改进“实用型”大学物理实验仪器 促进实验教学质量提高

李景奎 崔金刚 田赫

摘    要：物理实验仪器的好坏直接影响学生完成物理实验的效果，更会影响实验课的教学质量。大学物理实验仪器具有使用率高、仪器数量大和仪器损坏速度快等特点。自制和改进“实用型”物理实验仪器是非常必要的，文章阐述了改进“实用型”大学物理实验仪器的具体方法和步骤，提出“学生参与，教师主导”改进模式，有利于提高实验仪器利用率和完好率，能够从本质上提高学生实验水平，提升实验教师的业务水平，促进大学物理实验教学质量提高。

关键词：大学物理实验;仪器改进;“实用型”;教学质量

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2022）04-0075-03

大学物理实验是理工科院校的第一门基础实验课，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端，物理实验的知识、方法和技能是学生进行后续实践训练的基础[1-2]。经过大学物理实验教学的“洗礼”，能够使学生受到系统的、严格的实验技能和动手能力训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，更主要的是培养学生的思维能力和创新精神，以及分析和解决实际问题的能力。物理实验仪器好坏直接影响学生完成物理实验的效果，更会影响实验课的教学质量[3]。高校经过多年的投入，物理实验室现有仪器设备和实验条件已经有了较大改善，建立了完善的力、热、光、电等实验项目，能够满足大学物理实验基本教学需求。但有些仪器厂家生产的物理仪器设备，没有经过长期实践教学检验，难免在使用中存在各种缺陷或不足，严重影响了实验效果。另外，大学物理实验仪器使用率较高、仪器数量较多、仪器损坏速度较快，还存在部分实验仪器效率低下，学生无法完成实验等问题。随着科技的发展，部分物理实验仪器与教学内容相对过时，反映新技术的实验不能及时得到补充[4]。传统的物理实验教学方法较为单一，这些与现代人才培养的要求不相适应，致使物理实验教学质量不能得到明显提高。要解决现有教学仪器不足和实验仪器老化，以及部分仪器设备效率低下，学生无法短时间完成实验等问题，需要教师自制和改进仪器设备，补充实验教学。在教学中注入新的教学理念，通过改进“实用型”大学物理实验仪器，促进物理实验教学质量提高。

一、改进“实用型”实验仪器方法步骤

物理实验技术改进包括改进现有设备的使用功能、开发新的实验方法和开拓新的实验项目。改进实验仪器是在认识该仪器基本理论和原理后，通过操作实验设备对仪器的原有设计和操作进行反思，保持原有实验设备设计方法和设计思想基础之上对仪器进行局部改造。首先，对现有实验仪器进行充分调研，采取网络调查、师生座谈、课堂反馈等方式与学生进行沟通，掌握学生对物理实验教学的意见、态度，以及要求等情况。了解学生的实验动手能力与物理知识掌握情况。需要对物理实验项目发展进行充分调研，了解仪器发展过程，对改进“实用型”大学物理实验仪器打下前期基础。其次，研究分析现有仪器，了解现有仪器的优缺点，存在严重缺陷的进行重点研究，寻找不良仪器的代用品，充分利用现有仪器部件，变废为宝，改进效率低下的实验仪器，同时学习该领域先进理论知识，改进实验教学设备，增强现有仪器的实用性和稳定性。最后，将新改进实验设备应用到物理实验教学中，在实践教学中发现新设备的不足之处，听取授课教师与学生的反馈意见，进一步改进仪器，完善仪器，最终完成新仪器制造，并进行推广应用，具体研究方法及技术路线如图1所示。

二、改进物理实验仪器及实验教学方法的具体实例

（一）“实用型”物理实验仪器改进实例

液体粘滞系数测量实验属于大学物理实验中一个基础实验。该实验需要多次从蓖麻油中提起落针，原有仪器取针装置设计较为死板，影响实验操作，当落针在容器底部或距离落针移动线路较远时，仪器自带取针装置很难提起蓖麻油中落针，导致部分学生很难在有限时间内完成实验。原有仪器取针装置是固定在容器一侧的竖杆上，上下移动从底部提起液体中的落针，当落针在容器底部不处于取针装置这一侧时，该取针装置就很难提起落针，并且该取针装置只能安置一片磁铁，磁性非常有限。自行设计的取针装置如图2所示，改进之处是：做一个长6cm，宽3cm，厚1.5mm的硬铁片，中间部位平突起，呈拱形，将2片直径为2～3cm强磁铁用强力胶粘贴在一起，并用强力胶将其固定在拱形铁片的一端，铁片的另一端（手持部位）稍低、略窄，并打一个小圆孔，用长1m左右的线绳将取针装置固定在粘度系数实验仪上。该新型取针装置可以从容器底部的任意部位、任意方向将液体中落针提到顶部，从而进行粘度系数实验的测量。当取针装置的磁性不强时，还可以增加磁铁片的数量，增强取针装置的磁性。该装置设计简单，方便操作，能够缩短提起落针时间，提高学生实验效率。

（二）实验教学方法改进实例

全息照相是近代光学实验中一个非常重要的实验，其原理是以物理光学为基础，整个实验过程是通过干涉记录，衍射再现来实现的。它需要良好的激光光源（如单横模He—Ne激光器）、优质的感光底片（全息干板）和高度稳定的实验装置。如何利用现有简单实验设备，让没有实践经验的学生，在有限的课堂时间内拍摄出高质量全息图是教师一直探索的问题。实验中，学生调节光路时，常常反复调整、顾此失彼，难以完成实验任务，也会出现拍摄成功率低，以及全息图的衍射效率低等问题。在教学实践中，通常使用米尺测量不同光学元件间的距离，计算物光和参考光光程，再调整物光和参考光光程，每挪动一个光学元件，都需要重新测量距离，实验时间都浪费在测量距离这个环节上，实验效率低下，严重影响学生学习积极性。改进方法则是采用线绳代替米尺灵活调整光程，不需要测距离，只需要利用线绳长度以物光为基准，调整参考光的光程，很快完成此步骤，有事半功倍的效果，具体光路图设计如图3所示，快速调节光路的方法为：（1）各元件的光轴与全息台平行;（2）以物光為基准调整参考光的光程，使参考光与物光光程相等;（3）物光与参考光夹角在30～60度之间;（4）物光与参考光光强比1∶3～1∶5;（5）物与干板距离大约10cm;（6） 拍摄时关闭光源，全息干板有药面一侧迎着入射光;（7）曝光时间15s～1min;（8）冲洗全息干板设定显影2～3分钟，停影20秒，定影5分钟。学生按照上述方法进行实验，很快就能调整好光路，提高实验成功率，学生获得成就感，增加了学习大学物理实验的兴趣。

三、引导学生积极参与实验仪器改进

在传统应试教育背景下，中学物理的教学方法更多的是注重理论学习，不注重物理实验教学，没能通过动手实验激发起学生的学习兴趣，忽视了物理学是一门以实验为基础的学科，导致进入大学后，学生的动手能力较差，创新能力不足。而改进物理实验仪器就是侧重培养学生动手能力，鼓励创新，给学生创造宽松自由的环境，潜移默化引导学生积极参与实验创新和实验探究。学生的创新能力不是与生俱来的，而是在后天的不断学习和实践中逐步养成的。在实验仪器改进过程中，教师要积极引导学生参与，为学生创新活动提供优良平台，也是贯彻落实教育部《关于全面提高高等教育质量的若干意见》的精神，渗透实践育人理念。改进教学仪器，能够提高原有物理仪器利用率，更好地为物理实验教学服务。许多物理实验如高温超导、粘滞系数、椭圆偏振光、全息照相等实验效率低下，需要改进仪器复杂环节，改进实验部件，提高学生实验效率。以物理系本科专业学生为主体，充分利用学生创新项目、光电设计竞赛和本科毕业论文，使学生积极参与 “实用型”大学物理实验仪器改进，以激发学生的学习积极性和主动性为目的，提高学生分析问题、解决问题的能力，实现“学生参与、教师主导”的教学模式。改进物理实验仪器具有较强启发性，不但能传授学生物理知识，还能启发学生思维，促进教与学的统一，从而提高大学物理实验教学质量。改进的仪器設备最终服务于学生，引导学生参与教学仪器的改进，从本质上提高学生的动手能力，从根本上提升大学物理实验水平。

四、建设新型实验教师队伍

大学物理实验课程是理工科院校进行实践教学的“第一课”，也是高校对大学生进行素质教育非常重要的环节，肩负着培养学生创新能力和实践能力的重担。实验教师是大学物理实验教学的主力军，冲在物理实验教学的“最前线”。实验教师本身的素质和业务能力高低也会直接影响实验教学的质量。随着时代的发展，对实验教师业务能力提出了更高的要求，改进物理实验仪器已经成为现代实验教师必备的基本能力。如果一名实验教师不能在教学中改进实验仪器，就不能通过创造性的思维对学生产生积极影响。实验教师应当及时更新理论知识，提升实验业务水平。在教学过程中，实验教师发现实验设备存在问题，就应该及时对实验仪器进行升级改造，以满足物理实验教学需求。改进大学物理实验仪器需要实验教师进行主导，经过“实用型”大学物理实验仪器改进的历练，新时代的实验教师应具备理论与实践相结合的能力，具备讲课、仪器维修、调试和计算机软件的应用等各项能力，并能够解决实验教学中仪器损坏等突发事件的能力。高校“实用型”大学物理实验仪器改进应形成常态化，促进实验教师不断成长和进步。改进效率低下的实验仪器是一项具有综合性质的工作，实验教师只有积极地进行仪器改进，才能满足大学物理实验教学需求，取得满意的实验教学效果。在开发和改进仪器过程中，高校应全面提升实验教师的业务水平，促进实验教学质量的提高，培养具有仪器设计能力和维护能力的新型实验教师队伍。

五、结论与展望

随着科技的进步，电子技术的发展越来越快，物理实验教学仪器也向着集中化、智能化和自动化等方向发展，很多教学仪器不能完全满足大学物理实验教学的目的。改进物理实验仪器能够解决现有仪器不足和仪器老化，以及部分实验仪器效率低下，学生无法完成实验等问题，有利于提高实验仪器利用率和完好率，提高学生实验效率。如果改进实验仪器后的教学实践效果良好，还可以在大学物理实验课程中推广实施。在仪器开发改进过程中可以启发学生思维，促进学生智能发展，实现教与学的统一，从本质上提高学生实验水平，提升实验教师的业务水平，促进大学物理实验教学质量的提高。改进“实用型”实验仪器在激发学生创新意识和提高学生综合应用能力等方面会发挥更大作用。仪器改进过程能够积极引导学生主动学习科学知识，掌握基本技能，提高科学素养，能够培养学生认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神。应该使“实用型”大学物理实验仪器改进形成常态化，促进实验教师不断成长和进步，提高大学物理实验的教学质量，使物理实验教学从单一型向多元化发展。

参考文献：

[1]  徐丽琴，马颖，刘筱燕，等.大学物理综合性实验教学效果的调查与思考[J].实验科学与技术，2011，9（6）：103.

[2]  吴登平.理工科学生对大学物理实验需求的调查研 究——以某高校为样本[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2015，69（7）：69.

[3]  牛连平，王庆泉.大学物理实验教学仪器的改进[J]. 大学物理实验，2015，28（1）：51.

[4]  王雪燕，侯娟.浅谈传感器在大学物理实验仪器使用         中存在的问题[J].大学物理实验，2017，30（1）：57.

■ 编辑∕丁俊玲