大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探究
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摘要:本文分析了傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在的問題，針對性地提出了一種設(shè)計(jì)性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過該教學(xué)模式的實(shí)施，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，同時(shí)促進(jìn)了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的提高，將逐步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和創(chuàng)新。
關(guān)鍵詞:大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);教學(xué)模式
1緒論
傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程分為三個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1。首先，教師給學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容。其次，教師集合學(xué)生，按照實(shí)驗(yàn)步驟給學(xué)生詳細(xì)演示實(shí)驗(yàn)操作過程。最后，學(xué)生觀察完實(shí)驗(yàn)操作步驟后，按照教師的演示步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由此可見，傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以教師為主體，學(xué)生為客體，實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式過于“理論化”，實(shí)驗(yàn)操作過程過于程序化，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以調(diào)動學(xué)生的積極性，抑制了學(xué)生的創(chuàng)新思維。另外，傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及經(jīng)典物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏多，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不足。這種知識體系下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，難以促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)的興趣，也在一定程度上不能最大限度地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，需要對傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭M(jìn)行大膽創(chuàng)新，進(jìn)一步提高課堂教學(xué)質(zhì)量。
2設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式
本文提出一種大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［1］如圖2。首先，教師提出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)［2］名稱，班級學(xué)生進(jìn)行分組，每組學(xué)生針對實(shí)驗(yàn)名稱，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器，自己通過閱讀論文，查閱資料，網(wǎng)上搜集數(shù)據(jù)等形式確定設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并撰寫實(shí)驗(yàn)方案報(bào)告。當(dāng)所有分組的學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)方案后，教師組織學(xué)生進(jìn)行分組討論。如果相關(guān)分組的同學(xué)實(shí)驗(yàn)方案［3］可行，則進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器，參考預(yù)先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，完成實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。如果相關(guān)分組的同學(xué)實(shí)驗(yàn)方案不可行，則該組同學(xué)需要重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，待分組討論合理后，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室按照實(shí)驗(yàn)方案操作實(shí)驗(yàn)［4］。等待所有組別同學(xué)完成實(shí)驗(yàn)且處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，每個(gè)組做好整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的PPT，進(jìn)行分組答辯。答辯過程中，任意同學(xué)可以進(jìn)行答辯環(huán)節(jié)提問。待整個(gè)答辯流程結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)報(bào)告和答辯環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)給出最后的總評成績。
3設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)例
例如測量定值電阻阻值的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生先22進(jìn)行分組，分組后每個(gè)小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過收集學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，匯總后有多種實(shí)驗(yàn)方案。第一個(gè)小組學(xué)生提出用伏安法測定值電阻的阻值，學(xué)生設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，先利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器連接好電路，設(shè)計(jì)好記錄數(shù)據(jù)的表格，接著按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)記錄電壓表的示數(shù)和電流表的示數(shù)，多次測量多組數(shù)據(jù)。當(dāng)學(xué)生測量完數(shù)據(jù)后，緊接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這時(shí)授課教師給該組學(xué)生分配一項(xiàng)任務(wù)，討論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，該組學(xué)生進(jìn)行激烈討論，提出的數(shù)據(jù)處理方法有列表法和作圖法［5］，經(jīng)過授課教師的指導(dǎo)，該組學(xué)生選擇了作圖法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但作圖法結(jié)合了計(jì)算機(jī)軟件，使得處理數(shù)據(jù)更加快速、高效。當(dāng)該組學(xué)生完成電路設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理步驟后，授課教師給學(xué)生提出幾個(gè)問題，一是如果實(shí)驗(yàn)室只提供電流表而不提供電壓表，如何測量未知電阻的阻值［6］。授課教師要求該組學(xué)生進(jìn)一步討論，最好能夠設(shè)計(jì)出電路圖。二是如果實(shí)驗(yàn)室只提供電壓表而不提供電流表，如何測量未知電阻的阻值，授課教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步討論。第二個(gè)小組學(xué)生提出用直流電橋法測定值電阻的阻值。在用該方法測定值電阻時(shí)，第二小組的同學(xué)又提出兩種方法。第一種按照設(shè)計(jì)的電路圖連接好電路，電路中滑動變阻器用分壓式連接，滑動觸頭兩邊對應(yīng)的電阻記為R1和R2，電阻箱記為Rs，未知電阻記為Rx，檢查電路無誤后，設(shè)置不同的R1R2的數(shù)值，利用直接法的公式Rx=R1R2Rs計(jì)算未知電阻的阻值，最后將多個(gè)Rx的值求平均值，計(jì)算出待測電阻的阻值，緊接著交換未知電阻Rx和電阻箱Rs的值。第二種方法利用箱式電橋，連接好外圍電源，外接電流表，在箱式電橋中設(shè)置R1R2的數(shù)值，利用直接法公式Rx=R1R2Rs計(jì)算待測電阻的阻值，共測三次。第二小組同學(xué)在用自己搭建好的電路測試未知電阻時(shí)，閉合開關(guān)后出現(xiàn)若干故障。比如電流表的指針未偏轉(zhuǎn)，比如電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，比如電源出現(xiàn)報(bào)警，這時(shí)授課教師不要急于為學(xué)生解決存在的問題，可以提示學(xué)生可能存在的原因，該讓學(xué)生自己根據(jù)電路圖及實(shí)物電路查找問題，這樣鍛煉了學(xué)生的動手實(shí)踐能力，又提升了學(xué)生對電路的分析［7］能力。當(dāng)學(xué)生完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)及電路連接和測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，授課教師引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)電路中經(jīng)常存在的故障及解決方法進(jìn)行總結(jié)，并反思自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)［8］過程中的教學(xué)方法。一是要注意電路中是否存在短路現(xiàn)象，當(dāng)存在此現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)該立刻關(guān)閉電源，重新回歸到實(shí)驗(yàn)的電路圖，認(rèn)真分析電路的串、并聯(lián)方式及分析清楚電路中的結(jié)點(diǎn)，主要是要分析清楚電流的流向。二是要注意電路中是否存在斷路現(xiàn)象，當(dāng)存在此現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生也應(yīng)立即切斷電源，認(rèn)真分析電路圖，檢查電路連接，必要時(shí)利用歐姆表等儀器判斷電路中具體位置是否存在斷路現(xiàn)象。這個(gè)過程中，有小組學(xué)生提出利用歐姆表判斷電路中具體的斷路位置存在一定的困難，這時(shí)授課教師應(yīng)該從最基本的理論講起，給學(xué)生講解該方法的原理，接著為學(xué)生親自演示操作的方法，最后為學(xué)生設(shè)置一定的實(shí)際問題，讓學(xué)生利用學(xué)到的原理及方法解決對應(yīng)的實(shí)際問題。三是要注意連接電流表時(shí)電流表串聯(lián)在電路中，而電壓表要并聯(lián)在電路中。四是要注意連接滑動變阻器時(shí)分清楚滑動變阻器的連接方式是分壓式還是限流式，要熟悉滑動變阻器的分壓式連接電路和限流式連接電路，大部分的學(xué)生對滑動變阻器的限流式連接比較清楚，但是對分壓式連接不一定清楚明白，所以授課教師要將分析滑動變阻器的分壓式連接作為重點(diǎn)內(nèi)容，詳細(xì)地為學(xué)生分析電流的流向，讓學(xué)生能夠熟練掌握滑動變阻器分壓式的連接。四是要注意連接電路時(shí)要斷開開關(guān)。在實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)過程［9］中，授課教師發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生連接電路時(shí)電源依然打開，這樣在連接電路過程中存在一定的安全隱患。五是要在電路連接完成后，測量前要先估測一下所需要的電壓表或電流表的量程，所選擇的電壓表或者電流表的量程不能過大或者過小。第三個(gè)小組學(xué)生提出用歐姆表法測待測電阻的阻值。在進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)之前，授課教師應(yīng)該讓學(xué)生熟悉歐姆表測的內(nèi)部簡單的電路圖。學(xué)生最好能夠親自繪制歐姆表內(nèi)部的電路圖。授課教師提醒學(xué)生在測量過程中，應(yīng)該用好試觸法。當(dāng)學(xué)生用該方法測量完待測電阻的阻值后，授課教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)使用歐姆表需要注意的一些問題，一是測量電阻的時(shí)候，每一次換擋都應(yīng)該進(jìn)行歐姆調(diào)零。二是測量時(shí)應(yīng)該使指針盡可能在滿刻度的中央附近。三是測量的時(shí)候被測電阻和電源以及被測電阻和其他的元件要斷開。四是測量時(shí)不能用雙手同時(shí)接觸表筆。第四個(gè)小組同學(xué)提出數(shù)字式歐姆表法。隨著科技技術(shù)的不斷創(chuàng)新，集成電路技術(shù)以及數(shù)字技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，實(shí)際的工程應(yīng)用中已制成各種各樣的新型的電阻測量儀器。數(shù)字式歐姆表是將電阻變換成電壓，接著用模數(shù)轉(zhuǎn)換式電壓表測定電壓的數(shù)值，最后從電壓來確定待測電阻的數(shù)值。該組同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案是合理的，但授課教師提醒學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)應(yīng)考慮實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件及已有的儀器。第五個(gè)小組學(xué)生設(shè)計(jì)了利用等效替代法測量未知電阻的阻值。授課教師要求學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)電路，學(xué)生設(shè)計(jì)了電路圖，同時(shí)，教師要求學(xué)生設(shè)計(jì)好詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)步驟，提出實(shí)驗(yàn)過程［10］中需要注意的問題，并設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)的表格。學(xué)生設(shè)計(jì)完電路后，教師詳細(xì)檢查學(xué)生設(shè)計(jì)的電路圖，確保設(shè)計(jì)的電路無誤后，教師要求學(xué)生按照設(shè)計(jì)的電路圖連接實(shí)物電路，并且按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
4設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式效果反饋
在平時(shí)的教學(xué)過程中，選取三個(gè)班級采用傳統(tǒng)的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法［11］，選取另外的三個(gè)班級采用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［12］，經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)過程，對授課學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，學(xué)生對設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式反饋如下，一是該教學(xué)模式提升了自身的學(xué)習(xí)興趣，更有動力去探索未知的問題，二是從被動地接受知識轉(zhuǎn)化為主動地、自覺地吸收知識，三是學(xué)生通過查閱大量資料，無論是閱讀小論文，還是網(wǎng)上查閱相關(guān)文獻(xiàn)、新聞，都無形中增強(qiáng)了學(xué)生查閱書刊資料的能力，四是學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中能夠積極分工，明確各自責(zé)任，在實(shí)驗(yàn)過程中也能夠進(jìn)行互相協(xié)作，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，五是學(xué)生能夠積極準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)器材，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)過程中遇到困難時(shí)，能夠獨(dú)立思考，盡自己最大努力解決實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在的一些問題，同時(shí)也能夠積極處理實(shí)驗(yàn)過程中遇到的某些問題。統(tǒng)計(jì)了學(xué)生對兩種教學(xué)模式的興趣程度，其中，學(xué)生對設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［13］的感興趣程度為96．5%，而對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式感興趣程度為80．10%。開展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以后，授課教師對教學(xué)過程積極反思，有以下體會，一是教師需要進(jìn)一步更新教育理念，始終要以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為根本宗旨，突出學(xué)習(xí)過程中實(shí)踐的重要性，積極引導(dǎo)學(xué)生改變學(xué)習(xí)理念及實(shí)驗(yàn)方式，讓學(xué)生學(xué)會在合作中學(xué)習(xí)，積極促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。二是作為教師要與時(shí)俱進(jìn)，教師要不斷學(xué)習(xí)對應(yīng)學(xué)科領(lǐng)域最前沿的知識，不斷更新自身的知識體系，能夠整理自己的知識庫和素材庫，充分了解實(shí)驗(yàn)室的各種教學(xué)資源和各種儀器，能夠積極將理論知識應(yīng)用于實(shí)踐，科學(xué)地、合理地處理教學(xué)過程中遇到的各種問題，不斷增強(qiáng)自身處理各種儀器故障的能力，能夠熟練掌握各種儀器的操作，能夠處理學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的一些常見的問題。三是教師在教學(xué)過程中要積極申報(bào)相應(yīng)的研究課題，通過一定的課題的研究，進(jìn)一步總結(jié)教學(xué)模式及教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高教師的教學(xué)能力。總之，通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的開展，教師的綜合素質(zhì)有了一定的提升。學(xué)期末對兩種教學(xué)模式對應(yīng)的教學(xué)班的成績進(jìn)行分析，分別從課程優(yōu)秀率、課程平均分、不及格率及學(xué)生評教等級進(jìn)行分析，如下表所示。
5結(jié)論
綜合以上的分析和研究成果，結(jié)果表明大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，能夠在一定程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)學(xué)物理的興趣，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的邏輯思維能力，而且促進(jìn)了學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新的能力，能夠適應(yīng)應(yīng)用型本科院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，更符合“新工科”人才發(fā)展的方向。
作者:趙朝軍 韓娟 邱文旭 智春艷 劉金秋 單位:西安工商學(xué)院
