博雅理念在大学物理实验教学中的实践

何焰蓝，何 彪，丁道一，刘一星，于晓燕，彭 刚

（国防科技大学理学院，湖南长沙410073）

1 大学物理实验是最能体现博雅教育理念的课程

博雅教育[1]是对大学本科生实施的一种教育，它不是为一个具体职业做准备的教育，它更关注个人的发展.博雅教育应以知识为基础，通过求知发展主体精神，培育学生科学的态度和致知的能力，培养学生追求真理的精神和才智，在知识、思想、行为的统一中追求精神境界的提升，使学生的心智得以完善，潜能得到开发，智慧得以启迪，能力得到拓展.

物理学是一门以实验为基础的自然科学，理论严密，研究方法充满着哲理性.例如观察物理现象和过程并对其进行正确的质疑与解释；从实验和观察中进行科学归纳；建立理想化模型并不断修正；运用已有的概念及规律对具体物理问题进行演绎；等等.物理实验教学注重培养学生的形象思维和逻辑思维能力，这些思想方法还可以广泛迁移运用于其他学科的应用领域.

在实验物理学数百年的发展进程中涌现了众多卓越的实验，它们以其巧妙的物理构思，独到地处理和解决问题的方法，精心设计的实验环节，高超的测量技术等，为我们展示了极其丰富和精彩的物理思想，揭示了解决问题的途径和方法.物理实验课程采用的是案例教学模型，即实验的知识点（广义）贯穿（蕴含）在各个具体的实验案例或项目中.在以学生为主体、教师为主导的所有计划学时的实验教学任务完成后，即达到了培养具有健全心智、理性思维、独立思考、和谐人格的完整的人的目标，这一与博雅教学理念的目标完全一致.

2 “感应法测量非均匀磁场”案例教学

“非均匀磁场的测量”实验就是利用法拉第电磁感应定律测量待测磁场的大小和方向.

2.1 物理模型的复杂性与完备性——简约与本质性之间的辩证关系

测量的实质就是首先要搭建容易被测的物理量与待测量（也即未知量）之间的关系，一旦关系式建立，测量方法和手段也随之确定.

设问：“依据本实验原理，教材里测量磁感应强度大小的公式是哪一个？”

实际上，测量磁感应强度大小的公式教材[2]里写得明明白白，即：

课前“预习（但效果无法评价）”过实验教材的学生们被教师提出的这个看似十分简单的问题困惑住了，在他们的脑海里也许早就有了自己的判定，或式（1），或式（2）.学生纷纷翻书，大部分同学确定了式（1）.

又问：两式有什么异同？同学们异口同声地回答：式（2）只对均匀磁场条件成立.而式（1）是经过对探测线圈工程设计（使一小面积的探测线圈满足外径为D，内径d＝D，长度L＝D）后由式（2）改良而来.

这种以面代点称为“替代法”的实验方法既将微小量加以放大又巧妙地解决了式（2）不能直接计算的难题.

提问以及学生作答弄清楚了测量公式的导入原委后，教师继续引导学生：式（2）虽然只是对理想化的均匀磁场（见图1）成立，但却能得出直观和本质的结论：不仅给出了感应法测量磁感应强度大小的方法，也隐含了测量磁感应强度方向的技术.

图1 感应法测磁场原理

考虑到探测线圈法线方向与磁感应强度之间的夹角，有如下公式

式（3）表明：旋转撤出探测线圈，从交流电压表读出最大感生电动势，由式（3）得到该点的磁感应强度的最大值；旋转探测线圈使得交流电压表读数为零，此时的探测线圈法线方向必然与该点的磁感应强度方向垂直.

而最终的测量式（1）是对最简单模型式（2）进一步修正后得到的.

这种对简单模型的修正得到最终更加接近于物理实质的模型的过程，是许多科学研究常用的方法，它避免了将所有因素考虑得周全因而造成计算复杂甚至模糊物理思想或概念的可能.

简单原理包含了千百万特定的事例，要学会或者记住每件事情非常难，但原理囊括了一切.因此，培养学生的心智，让他们学会思考，用理性的思维去发现现象背后的原理，这才是博雅教育的精髓所在.

2.2 灵敏度的概念以及与测量总灵敏度之间的关系——以求最大效益（木桶原理）

式（3）蕴含了测量磁感应强度方向的原理，教材也十分清晰地予以描述.

当提问为何不用“旋转探测线圈使得交流电压表读数最大，此时的探测线圈法线方向必然与该点的磁感应强度方向平行”的显见方法时，学生踌躇，有90%以上的学生有如下的回答：因为最大值那一点不知道，很难确定；而由于交流电表测量的是有效值，因此最小值那点一定是零，容易判定.（这里需要说明一点，大学物理实验课程采取大循环方式，此前学生刚好做完“惠斯登电桥测量电阻”实验.）于是教师提示：“电桥灵敏度”概念，学生有所思，但却无悟.经提示，终于知道用式（3）对θ求导，可以得出用“最小值测量方法”时，即θ＝90°时灵敏度最高的结论.

实验过程中，又让学生用2种方法（即“最大值”和“最小值”）同时测量，结果无甚差别.让学生寻找原因，发现实验中所用的万用数字表的交流电压挡灵敏度不够，让“最小值”测量方向的方法的高灵敏度优势无法发挥.这点在“惠斯登电桥测量电阻”实验中也有类似的情况，总的测量灵敏度实际受限于测量过程中的最小灵敏度.

通过实验，学生加深理解了灵敏度对测量的意义.知道如何寻找短板（即木桶原理），改善实验各环节提高测量精度的途径，更深层次地揭示了博雅教育的哲学意义.

2.3 小垫片的作用——细节决定成败

实验中由于探测线圈有一定的体积，因而造成下表面的中心很难与测量平面[亥姆赫兹线圈中心平面，见图2（a）]的具体测量点一一对应.书上若无提示“有一个透明的中心有一很细螺丝以此明确标出中心点的有机玻璃薄片可以辅助定位[图2（b）]”，几乎没有学生能考虑到采用这种方式.当学生看到教师拿出这个不起眼的小薄垫片后，方恍然大悟.当他们拿着透明有机玻璃薄片轻松定位时，教师再次发问：有机玻璃垫片虽薄，但是依然有一定的厚度，会不会影响测量？这是学生没有在意的一个细节.在学生搞清楚垫片的作用，开始欣喜地测量时，全然忽略了由于垫片的厚度所造成的偏差，而此偏差又在设计时加以考虑而消除于无形之中.于是教师的关于“细节决定成败”的谆谆教诲又使学生难忘却！

图2 探测线圈测量定位装置

实践证明：大学物理实验课程的实施过程，是集实验误差以及数据处理基本知识、基本实验方法（包括思想方法）、基本测量技术等于一体，且深深扎根于“放之四海为皆准的”物理学基本原理这一广阔土壤之中的教学活动.因此，一场由教师主导的以启迪学生思维、培养学生思辨能力和健全心智为目的以实现博雅教育理念的综合实践活动对学生是不无裨益的.

3 教师是贯彻博雅教育理念的主体

国内大多数物理实验教学活动一般过程为，学生课前先将教材里的待做实验草草“通读”一遍，对教材里知识点的内在联系以及实验思想方法不细加领悟，期待着课堂里教师细致地介绍实验目的、实验原理、所用仪器、注意事项等，剩下的时间再按教材上所讲的步骤重复实验，获取数据，验证规律、定理、公式等.这种教学模式的突出特点是以教师为中心，学生只是被动地重复实验步骤，忽略了学生认知过程中的主观能动性，注重的也不是学生思维能力的培养，也抹杀了实验课程特别是物理实验课程在博雅教育中的作用.此外，即便教师有博雅教育的理念，但因为其在学术视野、知识结构等方面存在着缺陷，教育的效果往往也很难达到预期的目标.

可见，博雅教育的师资水平的提高问题也急需提高.教师要高度重视物理思想和物理过程的传授，应该有计划、有目的、有步骤、循序渐进地把实验思想方法教授给学生，使隐性、潜在的物理实验思想方法显性化.这些工作，教师要发挥主导作用.教师要教育学生，因此首先要对实验原理、实验内容进行深入的研究，查阅相关史料，了解这一实验的科学背景，把自己置身于问题的研究之中，深刻领会实验的思想方法，对学生的启发教育才会具有一定的深度.另一方面，教师的知识较学生更为广博，经验更为丰富，认识问题更为周全，能够透过现象看本质，这样才能深刻理解隐性的、潜在的物理实验思想方法，也才有可能将其显性化.在教师的启发和引导下，学生才会自觉地挖掘每一实验内在的思想方法，不仅仅停留在浅层次的数据测量和简单操作层面上，而是用“心”去做每一个实验.只有这样长期坚持，养成习惯，博雅教育的最终目标才能实现.

4 结束语

博雅教育是对大学本科生实施的一种教育，而根据理工科大学里的基础课程大学物理实验特点，决定了它能成为很好地贯彻博雅教育理念的核心课程之一.为唤醒教师在此课程实施博雅教育理念，本文仅以“感应法测量非均匀磁场”实验为例，从物理实验教学的微观层面来探讨其实施的可能性，希望能起到抛砖引玉的作用.

[1] 付金兰.《1828耶鲁报告》博雅教育理念研究[D].长沙：中南大学，2006：1－72.

[2] 何焰蓝，杨俊才.大学物理实验[M].北京：机械工业出版社，2009：139－144.