學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的實踐探索

學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗與學(xué)生綜合能力培養(yǎng)

的實踐探索1南京大學(xué)物理學(xué)院高文莉2016年7月青海西寧綜合能力是一個比較寬泛的概念，包括研究(創(chuàng)新）能力，表達能力，溝通能力和領(lǐng)導(dǎo)力等,從學(xué)生培養(yǎng)的的角度看，研究能力是極其重要的一個方面，其主要包含兩部分：

一、提出問題的能力

二、解決問題的能力現(xiàn)在的大學(xué)教育偏重于后者，即學(xué)生的知識儲備、分析問題、解決問題的能力。物理實驗也是這樣，從形式看，物理實驗可以分為如下三類：2實驗教學(xué)的一些思考—現(xiàn)狀與目標一，基礎(chǔ)和綜合實驗，一般給學(xué)生實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗儀器，讓學(xué)生按要求完成，這主要培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗方法、儀器的使用和動手能力等。二，設(shè)計性實驗，給學(xué)生實驗要求，一定范圍給定實驗儀器，由學(xué)生自己思考如何完成實驗任務(wù)，這可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力。三，研究性實驗，老師給學(xué)生一個想法或一個方向，由學(xué)生自己準備器材、摸索實驗方法，讓學(xué)生學(xué)習和體會用實驗方法研究物理現(xiàn)象和規(guī)律，進而建立新的物理概念，同時形成良好的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)研究的協(xié)作精神。3實驗教學(xué)的一些思考—現(xiàn)狀與目標從這些實驗看，有一點是相同的，就是實驗題目或問題來源于教材、實驗室和老師，學(xué)生自主完成空間上有所不同，基本上屬于分析問題和解決問題能力培養(yǎng)的范疇。讓學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)問題、提出問題這在當今高校人才培養(yǎng)已經(jīng)開始重視，是學(xué)生研究（創(chuàng)新）能力的一個重要方面。著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎得主李政道在2010年首屆“創(chuàng)新中國論壇”上指出“要創(chuàng)新，需學(xué)問；只學(xué)答，非學(xué)問。要創(chuàng)新，需學(xué)問；問愈透，創(chuàng)更新?！?卡文迪許實驗室（英國劍橋大學(xué)物理系）——集科研教學(xué)于一身，大學(xué)實驗室的典范，是諾貝爾獎得主的搖籃(28位諾貝爾獎得主)麥克斯韋(1831-1879)JamesClerkMaxwell

第一任實驗室主任麥克斯韋就學(xué)生實驗有自己獨特的主張：“實驗的教育價值，往往與儀器的復(fù)雜性成反比，學(xué)生用自制儀器，雖然經(jīng)常出毛病，但他們卻會比用仔細調(diào)整好的儀器，學(xué)到更多的東西?！彪m然質(zhì)樸，但這種理念形成了卡文迪許實驗室實驗教學(xué)的精髓?？ㄎ牡显S實驗室的啟示基礎(chǔ)與創(chuàng)新不矛盾。傳統(tǒng)教學(xué)不等于按部就班，卡文迪許教學(xué)實驗室就是創(chuàng)新培養(yǎng)的經(jīng)典。創(chuàng)新不是發(fā)現(xiàn)前所未有的新事物，而是學(xué)習發(fā)現(xiàn)新事物的能力。創(chuàng)新不神秘，有系統(tǒng)性的方法，是可以訓(xùn)練的。做研究是一種態(tài)度和方法，是理論聯(lián)系實際，綜合運用知識的能力，不是只有前沿尖端才有“課題”。從小學(xué)生到博士生都可以做研究。研究（創(chuàng)新）型人才：要能發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，綜合、靈活地運用知識，以科研的方式進行實驗，甚至在知識體系不完備的情況下進行摸索，做出理解與判斷。實驗教學(xué)的一些思考—創(chuàng)新理念實驗教學(xué)的一些思考—關(guān)于方法學(xué)習過程是演繹還是歸納？推理還是實證？知行還是行知？發(fā)現(xiàn)的過程和學(xué)習的過程有時候是相反的。學(xué)習過程也要部分的顛覆邏輯順序。做法：將課程從理論先于實驗的演繹式的邏輯體系解放出來，發(fā)展學(xué)生歸納式的學(xué)習能力與經(jīng)驗，要求學(xué)生在知識體系不完備的情況下，通過自學(xué)或摸索理解物理現(xiàn)象，培養(yǎng)跳躍式的學(xué)習能力。模擬科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程。

課程設(shè)置與四個培養(yǎng)階段實驗基本能力的培養(yǎng)

大學(xué)物理實驗（一）、（二）創(chuàng)新研究意識的培養(yǎng)

大學(xué)物理實驗（三）學(xué)生主導(dǎo)型研究性物理實驗綜合實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)近代物理實驗（一）、(二)科學(xué)研究能力的培養(yǎng)

近代物理實驗研究性實驗，物理實驗—南京大學(xué)教學(xué)模式探索“嚴”指構(gòu)筑基礎(chǔ)階段，在低年級學(xué)生做實驗時培養(yǎng)學(xué)風端正、思維嚴謹、操作規(guī)范、技能扎實的基本素養(yǎng)，接受科學(xué)思想和研究方法的嚴格訓(xùn)練。即便在此階段也提倡“兩少”“兩多”：

少講解，少示范，多摸索，多指導(dǎo)（針對具體同學(xué)，因人而異）“放”是指對高一級學(xué)生給予較多的自由空間，進行主動探索，引導(dǎo)學(xué)生以科研的方式進行實驗。“在錯誤中學(xué)習，在行動中成長”“帶”主要是請一批高水平的學(xué)術(shù)骨干教師指導(dǎo)實驗課題研究，通過言傳身教把學(xué)生逐步帶入科學(xué)研究殿堂。實驗教學(xué)三部曲：“嚴”“放”“帶”具體說來，把大學(xué)二年級下學(xué)期開設(shè)的物理實驗在教學(xué)模式上進行了改變，將課程分為兩個階段，讓學(xué)生實驗?zāi)M科學(xué)研究的過程，要求自主完成一個自己提出的實驗研究課題。第一階段，六周時間，學(xué)生自主選擇并完成感興趣的實驗項目，激發(fā)興趣，喚醒好奇心，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)問題的能力

具體而言，課程開始時由教師對本課程近30個物理實驗給學(xué)生逐一簡要介紹，讓學(xué)生從中選擇并完成2-3個自己感興趣的基本實驗。在此階段，給予學(xué)生較多的自由空間，讓學(xué)生根據(jù)實驗要求，進行主動探索，引導(dǎo)學(xué)生以科研的方式進行實驗。10學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗—模式探索

開設(shè)這幾個基本實驗的目的不僅僅是要求學(xué)生獨立完成實驗，更重要的是學(xué)生要在實驗過程中注意觀察，尋找并發(fā)現(xiàn)一些自己覺得有進一步研究價值的現(xiàn)象。同時，指導(dǎo)教師除了一些必要的注意事項外，盡量少講解，少示范，多和學(xué)生進行啟發(fā)性的討論，引導(dǎo)學(xué)生去觀察、分析、思考，激發(fā)學(xué)生的主動探索意識，喚醒他們的好奇心，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題的能力。11學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗—模式探索

第二階段，在第一階段基礎(chǔ)上，學(xué)生自己提出并完成課題，在期末參加公開答辯。

完成基本實驗后，要求學(xué)生在此基礎(chǔ)上或自己的學(xué)習生活中發(fā)現(xiàn)問題，提出自己的實驗研究課題，并設(shè)計合理的實驗方案，自主完成該課題。除此以外，課題也可以是學(xué)生理論課程中或平時看文獻資料時想到的問題，可以是演示物理實驗中的現(xiàn)象研究，可以是與物理相關(guān)的來自生活中的有興趣的問題的研究。對課題，首先明確學(xué)生的創(chuàng)新課題及實驗完成與實際意義上的創(chuàng)新要求是不同的，具體說來只要是自己現(xiàn)有的認知水平突破即可。一個好的課題可以是有新的思想、方法、可以是物理知識的合理靈活運用、可以是有較多的設(shè)備和自制器材使用，也可以是若干實驗失敗的總結(jié)和結(jié)論12學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗—模式探索

該課程有一支由教授領(lǐng)銜的具有學(xué)術(shù)背景的主講教師隊伍。教授們利用自己的科研經(jīng)驗給出建議、看法，引導(dǎo)學(xué)生體會科學(xué)研究的過程?？己瞬捎谜n程論文答辯形式。完成課題過程中，讓學(xué)生處于主導(dǎo)地位，包括實驗課題的提出，文獻、資料的查閱，實驗方案的設(shè)計，實驗設(shè)備條件的準備，實驗論文的寫作以及論文的交流和答辯。這樣，通過模擬科學(xué)發(fā)現(xiàn)的真實過程，引發(fā)學(xué)生的科研興趣，培養(yǎng)好奇心和觀察力以及發(fā)現(xiàn)問題的能力，發(fā)展學(xué)生歸納式的學(xué)習能力與經(jīng)驗。13學(xué)生主導(dǎo)型物理實驗—模式探索從實踐情況看，這樣的教學(xué)模式對學(xué)生是一個挑戰(zhàn)，由于知識和實驗條件、器材等局限，選擇一個可行并能完成的課題學(xué)生需要花費較多的時間，有時幾乎在一個學(xué)期中反復(fù)摸索才能確定一個課題，然后需要用雙休日加班加點連續(xù)實驗，完成課題和課題論文，通常結(jié)果可能還是初步的，好的課題可以在暑期和下個學(xué)期進行提煉和完善，這樣一個過程，學(xué)生們普遍感覺是“痛并快樂著”，而老師和實驗室主要提供指導(dǎo)和開放。我們看到，若干年后，學(xué)生對物理實驗記得最清楚的正是這樣一個實驗。14

學(xué)生課題—案例我們選擇從邁克爾遜干涉儀實驗為例。這是一個光學(xué)測量實驗，在教材上，主要有三個內(nèi)容：1.測量激光的波長2.測量鈉光燈雙黃光的波長差3.測量玻璃的折射率。學(xué)生從該實驗可以拓展出那些課題。15

課題1：補償板與干涉條紋邁克爾遜干涉儀中補償板的作用是補償兩相干光束因通過分光板次數(shù)不同而引起的附加光程差（特別是對復(fù)合光）.做該實驗時有意地去掉補償板,討論在單色光照射時產(chǎn)生干涉條紋會發(fā)生什么變化？得到的如圖結(jié)果，通過分析和計算機模擬,得到了與實驗完全相符的結(jié)果.16

課題2測量厚透明材料折射率物理實驗課程中，邁克耳遜干涉儀測量玻璃折射率主要是利用出現(xiàn)白光干涉條紋的零光程條件由放入玻璃片前后出現(xiàn)白光干涉條紋的位置，得到相關(guān)的光程．測量厚透明固體折射率，用白光調(diào)節(jié)出干涉條紋難度很大，由于折射率與波長有關(guān)，要求待測樣品要盡量?。疄榻鉀Q這局限，提出采用半視場法。半視場法用激光為光源，在光路中一半視場放入平行待測材料后，調(diào)節(jié)反射鏡，視場兩邊對應(yīng)的干涉條紋出現(xiàn)條紋陷入和漲出，當合成為圓時如圖可以得到相關(guān)的光程差。17課題3重建蠟燭火焰溫度場空氣溫度不同，折射率將發(fā)生變化，從折射率的變化經(jīng)過定標可以得到溫度分布，選擇蠟燭火焰作為實驗對象,研究周圍溫度變化，應(yīng)用阿貝爾變換法和環(huán)帶法,對軸對稱溫度場進行定量計算.計算時通過噪聲處理,低通濾波,獲得二值化后的圖像，從而得到的溫度分布如圖。18課題4：空氣折射率與壓強的關(guān)系研究

邁克爾遜干涉儀由于樣品空間的限制，不方便在光路中加入其它儀器。學(xué)生自行組建的M-Z干涉儀測量空氣在不同壓強下的折射率，主要用于測量氣體等大面積區(qū)域中折射率的微小變化.而且光路在研究容器中只經(jīng)過1次,這使得該區(qū)域的光程變化顯得很直觀。得到下圖的壓強與折射率關(guān)系。然后從經(jīng)典的電介質(zhì)理論對空氣折射率產(chǎn)生原因進行了分析。

壓強與折射率的對應(yīng)關(guān)系19課題5：測量鋁薄膜的軸向應(yīng)力

這也是一個從邁克耳遜干涉儀實驗拓展出的課題，應(yīng)力是薄膜制備和生產(chǎn)過程中存在的普遍現(xiàn)象,薄膜應(yīng)力產(chǎn)生的原因有2個方面:一是由于薄膜和基底的熱膨脹系數(shù)不同而引起的,稱為熱應(yīng)力;一是由于薄膜生長過程中的非平衡性或薄膜特有的微觀結(jié)構(gòu)引起的,稱為本征應(yīng)力，實驗采用邁克爾遜干涉儀變形結(jié)構(gòu)（如圖）測量其力應(yīng)變和熱應(yīng)變，對測量的結(jié)果進行了擬合。20課題6：溶液中溶質(zhì)擴散的研究這是一個現(xiàn)在沒有成功的課題。

課題想法：溶液的折射率與溶液的成分和濃度有關(guān)，邁克耳遜干涉儀能測量折射率的變化，可以用來進行溶質(zhì)擴散的研究。學(xué)生在該課題研究過程中，解決了圖像變化的獲取，而樣品盒中三維擴散信息的提取困難，自己制備的二維擴散樣品盒（相當于薄膜），材料平整度、平行度等效果差，使得未能取得預(yù)期的結(jié)果，這樣的課題我們也給予鼓勵。21十多年來，在這樣一種實驗教學(xué)模式的探索中，我們看到，雖然有些課題最終看起來似乎簡單，實際上是同學(xué)多次反復(fù)、多次提煉和修改獲得的，是付出了大量精力后的結(jié)果。從統(tǒng)計看每屆近300名學(xué)生中，有10%左右的學(xué)生課題有新意，花費時間是遠遠多于課程給定時間，40%同學(xué)比較好地完成了整個過程，20-30%基本上是應(yīng)付。實驗室老師工作量也有比較多的付出。22復(fù)雜的自然現(xiàn)象及事物是可以被“理解”的。在課本上