普通物理综合设计实验课教学方法改革初探

董巧燕，刘伟健，刘 维，王福合，尹晓冬，施宇蕾

（首都师范大学，北京 100048）

中小学受应试教育的影响，使得学生在主动性、创造性及动手实验能力等方面普遍较差，而且越偏远的地域，实验条件越有限，有相当一部分同学进入大学前从未自己动手做过物理实验［1］。首都师范大学物理系物理教育专业的学生进入大学后首先学习的实验课是《普通物理基础实验1》和《普通物理基础实验2》。通过这两门课的学习，使学生在物理实验的基本知识、基本方法和基本技能方面受到较系统的训练，理论联系实际，培养学生初步的实验能力、良好的实验习惯以及严谨的科学作风，使学生逐步具有良好的实验素质。在这两门课中，传统的教学方法是教师详细讲解实验原理，演示实验操作，然后学生自己动手完成实验［2］。这种方法使学生利用理论课所学知识思考、解决实验中遇到的问题的训练受到限制。

普通物理综合设计实验课是介于基础实验与科学研究之间的课程，它要求学生对实验过程具有全程统筹的能力［3］。其综合性首先是指实验内容的综合性和涉及到物理知识的广泛性，其次是实验方法的整合性和实验手段的多元性；设计性则体现了学生的参与程度。对于这门课，在固定实验题目的前提下，优质的教学方法是只提供给学生相关的实验仪器及说明书，学生自己查阅文献资料，完成实验内容，撰写研究报告，分析解决实验过程中遇到的问题。但是，由于学生之前没有受过此类训练，学生人数多（约100名学生），课前不认真预习，任课教师少，每个实验设定的时间又仅为4学时，使这种方法在实际中基本行不通。为了使学生在这门课中尽可能多地提升综合设计能力，进行教学改革势在必行。

下面以我校物理系为物理教育专业学生开设的综合设计性实验之一——双光栅法测微弱振动位移量实验［4－5］来谈谈教学的心得与体会。

1 提高学生实验预习的针对性

在以往与学生的交谈中了解到，有一部分学生进实验室之前根本就不进行预习；一部分同学虽说是提前预习了，但上课时会发现他们根本就没明白实验设计原理；还有一部分同学只预习明白了其中一部分，但仍然影响课上正常进行。为了督促学生很好地进行预习，我们在正式上课前一周把实验卡片发给学生，实验卡片包括以下内容：思考题、实验内容及数据处理、注意事项、评分标准等。其中思考题的设置主要是为了提高学生预习的针对性，抓住实验设计核心和实验要点。同时，为了调动学生的积极性，要求学生进实验室之前把这些思考题回答在预习报告上。为了避免部分同学完全不进行预习就来做实验，在课堂上抄写实验预习报告，我们还要求学生一进实验室就即刻提交实验预习报告。

对于双光栅法测微弱振动位移量实验，我们设计的思考题如下：

（1）微弱振动的振幅如何获得？

（2）本实验中如何得到拍频波？其拍频大小由什么决定？

（3）激光器射出的激光波长为635nm，由此可知其频率为多少？能直接探测吗？若不能，怎么解决？

（4）为什么要使用光拍？形成光拍的条件是什么？（理论上）

（5）如何判断动光栅与静光栅的刻痕已平行？

（6）作外力驱动音叉谐振曲线时，为什么要固定信号功率？测量时首先要找到音叉的什么频率？如何找？

2 围绕思考题分小组讨论

学生独立进行实验预习时，思路上总会有一定的局限。往往可能因搞不懂某些小知识点阻碍实验预习的正常进行。所以，我们在正式上课时，首先将学生分成两组（每组5名学生），思考题分成两部分，每组负责一部分，讨论20分钟并给出思考题的答案。这样做不仅发挥了学生的自主性，还增强了学生的团队合作意识。同时，也可以使极少数没有预习的同学也略学到一些。

3 提问＋提示引导的方式使学生明确实验思路

有相当一部分同学为了完成实验来做实验，总是着急做实验，一遇到问题就叫老师帮忙，而不去认真思考，不设法自己解决。还有，学生在实验时总是不能将理论课中所学知识灵活地运用到实验中来，这是一种普遍现象。所以在学生自己动手实验前，我们采取了以下教学环节：明确理论上要达到什么目的，借助什么实验器件可以达到此目的，理论和实验器件的结合最终如何达到目的。

下面仍以双光栅法测微弱振动位移量实验为例展现具体过程。从实验题目来看的话，提问学生最终要得到哪个物理量？大部分学生可以回答出来：音叉振动的振幅。提示学生，要测量的是长度，有什么获得办法？学生会提出用刻度尺、游标卡尺等。再引导学生观察音叉振动的特点。音叉振动的幅度很小，肉眼完全无法分辨，而且振动的位置时刻在变化，教师否定这种方法。那怎么办呢？再提示学生我们是综合设计实验，可以考虑力学、光学、电学等方法。再看实验题目，学生会说出利用双光栅法。新的问题出现：什么是双光栅法？这时要带着学生一起复习光学中所学知识——光栅。首先回忆光栅的结构，从单缝衍射、双缝干涉的衍射图样，猜想光栅的衍射图样。同时，利用教学器件激光笔演示激光通过一光栅后投影在墙上的衍射图样，与分析结果比对，直观明了。学生清楚了光栅的概念后，说明双光栅即是一动一静两光栅，其中动光栅贴在音叉上随音叉一起振动。再紧接着提问：为什么要用双光栅法？这时学生一般会不知所措，提示从光的频率方面考虑。已知实验激光波长，提问学生激光频率大小在什么量级。提供给学生仪器价格信息，比如Agilent公司几个GHz的示波器价格在百万元左右，直接探测激光这么高频率的光非常困难，而且仪器造价昂贵。此方法行不通。进一步提示学生，现在光频率太高了，简单的想法是降低频率，这时再让学生观察我们实验提供的示波器能探测的频率，随便告诉学生这个仪器只需要几千元左右，实验成本大幅降低。又一新问题出现：怎么降低？部分学生能说出光拍法。这个时候类比音拍的概念，来讲解光拍。根据波的叠加原理，得出获得强的光拍信号的理论及实验条件：利用一动一静两光栅得到同方向传播、且频率相差很小的两列光波的叠加。数学推导得出动光栅的振动速度与光拍频率的关系其中ωd是光拍圆频率，v是动光栅振动速度（也即音叉振动速度。），d是光栅密度。即其中为光栅密度。这样力学量v和光学量F拍之间搭起了桥梁。

最后，和学生一起总结实验思路：（1）调整光路，经光电转换器后在示波器上观察到强的光拍信号；（2）寻找音叉振动的谐振点，调整音叉功率和频率，听音叉声音，并借助示波器。（3）测量完整的谐振曲线，此时固定音叉功率。

随后学生自己整理思路，自己独立动手完成实验。

4 对部分学生进行进一步指导

按步骤3讨论完实验思路后，由于学生个体的差异，相当一部分同学还是有很多不明白的地方。这时再单独指导。了解学生的问题，搞清学生的问题出现在哪里。先让学生从理论上找出答案，然后再让学生寻找具体哪个或哪些实验仪器部件可以达到目的。而不是直接告诉学生结果。这个环节学生起主导作用。

5 实验报告中对实验步骤的要求

为了督促学生对实验操作过程进行回顾，我们特别要求在实验报告上详细写出实验步骤。学生在完成这一部分的过程中有时会发现操作过程中的重大失误。教师在批阅实验报告时也能从这一部分及时发现学生的问题，引起学生对细节问题的关注，培养全面良好的实验习惯和能力。同时这一要求还可以加深学生对实验设计思路的认识。

6 实验报告中对实验数据处理的要求

实验报告中要求将实验原始数据进行整理列表，反复要求学生标明物理量、单位及有效数字，培养良好习惯和严谨的科学态度，为以后教学和科研工作打基础。要求利用Excel、Origin等软件进行作图，培养学生计算机处理数据的能力。

这一教学方法是在对三届学生的教学过程中逐渐摸索出来的，受到了较好的效果，具体体现在教学评估成绩的提高：第一届学生给教师的教学评估成绩为92.03，第二届学生给教师的教学评估成绩为94.27，第三届学生给教师的教学评估成绩为94.41。当然，综合设计性实验与大学生创新能力的培养不是几个实验就能完成的，是一个复杂的系统工程，只有每一个教育工作者都积极参与行动起来，从教学工作的一点一滴做起，才能真正达到培养学生创新能力的目的。此外，在以后的教学中还需要根据学生具体情况相应调整和改进教学方法。

［1］张清.加强综合设计性物理实验的初步实践［J］.安徽工业大学学报：社会科学版，2001，18（2）：105－106.

［2］马世红.设计性、研究性物理实验的实践情况［J］.物理实验，2004，24（11）：28－33.

［3］田睿，田硕.对设计性综合物理实验课程的探索（以河南工业职业技术学院为例）［J］.技术与市场，2009，16（10）：77－78.

［4］杨静，陈晓花，潘晨.用激光双光栅法测量微小位移的实验研究［J］.上饶师范学院学报，2012，32（3）：42－48.

［5］周永军.开设创新物理实验课程的实践与探索［J］.大学物理实验，2013（1）：114－116.