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競賽與教學(xué)相融合的開放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

2017-09-12 09:39:54鐘菊花顧英俊章登宏朱云霞
物理與工程 2017年5期
關(guān)鍵詞:競賽實(shí)驗(yàn)教學(xué)物理

鐘菊花 顧英俊 章登宏 房 毅 朱云霞

(華東理工大學(xué)理學(xué)院,上海 200237)

競賽與教學(xué)相融合的開放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

鐘菊花 顧英俊 章登宏 房 毅 朱云霞

(華東理工大學(xué)理學(xué)院,上海 200237)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門體系完整,具有豐富的物理實(shí)驗(yàn)思想、方法和手段的基礎(chǔ)課程。CUPT賽題來源于日常生活及生產(chǎn)與工程技術(shù),內(nèi)容豐富而新穎,道理深刻而發(fā)人深思,極易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索欲望,在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識和能力方面成為物理實(shí)驗(yàn)課程的極好補(bǔ)充。為了有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,將CUPT競賽融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),形成了多元化、開放式的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,營造充分發(fā)揮學(xué)生自主性和創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的環(huán)境。本文通過實(shí)例闡述將兩者融合對活躍學(xué)生思維、探索未知能力的培養(yǎng)所產(chǎn)生的作用。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);開放式教學(xué); CUPT競賽

物理實(shí)驗(yàn)課程著重講授基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思想,但在與應(yīng)用結(jié)合方面考慮較少,這在一定程度上降低了學(xué)生的參與熱情。與此同時,多數(shù)教材中實(shí)驗(yàn)步驟已十分詳實(shí),學(xué)生很難有自由發(fā)揮的余地,只能照章辦事,這就進(jìn)一步降低了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣。久而久之,學(xué)生將養(yǎng)成循規(guī)蹈矩的思維模式,缺乏想象力和創(chuàng)造力,不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育最核心、最緊迫的任務(wù),其中學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的提升是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵,因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)成為加強(qiáng)學(xué)生基本操作技能、創(chuàng)新思維、科學(xué)探索精神和科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[1]。由于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相對封閉,學(xué)生獲得的往往只是對課本知識的加深及基本技能的鍛煉。因此,國內(nèi)外高校紛紛開展開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究,打破常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中指定時間、指定地點(diǎn)、指定內(nèi)容的局限,以充分發(fā)揮學(xué)生的主動性、創(chuàng)造性,提高其實(shí)驗(yàn)操作技能,培養(yǎng)科研創(chuàng)新意識和能力[2]。

1 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué),激發(fā)思維

開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體,為學(xué)生營造充分發(fā)揮自主性學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性的環(huán)境[3]。但也不可否認(rèn),由于經(jīng)驗(yàn)不足,不少高校所開展的開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)還停留在形式和表面上,對實(shí)驗(yàn)過程缺乏有效的指導(dǎo),學(xué)生自選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時缺乏系統(tǒng)性,無法對學(xué)生進(jìn)行個性化的指導(dǎo),評價方式缺乏科學(xué)性,對學(xué)生打好實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、提高實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力不利。為此,許多高校都針對自己學(xué)校學(xué)生的特點(diǎn),開展了各種類型的開放式教學(xué)研究。本文將介紹我校多年來開展的以學(xué)生興趣為導(dǎo)向、學(xué)術(shù)競賽為載體的開放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

近年有國內(nèi)眾多高校參與的大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽(CUPT)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容有明顯不同[4],它要求學(xué)生對某些實(shí)際物理問題進(jìn)行綜合性理論與實(shí)驗(yàn)研究,突破了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)模式。例如,2012年競賽第2題 “Cutting the air—When a piece of thread (e.g., nylon) is whirled around with a small mass attached to its free end, a distinct noise is emitted. Study the origin of this noise and the relevant parameters”(譯:切割空氣——當(dāng)在一段繩子如尼龍的自由端系上一個小物體后甩動將發(fā)出噪音,請就噪音的根源與影響參數(shù)進(jìn)行研究),是一個在日常生活中經(jīng)常遇到的現(xiàn)象,人們很少會深究這聲音的來源。它要求學(xué)生不僅要觀測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,還得尋找發(fā)聲的規(guī)律,從理論上分析產(chǎn)生聲音的原因。這道題目既包含振動與波的知識,還與流體力學(xué)相關(guān)。要求學(xué)生首先要查閱相關(guān)資料與文獻(xiàn),再通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析,確定聲音產(chǎn)生的原因,得到聲音的頻率與相關(guān)參量的表達(dá)式,通過濾波等技術(shù)從實(shí)驗(yàn)采集的聲音信號中獲取其頻率數(shù)據(jù),驗(yàn)證此頻率與小重物直徑、甩動角速度、雷諾數(shù)等的關(guān)系。

另外,CUPT的賽題幾乎都是全開放式的,基本不設(shè)置限定性條件和參量。如2014年競賽第8題“Freezing droplets—Place a water droplet on a plate cooled down to around -20℃. As it freezes, the shape of the droplet may become cone-like with a sharp top. Investigate this effect.”(譯:冷凍水滴—將一個水滴放在冷卻到約-20℃的盤上,在它結(jié)冰時水滴的形狀變?yōu)橛袀€尖頂?shù)腻F形體。請研究這個效應(yīng))。此題要求水滴在約-20℃的盤上凍結(jié),而其他參量和實(shí)驗(yàn)條件均需要學(xué)生在研究中自行設(shè)計(jì)和深入探討,并且影響因素較多:如水滴的體積、盤的導(dǎo)熱系數(shù)與比熱、環(huán)境溫度、盤的溫度、潤濕角等等,給學(xué)生提供了很大的自由探索空間。

2 CUPT競賽,探索未知

“知之者不如好之者,好之者不如樂之者”,說明人的興趣對于從事一項(xiàng)活動的重要性。由于CUPT的賽題基本來源于日常生活及生產(chǎn)與工程技術(shù),是未被加工或被加工成份甚少的實(shí)際問題[5]。這種實(shí)際問題使學(xué)生感到親切,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探索欲望,他們充分認(rèn)識到物理學(xué)不是抽象的理論體系,而是活生生的、非常有用和有趣的,從而形成科學(xué)的自然觀、世界觀。

開展CUPT競賽將解決學(xué)生不善于、不愿意提問的缺點(diǎn)。提問是一向被國內(nèi)教育所忽視的問題,學(xué)生們也習(xí)慣于被問,不善于在生活中發(fā)現(xiàn)和提出問題,而科學(xué)研究的第一步就是“質(zhì)疑”[6]。由于CUPT賽題只給出了現(xiàn)象性描述,學(xué)生必須從現(xiàn)象入手提出科學(xué)性、理論性問題。進(jìn)行理論分析時需要運(yùn)用抽象、簡化等科學(xué)方法將客觀、真實(shí)的物理問題轉(zhuǎn)化為物理和數(shù)學(xué)模型,從而有效地提高學(xué)生分析、解決實(shí)際問題的能力。

以下將通過若干實(shí)例說明將CUPT競賽引入普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)所產(chǎn)生的作用。

圖1 液柱上的類“駐波”現(xiàn)象

(1) 2016年競賽第10題為“Light Rings—Let a liquid jet fall onto a surface. If the contact point is illuminated by a laser beam, rings of light around the jet can be observed. Investigate the light rings and determine how they depend on relevant parameters of the whole system.” (譯:光環(huán)——將液體噴向一表面。如果激光照射到接觸點(diǎn)處,人們便會看到圍繞液柱的光環(huán)。請研究這些光環(huán),并確定它們?nèi)绾问艿秸麄€系統(tǒng)相關(guān)參量的影響)。這是一個在生活中很容易觀察到的現(xiàn)象,當(dāng)打開自來水龍頭調(diào)細(xì)水流或用手指或平板阻擋水流時,就會產(chǎn)生如圖1所示的“駐波”現(xiàn)象。將激光照射在水柱和平面接觸點(diǎn)上,可在液柱上清楚地觀察到一圈圈的光環(huán)?!榜v波”是如何產(chǎn)生的?光環(huán)又是如何形成的?與哪些因素有關(guān)?如何才能觀察到穩(wěn)定圖像?學(xué)生需要通過綜合運(yùn)用伯努利方程、表面毛細(xì)波模型,以及光的漫反射、全反射和折射原理等相關(guān)知識,將問題簡化處理,再通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn),才能準(zhǔn)確地解釋這些問題。

(2) 2014年競賽第17題“ Chocolate Hysteresis—Chocolate appears to be a solid material at room temperature but melts when heated to around body temperature. When cooled down again, it often stays melted even at room temperature. Investigate the temperature range over which chocolate can exist in both melted and ‘solid’ states and its dependence on relevant parameters.”(譯:巧克力熱滯——巧克力在室溫下表現(xiàn)為固態(tài),但約在體溫下就會融化。如果再次冷卻,即使在室溫下它常常會仍然保持著熔融狀態(tài)。研究巧克力能以熔融和固態(tài)兩種形式存在的溫度范圍,以及與相關(guān)參數(shù)的依賴關(guān)系)。這個課題的研究瓶頸在于巧克力的融化和凝固點(diǎn)的判斷方法,尋找準(zhǔn)確有效地測量方法就是研究的關(guān)鍵。學(xué)生們首先嘗試了直接觀察法,即用光學(xué)顯微鏡觀察流動性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),雖然用直接觀察法能較準(zhǔn)確觀察到升溫過程中巧克力的融化,但不易通過流動性判斷其在降溫過程中的凝固點(diǎn)。在不斷探索中,發(fā)現(xiàn)如果測量巧克力的粘度(可使用旋轉(zhuǎn)粘度測量儀),就能有效判斷其融化和凝固點(diǎn)。因?yàn)樯郎睾徒禍剡^程中巧克力粘度的變化非常之大,且存在多態(tài)現(xiàn)象,如圖2所示。在降溫過程中,巧克力的粘度會緩慢增大;如果粘度突然變大,此時的溫度可認(rèn)為是凝固點(diǎn)F。在升溫過程中,粘度逐漸變小,如果突然不變,此時的溫度認(rèn)為是熔化點(diǎn)M。

圖2 巧克力升降溫過程的粘度隨溫度變化的“熱滯回線”

(3) 再如2014年競賽第7題“Pot-in-pot refrigerator—The ‘pot-in-pot refrigerator’ is a device that keeps food cool using the principle of evaporative cooling. It consists of a pot placed inside a bigger pot with the space between them filled with a wet porous material, e.g. sand. How might one achieve the best cooling effect?”(譯:罐中罐冰箱——“罐中罐冰箱”是利用蒸發(fā)制冷原理使食物保持冷卻的裝置。它是將一個小壺置于另一個較大的壺內(nèi),其間填充了濕潤的多孔材料,如沙子。如何達(dá)到最佳冷卻效果?)。這是一道源自非洲沙漠中的居民夏天用來保鮮食物的一種“沙漠冰箱”——罐中罐冰箱。要求參賽者通過現(xiàn)象觀察、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析,優(yōu)化相關(guān)參數(shù),達(dá)到最佳降溫效果。對眾多的影響因素綜合研究后,學(xué)生們發(fā)現(xiàn):環(huán)境風(fēng)速越大,降溫速率越大,但為了保持多孔材料的濕度需要頻繁加水。如何穩(wěn)定多孔材料的濕度?學(xué)生們構(gòu)建了補(bǔ)水裝置,即通過在罐中罐冰箱的外罐底部開孔,用海綿與水罐相連,使得多孔物質(zhì)中的水分得到有效補(bǔ)充,保證其濕度在一小范圍內(nèi)波動,從而大大延長了低溫時間,因而裝置也更具有實(shí)用性。

3 競賽與教學(xué)的融合,培養(yǎng)能力

CUPT賽題源自IYPT(International Young Physicists’Tournament),每年17個課題,提前一年公布。我們將此課題作為我校一、二年級學(xué)生 “自主設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,這樣實(shí)驗(yàn)教學(xué)年年增加新內(nèi)容,保持了教學(xué)的趣味性、先進(jìn)性、創(chuàng)造性和有效性。

為了使“自主設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)”和CUPT學(xué)術(shù)競賽有序開展,我們以物理實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有的儀器設(shè)備為依托,建設(shè)了100 m2大學(xué)生物理學(xué)術(shù)研究基地,增配了部分基本物理量測量傳感器等自主研究所需的儀器設(shè)備,基地對學(xué)生全方位開放。

3.1 組織與實(shí)施

“自主設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)”由學(xué)生自由組隊(duì),2~4名同學(xué)組成一個研究小組,每組從CUPT賽題中選擇一個有興趣的課題進(jìn)行研究,各班小組間題目不能重復(fù)。研究時間為一學(xué)期,定為6學(xué)時,占物理實(shí)驗(yàn)總成績的20%。在此期間,學(xué)生可在課程網(wǎng)站上查閱實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)例、PPT制作規(guī)范以及學(xué)生們發(fā)表的相關(guān)論文等有助學(xué)習(xí)和研究開展的信息。在研究階段,要求學(xué)生相互配合,查閱文獻(xiàn)資料,自行設(shè)計(jì)研究方案,添置實(shí)驗(yàn)器材,搭建實(shí)驗(yàn)平臺,采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)行理論知識的自我學(xué)習(xí)和運(yùn)用,直到完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、總結(jié)、得出研究結(jié)論、報告撰寫與答辯。

3.2 監(jiān)督與管理

為使“自主設(shè)計(jì)研究型實(shí)驗(yàn)”有效開展,使參與學(xué)生都有收獲,必要的督促和管理是不可缺少的。經(jīng)過幾年的實(shí)踐探索,形成一套較為行之有效的方法。

(1) 實(shí)驗(yàn)方案的確定。在選題后,學(xué)生用兩周時間查閱文獻(xiàn)資料,提交研究方案。老師要在一周內(nèi)對這些方案的可行性進(jìn)行評估與把關(guān),學(xué)生根據(jù)老師的建議修改研究方案。

(2) 實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室了解實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備和器材等情況,熟悉儀器的操作規(guī)程,自行搭建實(shí)驗(yàn)裝置,做好實(shí)驗(yàn)記錄工作。

(3) 研究進(jìn)展督查。督促學(xué)生制訂研究計(jì)劃,根據(jù)研究目標(biāo),通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和條件,記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并拍攝相關(guān)視頻,獲得大量有價值的研究結(jié)果。

(4) 總結(jié)評比。在經(jīng)過近半年的自主研究之后,期末進(jìn)行綜合考察。所有小組成員都要對研究工作進(jìn)行總結(jié),使用多媒體在規(guī)定時間內(nèi)匯報自己的研究結(jié)果,回答老師、同學(xué)提出的問題,要求小組每位同學(xué)都發(fā)言。最后,根據(jù)老師和學(xué)生組成的評委打分結(jié)果,對各小組進(jìn)行排名。

這些舉措保證了研究計(jì)劃的有序開展,參與學(xué)生雖感到有壓力,但責(zé)任意識、競爭意識大大增強(qiáng)。

3.3 實(shí)施效果

通過這些訓(xùn)練,學(xué)生初步體會到什么是研究。遇到不確定性的或者復(fù)雜的問題就不再恐慌,能嘗試用近似、模擬等方法進(jìn)行處理。事實(shí)證明,將CUPT與基礎(chǔ)教學(xué)相融合所形成的開放式教學(xué)模式,不但使得學(xué)生在理論知識、文獻(xiàn)閱讀能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、數(shù)據(jù)處理能力、科研方法方面得到訓(xùn)練,還在團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、人文素養(yǎng)、論文寫作和表達(dá)能力方面得到提高。我們的教學(xué)效果也在大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽中得到檢驗(yàn),華東理工大學(xué)代表隊(duì)自2011年參加全國CUPT比賽以來,共獲得二等獎6項(xiàng),個人單項(xiàng)獎2項(xiàng)。

4 結(jié)語

CUPT課題作為我校一、二年級學(xué)生物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中“自主設(shè)計(jì)研究型課題實(shí)驗(yàn)”內(nèi)容,通過6年的教學(xué)實(shí)踐與研究,有效促進(jìn)了競賽與教學(xué)活動的相互融合,形成了多層次、開放型的立體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺與創(chuàng)新競賽平臺建設(shè)都得到發(fā)展,兩平臺貫通使用、相得益彰。由于CUPT賽題來源于日常生活及生產(chǎn)與工程技術(shù),能激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣和探索欲望。實(shí)踐證明,在經(jīng)歷過開放性研究與探索后,學(xué)生的開放性思維能力、創(chuàng)新意識、解決實(shí)際問題的能力以及分工合作的人文素養(yǎng)都得到極大的提高,取得良好的教學(xué)效果。

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OPEN EDUCATION EXPLORATION IN UNDERGRADUATE PHYSICS EXPERIMENT BY INCORPORATION OF PHYSICS TOURNAMENT INTO THE ELEMENTARY COURSE

Zhong Juhua Gu Yingjun Zhang Denghong Fang Yi Zhu Yunxia

(College of Since, East China University of Since and Technology, Shanghai 200237)

The university physics experiment is a basic course of physical experiment with complete system, rich experiment ideas, methods and approaches. The CUPT contest which is originated from the daily life and production and engineering technology, with deep principles, and is rich in content and novel, is attractive to the students, and can provide much material for thinking, is proven as an excellent supplement to the traditional course of university physics experiment in cultivating students' innovation capability. In order to effectively inspire the enthusiasm of the undergraduate students, it is still necessary to incorporate the physics academic contest CUPT into the teaching of general physics experiments, so as to form a comprehensive and open teaching methodology,give full play to students' autonomy and creative learning environment. Through examples, this paper expounds the effect of the incorporation on the cultivation of active students’ thinking and the exploration of the unknown abilities.

college physics experiment; open education; China Undergraduate Physics Tournament (CUPT)

2017-06-17

華東理工大學(xué)2016年本科教育教學(xué)改革項(xiàng)目(ZK1626003);華東理工大學(xué)2017年教育教學(xué)規(guī)律及方法研究項(xiàng)目(ZK1726105)。

鐘菊花,女, 副教授,主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究,jhzhong@ecust.edu.cn。

鐘菊花,顧英俊,章登宏,等. 競賽與教學(xué)相融合的開放式物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 物理與工程,2017,27(5):99-102.

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