物理实验教学中引导学生提高实践和创新能力

吉晓瑞，杨晓红，孟广伊，张 娇，江 翠，李双美，王为民

(沈阳工程学院 基础教学部，辽宁 沈阳 110136)

物理实验教学中引导学生提高实践和创新能力

吉晓瑞，杨晓红，孟广伊，张 娇，江 翠，李双美，王为民

(沈阳工程学院 基础教学部，辽宁 沈阳 110136)

物理实验教学改革，首先应对物理实验教材的内容进行合理设计，给学生呈现一个清晰的思路，让学生对实验项目有一个宏观的认识而非拘泥于细枝末节，从而达到无需教师提示，学生能够独立完成实验的程度，学生会从心理上得到一种成就感。用改造现有实验设备和真实的创新竞赛，启发学生根据基础的实验原理大胆进行创新。通过抛出问题，给学生留出充分的想象空间，并且从心理上给予正确评价、充分的肯定。

物理实验教学；实践能力；创新能力

大学物理实验课程是理工类学生必修的一门基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，能为学生提供综合性很强的基本实验技能训练，它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。许多从事大学物理实验教学的教育工作者从诸多方面提出了目前大学物理实验教学当中存在的一些问题，如重理论轻实践、验证实验多等[1]。同时也探讨和尝试了许多途径来提高学生的实践能力和创新能力，如：利用趣味实验引起学生学习兴趣,增加探索性实验[2]，强调以学生为主体[3]等。经过多年的物理实验教学，并针对沈阳工程学院的实际情况，试探讨一下如何从实验教材的编写、增长学生见识、学生心理的把握等方面引导学生自主提高实践能力和创新能力。

一、锻炼学生通过思考将知识转化成技能以解决问题

杜威倡导问题解决的教学模式，认为大量的实践和发现活动都与学生问题解决有关，他认为：一个人必须有他自己的目的和问题，并能自行思考。在教育中，要引导学生运用智慧去探究或探索以解决问题，在解决问题的过程中获得真知[4]。对于现在的学生，由于成长环境都很优越，整个成长过程中也没有接触过多少生产劳动，普遍缺乏动手能力，但是，学生的理论知识都很强。因此，合理引导学生的思维，让学生在每一步操作当中都能获得成就感，那么他们的自信心就会逐步增强，他们自然而然地会对实验产生兴趣，会主动去探索，并自觉地将理论知识应用于实践当中，这样既能深入了解知识体系，又能锻炼能力。那么，如何恰当地将学生的思维引入到实验当中就成为关键问题。

二、注重实验教材的编写

实验教材是指导学生实验的参考书，教材内容是否具有针对性直接影响到学生的实验操作。物理实验教材一定是要自己编写的，不能直接选用已经出版的其他实验教材。已经出版的实验教材所包含的实验项目以及实验仪器可能与已有的实验室仪器不完全匹配，如果选这样的教材，就是对学生的不负责任。前些年实验室购置了一大批实验仪器，由于时间紧任务重，当年教师未能及时编写出配套的实验教材，无奈选用了一本自认为与实验室设备相近的教材，结果当年的教学情况不是很理想，尽管教师对大部分实验都事先发放了补充材料，学生也做了预习，但操作效果还是不尽如人意。第二年，我们自己编写了实验教材，教学效果明显好转，教师授课轻松，学生也能顺利完成整个实验。可见合适的实验教材对于老师和学生来讲都是十分必要的。

目前，由于大部分学生预习不够积极，所以不能要求学生对每个实验都上网查资料以及翻阅其他参考书，在这种情况下，实验教材的内容安排就显得尤为重要。如果知识交代得面面俱到，会限制学生的发散思维，学生思维会出现“固化”；若知识交代得过于肤浅空洞，学生一时之间不能深刻领悟，又会觉得实验很难，无法企及，从而失去兴趣。所以如何掌握好这个度是教师应不断探索的重要课题。

教材中实验内容的设计从开篇的实验背景介绍和实际应用，到最后的结论得出及拓展思维题目，每一个环节都很重要，类似链条一样，环环相扣。学生从第一节链条依次递进，最理想的状态是学生独立完成实验。实验背景的介绍能够让学生了解为什么做这个实验，能够解决什么问题，在日常生活中实验原理都可以应用在什么领域，是怎么应用的。对于这些问题不能吝惜篇幅，一定要详细阐述，这也是很好的普及物理学史的过程。学生会感觉到这个实验做起来很有意义，所能应用的领域距离自己也并不遥远，所以会产生向往的心理。物理实验目的就是为学生解决问题，实验要根据难易程度来设计，要让学生通过努力在要求的时间内能够完成。当学生独立完成实验后，心里就会得到一种满足感，会对自己做出充分肯定，从而增强自信心，会对下一个实验产生渴望。

实验仪器部分，我们在列出所需仪器之后，又附上实验装置实物图以及各个部件的拆分实物图，让学生对实验仪器有一个直观的了解。而且，适当地将实验仪器、元件的功能、用途和使用方法作以简单介绍，会大大减少学生在预习中所遇到的困难。因为我们发现，由于不同实验项目分别被安排在不同的实验室里，本次实验结束后，学生不可能对下一个实验仪器有系统的了解，学生往往会反馈说对教材所述的仪器名称及性能等根本不清楚。其实往往只是个很简单的问题，只要看一下实物马上就会懂，就是因为没看到实物，学生花了大量的预习时间，效果还不理想。

就实验室来讲，由于上实验的学生较多，实验课衔接又很紧密，实验室已无法满足所有学生到实验室进行观摩的需求。为了避免造成混乱，我们将仪器实物图等放在教材中，收到了很好的效果。实验原理部分也是学生最挠头的部分，大部分学生对于文字叙述的原理能够很好地接受和思考，但对于一些复杂的公式推导则会失去耐心。对于文字叙述内容，重在“接地气”，就是根据理论课教学的深浅度做出安排，尤其对于那些在理论课中未涉及的知识，一定要在原理当中补充，使学生的思维能够连贯而不出现知识的“断层”。对于公式的推导部分，则要尽可能做到详细，尽量不出现“显而易见、由此可证”等文字。对于操作步骤部分，则不必做详尽的描述。由于实验目的已经提出，仪器、元件的功能及使用方法也适当地介绍过，实验原理也十分明确了，学生此时的任务就是积极思考、动手操作。数据处理环节，要求学生自行对实验数据进行不确定度的计算及修约，因为此过程能够锻炼学生对引起实验误差的因素进行科学的分析和评定，但可以做适当的引导，因为毕竟学生对科学实验接触的比较少。拓展思维题目部分更不能简单列出几个问题草草了事，其实这部分正是在引导学生进行实验创新。在此部分，可用真实的创新实验仪器图片作为例子，图文并茂地向学生说明只要肯思考、肯动手，创新实验就在自己身边。

三、通过对实验仪器的拆卸和组装开拓学生的眼界

目前，学生之所以缺乏动手能力，一方面是因为教师没能充分调动起学生的学习兴趣，另一方面是因为学生没有实践经历。物理实验课作为学生在大学较早接触的一门实践类课程，应极力为学生“开拓眼界”创造机会。小到扳手、钳子、电烙铁、二极管、三极管、电容器，大到电锯、电钻等仪器用具，教师都应当将它们介绍给学生。实验教师都很清楚仪器设备的使用及工具、标准件的操作，但学生并没有这样的阅历，教师应当在教学中尽量帮助学生解决问题，以增长他们的实践能力。对于每一样实验仪器，无论其是否贵重，教师都应当拿出一套作为样机，允许学生自行拆卸和组装，以培养学生的动手能力。物理实验课并不能仅局限于让学生熟练地掌握对实验的操作，让学生了解实验仪器的拆卸和组装同样重要。通过拆装过程，学生能够对实验仪器有全方位的了解。

实验教师肩负着指导学生实验、培养学生独立思维以及自觉的动手能力的重任，因此，教师自身就应该具备一定的独立思维和动手能力。教师对实验室所有仪器的内部构造及工作原理应当有全面的了解，而不是只懂得实验操作。对于学生在拆卸组装过程中遇到的问题，师生之间应相互沟通，以达到教学相长的效果。学生提出的问题越尖锐，对老师越是一种考验和激励。而学生也会感到他与教师讨论实际技术问题已超出了自己的学习范围，内心会获得一种充实感和满足感，这非常有利于学生创新思维的养成。

四、学生动手维修实验仪器及创新实验仪器的制作

实验室有很多老旧仪器，有的即将报废，让学生对这些仪器进行改造，使之重新恢复生机，可以充分锻炼学生的动手能力和实践能力。物理实验室原有牛顿环实验用的读数显微镜，大部分仪器物镜下方的半透半反镜都已经损坏。目前市面上售卖的半透半反镜规格和样式已经无法与老仪器相匹配。教师让学生自行设计夹具，经过切割、打磨、改造和安装，将所有老式仪器更换了新的半透半反镜，而且非常牢固。迈克耳孙干涉仪的第一级黑色塑料鼓轮，中心轴与轮之间只靠压紧摩擦传动，鼓轮很容易滑脱。学生将中心金属轴打磨出平面，在塑料鼓轮的中心放置小小的金属片作为挡板，摒弃了摩擦传动的方式，成功地解决了鼓轮滑脱问题，牢固性也非常好。这些工作既锻炼了学生的动手能力，同时也为实验室节省了可观的开支。

教材中每个实验最后的拓展思维部分对学生的启发都很大，有很多学生就是根据这部分的提示，自行设计出不少的创新实验仪器。如光栅光谱实验，学生对“光栅”非常的感兴趣；而超声波测声速实验，学生又对“超声波”很感兴趣。于是，学生经过查阅资料，设计出利用超声波测量水的比热容。原理是提高超声波的频率，超声波在水中传播时，水将视为光栅，用钠光灯经凸透镜聚光，光线经过水槽，在水槽另一侧的屏上将出现衍射条纹，测出衍射条纹间距，带入公式即可计算出水的比热容。学生在分光仪的调整与棱镜折射率的测量实验中，对准直管很感兴趣，牛顿环实验用读数显微镜还可以精确读出水平及竖直移动的微小距离，于是，学生设计出微量液体折射率的测量实验仪器。实验原理是光源经准直管汇聚到读数显微镜，毛细管中盛放微量液体，将毛细管放置在光路焦点处，读数显微镜能够测量出光线偏移的数值，代入公式即可得到液体的折射率。学生用光纤传感器测量金属丝的杨氏模量、用超声波定位原理制作出可以语音输出的盲人导航耳机、用超声波定位原理制作出可以绕过障碍物具有跟踪功能的行李托运小车、用太阳能电池板和蓄电池及逆变器等制作出可以收集日光灯等光源的光、可以数字显示变压输出交直流电的综合装置……将往届学生改造过的实验仪器、学生制作的创新实验仪器都摆放到现在的学生面前，并辅以展板说明设计的思路及实验原理。学生能够真切地感觉到创新实验仪器的制作离自己并不遥远，维修仪器也是完全能够做到的。学生的实验积极性极大地被调动了起来。

经过多年的教学工作和对学生的了解，根据现有的实验仪器，我们自行编写了实验教材，充分地吸引学生的注意力，引导学生的思维，调动他们的实验积极性。让学生根据教材的提示自主完成实验，学生的心理得到极大的满足，成就感油然而生，学生对接下来的实验产生渴望。允许学生将实验仪器进行拆装，将实验室全部的维修工具、仪器内部结构全部展现在学生面前，学生增长了见识，同时也提高了动手能力。在拆装仪器过程中，由于学生深入了解了仪器结构，从而会产生许多改进仪器的好想法，将理论知识应用到实践当中去设计改造仪器。用真实的创新实验仪器对学生进行教育，学生的参与性提高，自觉地锻炼了实践能力和创新能力。

[1]李明雪.基于创新人才培养的大学物理实验五维一体教学改革[J].高师理科学刊,2015,35(3):87-90.

[2]钟晓燕,田辉勇,王淑珍,等.注重创新能力培养的大学物理实验教学探索 [J].科教文汇,2015(314):51-52.

[3]张风昀.大学物理实验教学中科研创新能力培养的三个途径 [J].科教文汇,2015(334):47-48.

[4]杜 威.经验与教育[M].北京:人民教育出版社,2005.

[5]秦 宏,曲延华,黄 硕.应用型本科电子技术课程工程实际能力的培养与实践[J].沈阳工程学院学报：社会科学版，2009(4)：555-557.

(责任编辑 祁 刚 校对 伯 灵)

In College Physics Experiment Teaching Process Leading Students to Improve the Practice Ability and Innovation Ability

JI Xiao-rui,YANG Xiao-hong,MENG Guang-yi,ZHANG Jiao,JIANG Cui,LI Shuang-mei,WANG Wei-min

(Department of Basic Teaching，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)

We rationally design the contents of the experimental books,present students a clear train of thought,and make the students have a macro understanding rather than in details about the project in order to make students independently accomplish the experiment without teacher′s prompt so that the students can get a sense of psychological accomplishment.With the typical example of renovating the equipment of the existing experiment and real innovation contest experimental apparatus as a starting point,to inspire the students to innovate according to the basic principle of the experiment.By throwing out problems,setting aside sufficient imaginary space to the students can correctly influence students psychologically.

physics experiment teaching;practice ability;innovation ability

2016-11-13

吉晓瑞(1980-)，男，吉林松原人，讲师，博士，主要从事纳米材料的合成与应用研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ss).2017.01.025

G642.423

A

1672-9617(2017)01-0122-04