大学物理实验教学改革的探讨与实践*

檀姗姗 黄 蕊 孙宗利 翟永安 张君霞 彭增伟

(华北电力大学科技学院 河北 保定 071051)

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其转化规律的学科.它的基本概念、基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是自然科学和工程技术的基础.在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明的基石，在人才的科学素质培养中具有重要的地位.

物理学本质上是一门实验科学.物理概念的建立、规律的发现都以严格的科学实验为基础，并通过实验来证实，因此物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接的推动作用[1].在大学物理实验课程中开设的实验, 有的在物理学和科学的发展史上发挥过重要里程碑的作用，有的实验所涉及的设计思想、实验方法和实验技术正在现代科学技术和国民经济建设中发挥着重要的作用.通过学习某些前沿领域中的近代物理实验，可以开阔学生的眼界，激发学生的创新意识，培养学生使用新设备、新仪器及应用新技术的能力.

1 国内物理实验教学现状

1.1 教学模式的不同

根据各高校的实际情况，国内物理实验教学模

式基本可以分为两种.

1.1.1 教师负责固定实验的教学模式

这种教学模式在综合类院校，特别是缺少专门物理实验教师的高校比较常见，一般是物理任课教师在负责大学物理课程教学任务的同时，也负责学校所有必修物理实验学生的大学物理实验课程的教学任务.基本的教学流程为：第一，教师讲解实验，讲解内容包括实验原理、仪器介绍、仪器使用注意事项和演示操作4个部分.第二，学生做实验，学生按照教师演示的实验操作，结合实验原理完成实验.第三，完成实验报告，根据每一个实验的要求，结合自己测量获得的实验原始数据，完成实验报告.这种教学模式优缺点参半，优点是教师负责固定的实验，可以游刃有余地把握所负责实验的各个环节，不管学生在实验过程中出现什么问题，都可以根据往常积累的经验和仪器的特性及时解决，而且这种模式也有利于仪器维护和维修，同时提高学生的实验效率，保证绝大部分学生在规定的时间内完成实验.缺点是由于学生的不固定性，教师没办法进行教学改革和学习效果的跟踪，且容易使学生养成课前不认真预习(甚至不预习)的习惯，绝大多数学生都是听教师讲完后一边看书一边做实验，所谓做实验就是测数据，至于实验的真正目的是什么，为什么要这么做，学生根本不愿去思考.另外，教师对实验成绩的评定也主要是以数据或报告为主，对实验过程的评价稍显欠缺，这也是导致学生重结果、轻过程，甚至为了成绩而去伪造数据的重要因素.

1.1.2 教师跟班制的教学模式

与教师负责固定实验的教学模式不同，教师跟班制由一名教师负责若干自然班级或若干实验组一学期全部的实验课程.实验项目的选取、实验前仪器的准备、实验室的调配等都由该教师有针对性地安排[2].每位教师要负责10个左右的实验，任课教师不仅需要熟练掌握这些实验，同时还需要不断补充与之相关的新的实验方法与手段，这样一来，跟班制教学对任课教师提出了更高的要求，同时对实验室的调配、交接及实验器材的维护也提出了新的挑战.这种教学模式，要求每位教师针对所带学生的所学专业特点、学生的理论基础知识掌握程度，对一学期的实验课程做出合理的统筹规划，把彼此孤立的实验结合成一个整体.同时，也要求教师认识所带实验教学班的每一个学生，根据每堂课每个学生的表现，深入了解他们对大学物理实验这门课的认知程度，从而制订出最优的教学方法.学生熟悉并了解任课教师的教学方法后，可以随时根据自己实验中出现的问题与老师进行沟通交流，更深入地理解掌握各个物理实验，加强各实验之间的联系，提高自己的实验素养.

1.2 教学方法的差别

1.2.1 教师讲授式

教师讲授模式是大部分高校实验室采取的实验教学法.教师讲解实验原理、实验仪器和实验操作步骤，学生按照固定模式完成实验，记录原始数据，课下再计算数据处理及误差分析.完成整个实验的过程中，学生都在按照教师的要求及教师的操作步骤完成实验，这样的传统教学方法不能培养学生学习实验的积极性和主动性，在激发学生的自主创新能力方面更显得捉襟见肘.

1.2.2 多元化教学法

多元化教学法对实验教师的要求高于教师讲授式.多元化教学法要求教师准确定位各个实验的难易程度，并将各个实验与日常生活的契合度作出分析.在讲解实验时，可以灵活引入与实验相关的多媒体素材，且可以使用各种不同的教学软件和平台，更完美地将实验呈现在学生面前.比如，可以通过翻转课堂达到学生课前自学实验的目的[3].比如在“杨氏弹性模量的测量”这个实验中，在望远镜中找到标尺的像是这个实验的关键，由于讲解过程中，学生看不到望远镜中呈现出的图像，这种情况下，教师讲解费时费力，但学生接收度很低，甚至大部分学生不知所云.导致学生在调整仪器过程中，会花很长时间才能找到标尺的像，很多学生都不可能在规定的时间内完成实验，最后就变成恶性循环，编数据，抄数据.鉴于这样的情况，教师可以事先录制一个简短的视频，把望远镜目镜中的视野清晰直观地录到视频中，同时把调整仪器的方法、要点，步骤，以及可能出现的现象等，都一一反映在视频中.学生课前预习时，除了预习书本上的理论知识，还要观看视频，课上学生调节仪器时，对仪器调节已经有一个基本的了解，操作起来才会有较高效率，也会对实验有较深刻的认识.

1.3 课程考核方式的不同

1.3.1 平时成绩+期末成绩

开课之前，物理实验室会根据实验室现有的仪器设备制定出本学期需要学生完成的物理实验内容，并提前制定学生实验成绩的分布比例.比如，实验满分为100分，在计划学时内，学生根据教师的要求完成8个实验，每个实验分数设定为10分，剩余20分以考试的形式完成.由实验教师制定实验题目，要求学生独立操作完成，并在考试时间内做出相关的数据处理，教师根据学生的操作和数据处理结果，给出考试分数，这种考核方式是大部分院校的课程考核方式.

1.3.2 指定实验+设计性实验

这种考核方式的最终分数由指定的几个实验分数和学生设计性实验两部分组成，比例要按照实际情况来定[4].关于设计性实验的设定，教师可以根据学生平时学习的情况，给出实验题目，让学生通过查资料的方式，用日常生活中可以找到的物品作为实验器材，独立设计出一套完整的实验方案，并完成.实验操作过程可以录成视频交予教师查阅，同时学生可设计并完成一份完整的报告，包括原理、方法、步骤和数据处理、误差分析，或者让学生写一份完整的调研报告，如果能鼓励学生以自创小论文或自创实验工具的形式将自己设计的实验进行发表和展示更佳.这种考核方式对学生的创新思维和创新能力要求较高，在培养学生独立思考能力和动手能力方面能起到很好的作用.

2 在实际教学中进行的实验教学改革

2.1 教学模式的改革

我校的大学物理实验为全院的理工科专业学生开设，分两个学期，分别在大一后半学期和大二前半学期.大学物理实验在前几年一直采用的是教师负责固定实验的教学模式，在2020年新冠疫情的大背景下，为了方便组织和联系学生，也为了促进教学与实验的结合统一，提高学生实验学习的系统性和积极性，针对2019级学生，物理教研室将2019-2020-2学期的大学物理实验课程转为线上开展，同时，一改教师负责固定实验的教学模式，转为教师跟班制的教学模式.在2019-2020-2学期大学物理实验开课之前，物理教研室的教师们作了充分的调研与准备工作，多次开会讨论修订教学大纲、制定教学计划，审定教学设计、制定让学生宅在家就可以操作的物理实验内容.2020-2021-1学期，疫情得到有效控制，教师和学生返回学校，返回课堂.针对大学物理实验，物理教研室的教师们经过开会讨论，决定仍然采用教师跟班制的教学模式.结合大学物理所授内容和实验室实际情况，通过开展教师集体备课活动，发挥团队优势，物理教研室的教师们制定了合理的实验方案、实验室维护及调配方案等系列内容，来解决此次教学改革面临的种种挑战.

2.2 教学方法的改革

15～18级学生的实验课堂采取的教学方式是教师讲授式，以教师讲解实验原理和演示实验为主，教师讲完后，学生按照教师的要求按部就班完成实验并测得原始数据即可离开实验室进行课下数据处理和实验报告的撰写.

针对2019级学生，2019-2020-2学期的大学物理实验课程在线上开展，由于居家实验带来的不便，只能让学生就地取材，设计若干个与大学物理内容相关的实验，比如拉脱法测液体表面张力系数、固体表面的浸润和疏水性质的实验观测等.教学方法采取的是线上教学的方式，与在校完成实验教学不同，居家实验教学过程中，教师会详细讲解每个实验涉及到的原理，并对自己预先做的实验以图片或视频的形式展示给学生，并对学生居家操作实验给出适当建议.在这种大背景下，对学生设计实验和动手操作能力提出较大挑战.尽管如此，本学期大部分学生都能够较好完成实验.

2020-2021-1学期，学生返校以后，经过教研室讨论，一致认为往年采用的教师讲授式不能激发学生的实验积极性，在采取教师跟班制教学模式的同时，鼓励各位教师在讲解实验时，适当在课前选用教学软件或教学平台给学生发布实验预习信息及与实验相关的多媒体素材.在教学过程中，教师们用到的教学软件和平台有钉钉、课堂派、中国大学MOOC等.针对不同实验，制作和搜集了不同的多媒体素材，包括图片、视频等.图1是讲解迈克尔孙干涉实验前，预先拍摄的实验仪器图，图2为迈克尔孙干涉实验仪接收屏上的干涉图样，图3是讲解密立根油滴实验前，预先拍摄的仪器显示屏中看到的油滴图像，图4是讲解杨氏弹性模量测量实验前，预先拍摄“三点一线”图，图5为望远镜中看到的标尺的像.

图1 迈克尔孙干涉实验仪

图2 迈克尔孙干涉图样

图3 密立根油滴实验拍摄图

图4 杨氏模量测量“三点一线”图

图5 望远镜中看到的标尺像

2.3 课程考核方式的改革

15～18级学生的实验课程考核方式相同，最终成绩的计算公式为：实验分数=绪论部分测试(满分100分)×0.2+单次实验成绩(满分10分)×8.这种考核方式要求物理教研室在学期初就选定本学期要做的8个物理实验，并对每个实验分数的配比做出统一规定，虽然在给分时，也是预习、操作、实验报告3个部分的结合，但多数情况下，教师都是根据学生的实验报告给出最终分数.

2019-2020-2学期，19级学生居家实验，实验总成绩的计算公式为：实验分数=绪论部分测试(满分100分)×0.2+单次实验成绩(满分10分)×8，虽然公式与之前的实验成绩计算公式相同，但学生的每一个实验要交两个作业，一部分是实验操作视频，视频中要求学生拍摄完整的实验操作过程并进行相应的解说，另一部分是本次实验的实验报告，实验报告由学生自己设计，但也应该包括实验原理、实验内容、实验原始数据的测量、数据处理及实验总结.单次实验分数更看重学生拍摄的实验操作视频.2020-2021-1学期，19级学生返回学校，有了上学期新式实验课程考核方式的基础，经过教研室开会研讨，决定制定新的课程考核方式，首先从制定实验的方向进行改革，由原来的制定8个固定实验改为指定实验+设计性实验的方式，指定的6个实验为密立根油滴实验、刚体转动惯量的测量、示波器的使用、声速的测量等.设计性实验包括插针法测量水的折射率和单摆测重力加速度.考核方式也更灵活，特别在考核设计性实验时，学生设计的实验方案、实验可行性和实验操作是关键给分点.在这种考核方式下，更能激发学生的自主创新能力，在培养学生动手能力方面也大有益处.

3 实验教学改革成果

表1是华北电力大学科技学院15级学生到19级学生两个学期的实验成绩数据.

表1 15～19级上、下学期物理实验成绩分布表

从表1可以得到以下结论：

不论哪一级的学生，优秀、良好和中等3个分数段所占比例都是第二学期要高于第一学期，这个结果是在意料之中的.学生从第一学期开始接触物理实验，并不熟悉物理实验的整个流程和各个实验教师的要求，因此对物理实验的关注度不够，学习物理实验的相关原理和操作积极性不高，且物理实验成绩不是采取集中考试的形式判定，而是由各个物理实验分数叠加的总和构成，以上原因使得学生在第一学期对大学物理实验的重视程度有所欠缺，直接导致整体成绩不理想.有了第一学期的经验教训，学生在第二学期，对物理实验会有新的认识，对自己也会有较高的要求，不管是在听老师讲解的过程中，在实际操作中，还是在课后完成实验报告时，都比较认真，这也是第二学期整体成绩比第一学期好得多的根本原因.

对于19级学生，在教学模式方面，采用的是教师跟班制的教学模式，在教学方法方面，采用的是多元化的教学方法，在课程考核方式方面，更注重学生的自主创新能力和动手能力.虽然由于疫情的原因，第一学期的物理实验由教师确定实验题目，安排学生在家就地取材进行，但由数据也可看出，优秀和良好的占比率也要比之前任意一届高出许多.第二学期返校以后，每位教师的教学灵活性更高.每次上课前可以随时抽查学生的课前预习情况，很好地解决了以往学生不预习的情况.实验讲解过程中，教师可以根据自己所带学生的理论课学习情况，将每个实验用到的理论原理知识和实验很好地结合起来，讲解实验的过程，也是复习和巩固理论知识的过程.与此同时，结合各种多媒体素材也更能调动学生对实验的学习积极性.学生在独立操作时，教师可以根据每位学生的表现给予及时的指导、纠正和建议，从而使学生的实验完成得更顺利.课下，学生也会根据自己实验老师对每一个实验提出的要求，撰写实验报告，不会因为不同实验由不同的教师负责，对学生的要求不同而导致学生写报告时有手足无措的情况发生.在紧抓实验各个环节的前提下，整体实验成绩确实有了很大的提高.

4 总结

物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，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、方法和手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础.因此，在进行大学物理实验教学时，一定要结合学生的综合素养、各学校的具体情况，选择合适的物理实验教学模式，采用多元化的教学方法、灵活的课程考核方式，让学生从物理实验课程中，能真正有所收获，比如独立实验能力、分析与研究能力、理论联系实际的能力以及创新能力等的培养.同时，大学物理实验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.