研究性物理实验教学改革与实践

研究性物理实验教学改革与实践

杨绍华　杨海彬

（海军工程大学理学院应用物理系，湖北武汉430033）

摘　要：本文在介绍了研究性物理实验基本概念，并提出了开展研究性物理实验的教学的思路及实例。

关键词：研究性物理实验　教学　研究性内容

1　引　言

近年来，各高校越来越重视学生创新精神和创新能力的培养。由于实验课程具有研究性、操作性强等特点，是创新性思维的重要载体，也是培养学员创新意识和创新能力的重要途径，因此，大学物理实验作为我校学员进校后的第一门独立设课的实验课程，不仅应让学员受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技能，培养严谨的科学思维，更重要的是要培养学员的创新精神和创新能力。如何在低年级学员的大学物理实验教学中，培养学员的创新精神和创新能力呢？国内外高校切实有效的实践经验就是开展研究性物理实验教学。

研究性物理实验教学是一种有别于传统物理实验教学的新型实验教学模式，其目的是使学员了解科学实验的全过程，逐步掌握科学研究实验的思维和方法，培养发现问题、分析问题、研究问题、解决问题的能力。与传统物理实验教学模式相比，研究性物理实验更有利于学员综合实验能力和创造性思维的培养。

2　研究性物理实验的基本概念

要开展研究性物理实验教学，首先必须清楚研究性物理实验的含义。所谓研究性物理实验，是指学员根据教员提出的实验教学要求和实验室能提供的仪器设备，自主设计实验方案、确定实验方法、选择实验器材、确定实验条件，自主完成实验测量，或研究实验过程中的物理现象和问题，并对实验结果进行分析和处理的一种实验类型。研究性实验是具有探索事物性质的实验，将设计性、应用性和综合开发性融为一体，又称为探究性实验，是一种适合于高校实验教学的实验类型。

研究性实验不同于科学研究实验，科学研究实验是具有原创性、综合性高的科学研究。科学研究实验过程主要有以下四个步骤组成：①提出实验目的；②设计实验方案；③实施实验方案，并不断改进实验方案；④对实验结果进行分析总结，给出结论。实验目的的提出是非常重要的，它体现了整个研究项目的创新思想，但其他过程同样需要研究人员具有一定的研究能力和创新能力。

研究性实验与科学研究实验的主要区别在于实验目的已经提出，但后三个步骤和科学研究实验没有什么区别。因此，开展研究性物理实验的教学应该抓住后三个步骤来培养学员的科研能力和创新能力。

3　研究性物理实验教学的实践

为了进行研究性物理实验的教学，我们不断地进行实践。为了培养学员的自主研学能力，我们模仿科研模式，开展了面向全校学员的“物理创新实践活动”，学员自由组队通过立项评审后，以科研立项的方式进行研究。我们还进行了课程体系的改革，建立了“层次化、模块化”的《大学物理实验》课程体系，其中科学研究模块就是面向优秀学员开设的研究性、平台型实验。但这些教学形式和活动的开展决定了它的教学受益面小，只能面对少数优秀学员，无法使大多数学员获益。

作为一门基础实践性课程，大学物理实验教学应关注大多数学员在实验过程中创新能力的培养。为此，我们重点进行了以下两方面的工作。

1.教学中注重引导学员对实验设计方案的理解

从研究性实验的论述中可知，学员逐步学会设计实验方案是开展研究性物理实验教学的重要环节。为此，在实验教学中，我们注重引导学员对实验设计方案的理解，用理论指导实验，培养学员的实验能力和实验设计能力，提高实验效率，力求使学员不盲从、不应付、不走过场，力争使学员作一个实验就吃透一个实验，使学员知其然还要知其所以然。

2.在基本实验中分层次引入研究性实验内容

要培养学员的创新精神和创新能力，必须提供适合他们能力水平、有效的锻炼机会，在研究中逐步培养。基本实验模块是我校理工科学员的必修内容，面大量广。教学中在保证对学员基本实验技能和科学实验素养的培养外，为适应因材施教和个性化教学的需要，教师将实验内容按必做内容、选做内容、研究内容分层次进行编排。必做内容要求每位学员必做，从而保证了对学员基本实验技能和科学实验素养的培养；选做内容主要是在内容上进行扩展，为那些实验能力较强、完成实验速度较快的学员设置；研究内容则是从实验原理和方法上对该实验的扩展和综合，只给学员提出实验的要求，根据学员能力的不同，或以实验报告的形式课后完成实验方案的设计，或由学员在课内或课外（实验室提供课外开放时间）自主完成，并撰写研究性的实验报告。教学中，教员在指导学员完成必作实验内容的基础上，鼓励学员完成选作实验内容，并激发学员完成研究内容的兴趣。内容的编排上，教员要注意选做内容和研究内容的物理基础知识、实验基本原理使学员稍加努力完全可以掌握，但又要体现出教学内容的研究性，为低年级学员提供开放的、研究性学习环境，锻炼学员的科学实验能力，培养其创新意识和创新能力。

4　研究性物理实验教学实例

1.引导学员对实验设计方案的理解

我们开设了“补偿法测电动势”实验，教学中注重引导学员理解补偿法的原理、可调电源的设计、定标的方法，从而理解实验设备的选择、实验条件的确定、仪器参数的合理设置、设计方案的优化方法。补偿原理容易理解，但难点在于可调电源的设计与实现，它要适应具有不同电动势的待测电源，要容易实现、操作方便、定标简单、精度高。教员通过引导让学员明白实验方案的设计思路及其巧妙之处。同时，对实验中重要的调节技巧——逐次逼近法调节电路平衡，教员要引导学员从原理上理解调节方法和步骤，先用理论估算平衡点，在此基础上既实现快速调节电路平衡，又能有效地保护标准电池和检流计，从而引导学员用理论指导实验。教员在教学中还注意对比标准电池和检流计这两个易损器件保护措施的不同，使学员理解针对不同的设备要有不同的保护措施，理解实验方案，从而在实验中能合理地设置仪器参数（如工作电压和保护电阻的设置），提高实验效率，同时还应让学员思考，为了确保对标准电池的有效保护，可以采取哪些措施，从而通过引导让学员理解实验步骤的先后次序及实验注意事项，优化实验步骤。

实验时，教员还要注重培养学员的实验基本素养，如电路的连接方法、实验设备初始参数的设置方法、设备的保护措施等的训练。对实验中遇到的一些疑问及电路故障，教员应引导学员自主进行理论分析，提出解决方法，加以排除，以此提升学员的基本实验能力。

教员可通过引导，使学员明白，一个似乎很简单、很容易的实验，都要考虑很多问题，涉及很多知识，完成一次高质量的实验，是不容易的。通过教员的引导，学员完成实验的质量有较大提高，学员普遍感到收获较大，教学质量也随之提高。

2.在基础实验中分层次引入研究性实验内容

我们开设了光栅衍射法测光波长实验，实验要求学员了解平面衍射光栅及光栅光谱的基本知识，掌握用衍射光栅观察汞灯光谱并测定汞灯光谱线波长的方法。除了分光计的使用有一定的难度外，实验内容和测量相对简单。本实验有一关键步骤：要保证入射光垂直入射光栅平面，如果不垂直又如何测量呢？为此我们给学员增加了一个用另一种方法测量光波长的选做内容：最小偏向角法测量汞灯光谱线的波长。具体要求是：测量汞灯各主要谱线的最小偏向角，由此测量各主要谱线的波长，并与入射光垂直入射光栅时的测量结果进行比较。教学中，我们还鼓励学员研究不同入射角条件下如何测量汞灯光谱线的波长。

入射光斜入射光栅时，因入射角i≠0，光栅方程也随之改变，相关知识在大学物理课程中已学习过。因此只需简单介绍最小偏向角的概念及最小偏向角与波长之间的关系，就可以完成选做内容。实验步骤是在基本实验内容的实验步骤基础上进行的，可要求学员自行设计完成，实验报告要求写明实验步骤的设计理由。此选做内容既扩展了实验方法，开阔了学员的思路，也锻炼了学员的基本设计能力。

为了培养实验能力强的学员的实验研究能力，我们还增加了一个研究内容——设计一种不用分光计，选择合适的光源，用米尺和光栅测量汞灯光谱线的波长。具体要求是：完成实验原理的设计，实验设备的选择，实验条件的选择，并自主完成实验，分析测量结果，与基本内容和选做内容的测量结果进行比较，得出结论。

为了帮助学员完成实验原理的设计，教员可以引导学员研究光栅的夫琅禾费衍射的原理，从中得到启示。根据实验原理选择合适的实验设备达到测量要求，由实验原理和实验设备确定实验条件。由于学员在中学已养成了机械地照搬教材上的步骤进行实验的习惯，因而，实验中大部分学员对实验步骤设计考虑不周全。实验步骤的优化是根据具体的实验原理、实验设备和实验条件进行优化的。对此教员要作出提示性指导，但不作统一规定。同时，教员要提醒学员记下每个数据，以便分析时用。最后，学员要对数据进行分析，得出结论。在实验中出现的问题教员要鼓励学员继续深入研究，给出自己的分析和结论。

在光栅衍射法测光波长实验中加入选做内容和研究性内容后，实验内容相对饱满，方法和原理都得到了扩展。经教员的合理引导，绝大多数学员通过自身的努力都能顺利完成选做内容，部分学员还能在课堂上与教员讨论研究内容的设计思路，联系教员进行课后指导和实验。通过这样的锻炼，不仅增强了学员的实验设计能力和实验研究能力，而且提高了学员的实验兴趣，活跃了课堂的氛围，学员能主动积极向教员提问并讨论。学员也逐步明白了在实验中怎样观察现象、分析数据、思考问题，如何分析讨论实验结果。学员撰写实验报告的能力也提高了，多数学员都能努力按要求写出较好的分析讨论。这些比较客观地反映了学员的学习情况和分析总结能力。

5　结束语

研究性物理实验是一种适合高校实验教学、学员受益面大、教学效果良好的实验类型，教学中需要教员钻研每个实验项目的选做内容、研究性内容的选题，精心组织每一个教学环节，才能更好地培养学员的综合实验能力和创新能力。

参考文献

邱荒逸，邱秧琼.以必做物理实验为例进行研究型教学的尝试［J］.物理与工程，2007，17（6）：31～33.

杨海明，王志跃.开展研究性实验教学的意义与方法及保障措施［J］.职业教育研究，2010，3：116～117.

曾伦武，赵锐.用研究型教学理念指导工科物理实验教学［J］.实验室研究与探索，2007，26（2）：81～83.

方晓懿.研究性设计性物理实验的教学方案和实践［J］.物理与工程，2006，16（4）：45～46.

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.

王福合，刘维，张岩.在物理实验中变验证性实验为研究性实验［J］.大学物理实验，2009，22（3）：101～103.

陈聪.大学物理实验［M］.北京：国防工业出版社，2007.