学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探究

高文莉，周　进，苏为宁



学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探究

高文莉，周进，苏为宁

(南京大学 物理实验教学中心，江苏 南京 210093)

结合大学物理实验教学工作经验和当前大力开展创新型教育的新形势,在实验教学过程中探索了学生主导型物理实验教学模式,并以迈克耳孙干涉实验为例，列举了由基本实验拓展出的6个实验. 实践表明:学生主导型实验提高了实验教学质量和学生的综合能力.

学生主导型物理实验；教学模式；综合能力

近年来，随着高等教育改革的深入以及社会的快速进步，培养具有较高综合能力的创新人才成为当前高等院校的重要任务. 综合能力是比较宽泛的概念，从学生培养的角度看，主要包含2部分:提出问题的能力和解决问题的能力.

现在的大学教育偏重于后者，即学生的知识储备、分析问题、解决问题的能力，物理实验也是如此，从形式看，物理实验可以分为3类：

1)基础和综合实验，一般告知实验内容、实验方法、实验仪器，让学生按要求完成. 这主要培养学生理解基本实验方法、掌握仪器的使用和锻炼动手能力.

2)设计性实验，对学生提出实验要求，并一定范围内给定实验仪器，由学生思考如何完成实验任务. 这可培养学生综合运用所学知识的能力.

3)研究性实验，教师给学生想法或方向，由学生自己准备器材，摸索实验方法. 这类实验可以培养学生查阅文献资料、团队协作等能力.

这3类物理实验有共同的特点，就是实验题目均来源于教师，学生自主完成空间虽然有所不同，但基本上仍属于培养分析问题和解决问题的能力的范畴. 如何让学生能够发现问题、提出问题，是当今高校人才培养方面重要的课题之一，也是培养学生综合能力的重要方面. 著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道在2010年首届“创新中国论坛”上指出“要创新，需学问；只学答，非学问. 要创新，需学问；问愈透，创更新.”近年来南京大学物理实验教学中心在这方面进行了一些有效的探索[1].

1　物理实验课程教学模式探索

通过几年的摸索实践，我们发现，培养学生的综合能力不神秘，有系统性的方法，是可以训练的. 首先，发现新问题的关键在于培养学生的好奇心和敏锐的观察力. 解决新问题的关键是培养学生理论联系实际的能力，使其能有目的地学习(查找、自学文献)、运用知识，主动探索新规律和新知识. 具体来说，把大学二年级下学期开设的大学物理实验三在教学模式上进行了改变，将课程结构分为2个阶段，让学生实验模拟科学研究的过程，要求自主完成1个自己提出的实验研究课题.

第一阶段，6周时间，学生自主选择并完成感兴趣的实验项目，激发兴趣，唤醒好奇心，培养发现问题的能力.

南京大学物理实验教学突出让学生在实验中发现问题、分析问题和解决问题，进行科研素养的综合能力的训练. 具体而言，课程开始时由教师对本课程近30个物理实验给学生逐一简要介绍，让学生从中选择并完成2～3个自己感兴趣的基本实验. 在此阶段，给予学生较多的自由空间，让学生根据实验要求，进行主动探索，引导学生以科研的方式进行实验. 开设基本实验的目的不仅仅是要求学生独立完成实验，更重要的是学生要在实验过程中注意观察，寻找并发现自己觉得有进一步研究价值的现象. 同时，除了必要的注意事项外，指导教师尽量少讲解，少示范，多和学生进行启发性的讨论，引导学生去观察、分析、思考，激发学生的主动探索意识，唤醒学生的好奇心，培养学生发现问题的能力.

第二阶段，在第一阶段基础上，学生自己提出并完成课题，在期末参加公开答辩.

完成基本实验后，要求学生在此基础上或自己在学习生活中发现问题，提出自己的实验研究课题，并设计合理的实验方案，自主完成该课题. 除此以外，课题也可以是学生理论课程中或平时看文献资料时想到的问题，可以是演示物理实验中的现象研究，可以是与物理相关的来自生活中的有兴趣的问题的研究. 对课题，首先明确学生的创新课题及实验完成与实际意义上的创新要求是不同的，具体说来只要是自己现有的认知水平突破即可. 一个好的课题可以是有新的思想、方法，可以是物理知识的合理灵活运用，可以是有较多的设备和自制器材使用，也可以是若干实验失败的总结和结论.

从实践情况看，学生主导型实验教学模式对学生是挑战，由于知识和实验条件、器材等局限，选择1个可行并能完成的课题，学生需要花费较多的时间，有时几乎在很长一段时间内反复摸索才能确定1个课题，最后需要利用双休日加班加点连续实验，完成课题和课题论文，其结果可能还是初步的，好的课题还需要继续进行提炼和完善，这样的过程，学生们普遍感觉是“痛并快乐着”，而教师和实验室主要提供指导和开放. 我们看到，若干年后，学生对物理实验记得最清楚的正是这样的实验.

在提出新课题、解决新问题的过程中，学生综合创新能力得到全方位的锻炼，大批学生能够做到理论联系实际，灵活运用知识. 很多课题都融合了理论、实验、计算机模拟等，学生的口头和书面表达能力也得到了锻炼.

2　学生课题案例

以迈克耳孙干涉仪实验为例，教材中主要有3个内容：1)测量激光的波长；2)测量钠光灯双黄光的波长差；3)测量玻璃的折射率. 学生根据自己的情况，从该实验出发拓展出了以下课题.

2.1迈克耳孙干涉仪中补偿板与干涉条纹

迈克耳孙干涉仪中补偿板的作用是补偿两相干光束因通过分光板次数不同而引起的附加光程差(特别是对复合光). 做该实验时学生有意地去掉补偿板, 讨论并观察在单色光照射时产生的干涉条纹的变化情况[2]，得到的实验结果如图1所示，经过理论分析和计算机模拟,得到的结果与实验完全相符,如图2所示.

图1　实验中拍到的干涉条纹

图2　计算机模拟的干涉条纹

2.2用迈克耳孙干涉仪测量厚透明材料折射率

物理实验课程中，迈克耳孙干涉仪测量玻璃折射率主要是利用出现白光干涉条纹的零光程条件，由放入玻璃片前后出现白光干涉条纹的位置，得到相关的光程. 由于折射率与波长有关，要求待测样品尽量薄，而测量厚透明固体折射率，用白光调节出干涉条纹难度很大. 为解决这一局限，学生提出采用半视场法[3]. 半视场法以激光为光源，在光路中一半视场处放入平行待测材料后，调节反射镜，视场两边对应的干涉条纹出现条纹陷入和涨出，当合成为圆时可以得到相关的光程差. 采用半视场法观测的干涉条纹如图3所示.

(a)调节前图像　　　　　　(b)调节后图像图3　半视场法观测条纹

2.3利用迈克耳孙干涉仪重建蜡烛火焰温度场

空气温度改变，折射率将发生变化，从折射率的变化经过定标就可以得到温度分布. 选择蜡烛火焰作为实验对象,研究周围温度变化，应用阿贝尔变换法和环带法,可对轴对称温度场进行定量计算[4]. 蜡烛火焰干涉条纹图如图4所示，计算时通过噪声处理、低通滤波,获得二值化后的图像如图5所示，从而得到温度分布如图6所示.

图4　蜡烛火焰干涉条纹图

图5　干涉条纹骨架图

图6　迈克耳孙干涉仪重建蜡烛火焰温度场

2.4用M-Z干涉仪对空气折射率的定量测量与理论探讨

迈克耳孙干涉仪存在样品空间的限制，学生自行组建M-Z干涉仪，测量空气在不同压强下的折射率，可以用于测量气体等大面积区域中折射率的微小变化[5]. 而且光在所研究容器中只经过1次, 这使得该区域的光程变化显得很直观. 图7为所得到的压强与折射率关系. 最后从经典的电介质理论对空气折射率产生原因进行分析，解释了压强与折射率的对应关系.

图7　折射率与压强的拟合曲线

2.5干涉法测量铝薄膜的轴向应力

这也是从迈克耳孙干涉仪实验拓展出的课题[6]. 应力是薄膜制备和生产过程中存在的普遍现象, 薄膜应力产生的原因有2个方面:一是由于薄膜和基底的热膨胀系数不同而引起的,称为热应力;一是由于薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的,称本征应力. 实验采用迈克耳孙干涉仪变形结构(图8)，测量其力应变和热应变，并对测量的结果进行了拟合.

图8　实验装置示意图

2.6迈克耳孙干涉仪进行溶质扩散的研究

这是一个还没有成功的课题. 课题想法：溶液的折射率与溶液的成分和浓度有关，利用迈克耳孙干涉仪可以测量折射率的变化，从而研究溶质的扩散问题. 学生在该课题研究过程中，解决了图像变化的获取问题，但由于样品盒中三维扩散信息的提取极困难，自己制备的二维扩散样品盒(相当于薄膜)，材料平整度、平行度等因素效果差，最后未能取得预期的结果. 这样的课题我们也给予鼓励.

3　结束语

虽然有些课题看起来简单，实际上是学生多次反复、多次提炼和修改获得的，这样的过程对学生来说是宝贵的经历. 当然教师也需要有比较多的付出. 学生主导型实验教学模式，可以激发学生的主观能动性，调动学生查阅资料、参与实验实践活动的积极性，极大提高了学生独立思考、发现问题、解决问题和科研创新能力，提高了实验教学质量和学生综合能力，对培养学生创新意识和创新能力发挥着重要作用.

[1]周进,王思慧,黄润生,等. 树立新理念 构建新体系 培养学生创新素质和研究能力[J]. 实验室研究与探索,2006,25(5)：619-621.

[2]邓小燕,乔蹻,潘永华,等. 迈克尔逊干涉仪中补偿板与干涉条纹[J]. 物理与工程,2006,16(2)：29-32.

[3]徐文韬,李全伟,李吉骜,等. 用迈克耳孙干涉仪测量厚透明材料折射率[J]. 物理实验,2012,32(6)：35-39.

[4]温学达,刘钊,周惠君,等. 利用迈克耳孙干涉仪重建蜡烛火焰温度场[J]. 物理实验,2007,27(6)：44-47

[5]卢丹勇,刘长江,周惠君,等. 用M-Z干涉仪对空气折射率的定量测量与理论探讨[J]. 物理实验,2006,26(12)：40-43.

[6]周思，陈迅驰，周惠君，等. 干涉法测量铅薄膜的轴向应力[J]. 物理实验，2008，28(9):5-8.

[责任编辑：任德香]

Practice on student-oriented experiment teaching and comprehensive capability cultivation

GAO Wen-li, ZHOU Jin, SU Wei-ning

(Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

Combining the teaching experience in university physics experiment and the new situation in carrying out innovative education, the student-oriented experimentin teaching mode was explored. Take the Michelson interference experiment as an example, six extending experiments developed from the basic experiment were listed. Practices showed that the student-oriented experiment improved the teaching quality and the students' comprehensive ability.

student-oriented experiment; teaching mode; comprehensive capability

2016-05-28；修改日期：2016-09-07

高文莉(1968-)，女，江苏灌云人，南京大学物理实验教学中心讲师，硕士，研究方向为凝聚态物理.

G642.423

B

1005-4642(2016)10-0023-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文