过实验课程新体系的实施,学生对大学物理实验课程的学习兴趣增加了,学生的动手能力、综合能力和创新能力得到了提高,收到了良好的效果。

“平台+模块”的大学物理实验课程新体系解决了分层次课程体系存在的一些问题,加强了各实验之间的相互融合,强化了实验对学生综合素质培养的作用与效果,使学生在有限的时间内真正地学到了物理实验方法和知识技能。实践证明,“平台+模块”课程新体系得到了广大教师与学生的一致认可,全方位地提高了学生的综合素质和创新能力,适应了新世纪人才培养目标的要求。

[1]吕太国.大学普通物理实验教学体系改革探讨[J].高校实验室工作研究,2008(4):20-21.

[2]王向川.应用型本科院校物理实验课程建设的改革与探索[J].合肥学院学报,2008,18(2):94-96.

[3]吴宗汉,钱锋,周雨青.改革大学物理实验教学 创建大学物理课程新体系[J],物理通报,2006(8):10-13.