提高设计性、研究性实验教学质量的实践探索＊

张映辉

(大连海事大学物理系,辽宁大连 116026)

提高设计性、研究性实验教学质量的实践探索＊

张映辉

(大连海事大学物理系,辽宁大连 116026)

本文根据新版《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》,提出大学物理实验设计性、研究性实验教学应着力突出新仪器、新方法的运用,突出科研成果转化,突出课题研究导向,从而丰富教学内涵,增强教学针对性、生动性和可操作性等教改观点.

设计性实验;研究性实验;新仪器、新方法;科研成果转化;课题研究导向

新版《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》(2008)将大学物理实验明确划分为基础性实验、综合性实验、设计性实验和研究性实验4个层次.经过几十年的教学实践积累,国内各院校在基础性实验、综合性实验方面,都有比较成熟的课程体系、教材和教学模式,而对如何搞好设计性实验、研究性实验教学,尚在探索中.后两者虽然所占比重不大,但其在国家创新型人才培养战略中地位重要,且教学难度明显超出前两者.因此,加强设计性实验、研究性实验教学,探索相关的课程设置(教学内容)和教学方法,是当前大学物理实验教学改革的难点和重点.

总结多年物理实验教学实践和教改研究经验,笔者认为应从如下几个方面加强设计性、研究性实验教学.

1 围绕经典理论的设计性、研究性实验应积极采用新仪器、新方法

物理学是实验科学,物理理论总是与物理实验相互印证,相互促进.经典理论、原理无疑早已被实验所证明,但作为基础训练,大学物理实验总是离不开对其进行研究和印证,以期加深对物理规律的认识和理解,并从中学习实验方法,熟悉实验仪器,掌握实验原理.许多基础性实验、综合性实验都是围绕它们而设置的.作为科学研究的基础性课程,设计性实验、研究性实验仍须有一些围绕经典理论进行实验的研究题目.而新仪器、新方法的运用则是提升这些研究题目内涵和质量的重要途径.

其一,随着科学技术的飞速发展,新仪器、新设备不断涌现,有的将要甚至正在取代旧有仪器、设备(如各种数字仪表、计算机数字仪器等).

其二,多数新仪器、新方法有简捷、方便、直观、准确的特点,其在研究性实验、设计性实验中的应用无疑会提高实验教学的效率,从而改进教学效果.

其三,从教学本身的要求来看,虽然大学物理实验是理工科基础课程,但“基础”的内涵理所应当地随科学技术进步而不断更新.

在近几年的实验教学中,我们有意识地把新仪器、新方法列入设计性实验和研究性实验教学中,收到了较好成效.如设计性实验重力加速度测定教学中,我们在提供备选仪器时,除单摆、电子秒表、游标卡尺、米尺、滑动导轨、小车、砝码、计数计时仪等传统仪器外,还提供了新型焦利秤、霍尔开关传感器、运动传感器、Datastudio应用软件、用凯特摆测量重力加速度仿真实验等新型仪器设备和软件,这样直接引导学生运用计算机传感技术,不仅开阔了实验设计思路,还提高了实验测量的精度.又如,在设计热敏电阻温度计实验中,采用智能温控加热器给热敏电阻加热,而智能温控加热器本身所具有的丰富设计思想,也对学生的创新思维很有启发和帮助.

此外,在几种常用传感器(光纤位移传感器、电涡流传感器、电容传感器、差动变压式传感器)特性研究,基本电路(整流滤波电路、稳压电路、RLC暂态电路)特性研究,电子荷质比测定等实验中,都应尽可能地引导学生运用新仪器、新方法.

2 努力把最新科研成果转化为设计性、研究性实验课题

物理及相关学科的最新科研成果,能够很好地展示物理定律和原理、引领科学实(试)验与研究、增强学生研究意识和设计创新能力.在设计性、研究性实验教学中,注意适当引进这些成果,不仅能够提高教学内容的生动性、应用性,增强操作性和学习兴趣,而且完全符合“自己设计方案独立完成”、“学生个体或团队以科研方式进行实验”等要求.

几年来,经过不断探索开发,我们先后把下列科研成果引入设计性、研究性实验教学:

1)“大气压下非平衡等离子体形成及其输运特性机理研究”(辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目No.RC-04-06)成果转化为:“大气压下电晕放电的产生与伏安特性研究”、“低温等离子体参量的双探针诊断研究”和“电荷电压法测量介质阻挡放电功率”等3个实验.

2)“Nd3+/Er3+共掺杂中红外氟氧化物激光玻璃材料的研究”(国家自然科学基金项目)成果转化为“玻璃材料设计与制备”实验.

3)“全自动液晶器件参数综合测试仪的研究开发”(科技部中小企业创新基金重点项目)成果转化为“液晶电光效应”实验.

4)“非线性相位调制假彩色编码实验仪研制”(交通部“两课”建设项目)成果转化为本校和哈尔滨工程大学、中央民族大学等单位用于教学、科研的实验仪器,为本校学生开出实验:“非线性相位调制假彩色编码”.

5)“RC充放电智能化实验仪”(学生设计性实验)成果实现了计算机动态显示 RC充放电过程,并能随机采集相关实验数据,已由上级批准正式列为实验“RC串联电路充放电特性研究”教学仪器.

学生设计性、研究性实验成果多人次在省级和校级科技大奖赛中获奖,其中:“放电等离子体玉米秸秆粉末制糖装置”获2009年辽宁省挑战杯赛一等奖“;发射光谱协同放电截面电流诊断等离子体电子密度的装置”获辽宁省挑战杯赛二等奖.

3 以正在研究攻关的课题为导向进行设计性、研究性实验

如果说,物理及相关学科最新科研成果转化为设计性、研究性实验能够提高教学的应用性和生动性,从而促进学生学习积极性的话,那么,以正在研究攻关的课题为导向,让他们参与到课题研究中来,则既加强了研究力量,发挥了学生的聪明才智,又能够使设计性、研究性实验教学真正名副其实,引领学生真正进入探索、研究、设计、创新的境界.

我系承担的2007年国家科技支撑计划项目“远洋船舶压载水羟基自由基工程化处理技术开发”是针对远洋船舶压载水生物污染与水质净化问题,进行的羟基自由基工程化关键技术研发,在课题研究过程中,我们将其分解为“大气压强电场(≥100kV/cm)电离放电加速电子(≥10eV)获得高浓度活性粒子的机理和方法研究”、“小型模块化阵列式羟基自由基发生源的研制”、“大气压强电场放电高效生成羟基自由基(·OH)方法研究”、“海水中羟基自由基检测的方法研究”等多个子课题,由几名教授分别带领研究生和部分本科生承担研究任务,实现了教学科研双丰收.

此外,我们还将等离子体、凝聚态研究课题的相应子课题以毕业设计题目的形式交给本科学生,让他们自主设计、自选仪器,由教师指导进行设计性、研究性实验,如“DBD等离子体源时空尺度问题初探”、“危险品荧光标记物的探索研究”、“大气压高流场微型等离子体测试仪的实验研究”、“强电离放电烟气脱硫的实验研究”、“电磁波在辉光等离子体中的传播特性”等,许多题目收到意想不到的成果.

总之,设计性实验、研究性实验教学是大学物理实验教学的新课题,也是实验教学改革的重点和难点.突出新仪器、新方法的运用,突出最新科研成果的转化,突出课题研究导向是丰富教学内涵,增强教学针对性、生动性和可操作性,提高其教学质量的有效途径,我们将在实践中不断进行探索.

[1] 张映辉.大学物理实验[M].北京:机械工业出版社,2009

2010-10-12)

大连海事大学教学改革项目(2009Y23)资助.