李智華 楊 光

(華中科技大學(xué)物理學(xué)院 湖北 武漢 430074)

1 前言

在國內(nèi)諸多高校的本科生培養(yǎng)計劃里，專業(yè)物理實驗一般是作為一門或幾門課程，獨立于相應(yīng)的理論課程之外專門開設(shè)的．每門專業(yè)物理實驗課程根據(jù)對相關(guān)理論知識掌握要求和深度不同，被安排在大學(xué)階段不同學(xué)年的不同學(xué)期開設(shè)．比如筆者所在的學(xué)院，專業(yè)基礎(chǔ)物理實驗一和專業(yè)基礎(chǔ)物理實驗二，一般安排在第二學(xué)期和第三學(xué)期開設(shè)，綜合物理實驗以及近代物理實驗一般在大三學(xué)年進(jìn)行開設(shè)．這樣的課程安排表面上似乎沒毛病很合理，既考慮了學(xué)生物理理論知識體系建立的先后順序，排課也沒什么困難，根據(jù)培養(yǎng)計劃按部就班就行．目前大多高?；旧鲜前凑者@種模式來安排專業(yè)物理實驗課程，并執(zhí)行了上十年甚至幾十年．可正是這種表面上看似合理的專業(yè)物理實驗課程安排，一直以來廣受學(xué)生的詬病和不滿．主要原因歸納起來大致如下：

(1)專業(yè)實驗項目與理論課程的關(guān)聯(lián)性不強.

(2)學(xué)生在部分專業(yè)理論知識還沒具備的情況下就被安排做相關(guān)的專業(yè)實驗及應(yīng)用探究．簡言之就是，理論知識還沒有學(xué)，就被安排去做相應(yīng)的專業(yè)實驗，甚至還要做相應(yīng)的應(yīng)用探究.

(3)實驗儀器大多是黑匣子，接接線、按按按鈕就完事，部分實驗項目達(dá)不到預(yù)定的實驗?zāi)康?

(4)實驗設(shè)備陳舊，影響實驗過程和效果．

相信有人會問，既然問題癥結(jié)找到了，怎么就沒有解決呢？“設(shè)備陳舊問題”不是本文要在這里討論的重點，相信只要重視教學(xué)，尤其是重視實驗教學(xué)肯投入資金支持，這個問題不難解決．重要的是前3個問題，要解決不是做不到，而是比較復(fù)雜，涉及到方方面面．

要解決上面提到的“理論與實驗設(shè)置的關(guān)聯(lián)性不強”“實驗及應(yīng)用探究先行于理論知識滯后的尷尬”，得把相應(yīng)的理論課程與相應(yīng)的專業(yè)實驗項目揉合成一門課程，而且涉及到多門理論課程和專業(yè)實驗項目的揉和，這樣一來，要對目前本科生的培養(yǎng)方案做較大的修改，對課程和學(xué)分進(jìn)行再設(shè)置．另一方面，這也是對任課教師提出更高的要求．想想看，按照老模式，理論課的主講教師只要負(fù)責(zé)上講臺講好課程教學(xué)大綱要求的知識內(nèi)容即可，專業(yè)實驗課的主講教師只要按照實驗課程的安排指導(dǎo)實驗即可，不用過多考慮學(xué)生到底有沒有相應(yīng)的理論基礎(chǔ)知識，也不用考慮理論課上相應(yīng)的理論知識如何與實驗項目內(nèi)容銜接，來更好達(dá)到實驗?zāi)康牡膯栴}．單從教師的角度來看，無論理論課的教師還是實驗課的教師，各自都是認(rèn)真負(fù)責(zé)的．可是明眼人不難發(fā)現(xiàn)，這樣課程設(shè)置模式是有問題的，沒有站在學(xué)生的角度來進(jìn)行合理的課程設(shè)置與安排．而“黑匣子”的問題，相信只要前面兩個問題解決了，在此基礎(chǔ)上擬出一些緊密結(jié)合理論的、能有效培養(yǎng)學(xué)生靈活運用知識能力和動手能力的、有代表型的自主創(chuàng)新性、設(shè)計型實驗及應(yīng)用，問題就相應(yīng)解決了．

筆者機緣巧合，一直長期站在電磁學(xué)理論課堂教學(xué)第一線，并堅持多年的電磁學(xué)教學(xué)改革與實踐[1～3]，近幾年也被安排主講物理實驗，對將專業(yè)理論課程與專業(yè)實驗課程如何緊密結(jié)合有一定思路．坦白說，是這學(xué)期初，筆者微信學(xué)生好友在微信上對專業(yè)物理實驗的吐槽及大量學(xué)生的跟帖，才是真正激發(fā)作者動真格下決心做這件事情的原因，讓筆者思考作為一名教師，結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)歷和背景，可以為專業(yè)實驗教學(xué)與理論課程教學(xué)的緊密結(jié)合做點事情．其實，在電磁學(xué)教學(xué)改革和實踐中，筆者一直都重視理論和實驗的結(jié)合，只不過這種重視限制在筆者自己負(fù)責(zé)的電磁學(xué)課程范圍內(nèi)，沒有去打破專業(yè)實驗課程和電磁學(xué)理論課程的“壁壘”．現(xiàn)在看來，在前期已有的電磁學(xué)教學(xué)改革實踐的基礎(chǔ)上，打破這種壁壘,實現(xiàn)專業(yè)實驗與理論課程的結(jié)合，非常必要而且重要，對筆者而言也并非難以完成的使命．

2 電磁學(xué)理論課程與專業(yè)實驗的對接

為了讓學(xué)生進(jìn)本科專業(yè)實驗室前先具備相關(guān)的理論基礎(chǔ)，應(yīng)增強理論課程與相應(yīng)實驗項目的關(guān)聯(lián)性，合理安排實驗項目及實驗進(jìn)程．即先有電磁學(xué)相關(guān)理論課教學(xué)，爾后才是對應(yīng)開設(shè)相應(yīng)實驗及其應(yīng)用探究．本科專業(yè)基礎(chǔ)物理實驗項目里，部分是電磁學(xué)理論相關(guān)的實驗，考慮將這些相關(guān)實驗內(nèi)容與電磁學(xué)理論課程教學(xué)內(nèi)容打通統(tǒng)籌安排．此外，根據(jù)電磁學(xué)理論課堂教學(xué)的內(nèi)容，擬考慮增設(shè)部分非黑匣子、自主設(shè)計型的創(chuàng)新實驗項目．這樣避免了理論教學(xué)和實驗課程的安排關(guān)聯(lián)性不強，甚至理論知識尚未具備就安排學(xué)生進(jìn)行相關(guān)實驗和應(yīng)用探究的問題，也能解決“黑匣子”實驗的弊病．而且不僅能提高理論課堂教學(xué)的水平與效果，也有助于真正達(dá)到專業(yè)實驗項目開設(shè)的目的，更是將培養(yǎng)學(xué)生的5種能力“學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力、動手能力、靈活運用知識能力、口頭與書面語言表達(dá)能力”落地到教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，是落實以學(xué)生為中心的教學(xué)改革與實踐的具體舉措[4～6]．

2．1 現(xiàn)有專業(yè)實驗項目與理論課程的結(jié)合

一方面，形式上，首先理清專業(yè)基礎(chǔ)物理實驗課程中現(xiàn)有的與電磁學(xué)相關(guān)的實驗項目(如霍爾效應(yīng)與應(yīng)用設(shè)計、電路暫態(tài)過程與示波器的使用、RLC電路和濾波器、直流交流電橋的研究與應(yīng)用)，將這些現(xiàn)有的實驗與電磁學(xué)理論課緊密結(jié)合，統(tǒng)籌規(guī)劃合理安排．圖1是基礎(chǔ)物理實驗“RC/RLC/暫態(tài)電路和RLC交流電路和濾波器實驗”實驗儀器裝置圖：函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道示波器、電阻箱，以及可變電容器和可變電感器．

圖1 RC/RLC暫態(tài)過程、交流電路和濾波器實驗裝置

根據(jù)目前專業(yè)基礎(chǔ)物理實驗的安排，本實驗一般安排在大二上學(xué)期開設(shè)，雖然與電磁學(xué)課程開設(shè)在同一學(xué)期，但問題是學(xué)生在進(jìn)實驗室做這個實驗時，還沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識，這些理論背景知識屬于電磁學(xué)第九章的內(nèi)容，如果將此實驗項目安排在電磁學(xué)第九章內(nèi)容講授之后，相信學(xué)生才可能靈活應(yīng)用所學(xué)的理論知識來進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計，這樣學(xué)生的實驗收獲會更好，才可能真正達(dá)到實驗?zāi)康模偃鐚ⅰ盎魻栃?yīng)與應(yīng)用設(shè)計”實驗項目，安排在電磁學(xué)的理論課程內(nèi)容“帶電粒子在電磁場中的運動及應(yīng)用舉例”講授之后；將 “直流交流電橋的研究與應(yīng)用”實驗項目，安排在“交流電路的復(fù)數(shù)解法與應(yīng)用舉例”講授之后．這樣，既能確保學(xué)生在從事相關(guān)的專業(yè)實驗之前已具備了相關(guān)的理論知識，又能馬上在專業(yè)實驗的過程中靈活應(yīng)用相關(guān)的理論知識，做到了專業(yè)實驗與理論教學(xué)的緊密結(jié)合、無縫對接．

另一方面，除了形式上和時間上的無縫對接，課程內(nèi)容上也要融合．仔細(xì)琢磨理論知識的講授如何與實驗項目相結(jié)合，既有助于學(xué)生掌握、鞏固相應(yīng)的理論知識，又能啟發(fā)學(xué)生開展專業(yè)實驗活動，在課堂教學(xué)理論知識的指導(dǎo)下，真正達(dá)到實驗項目設(shè)置的目的．

2.2 緊密結(jié)合理論課程的自主設(shè)計創(chuàng)新實驗設(shè)置

結(jié)合現(xiàn)有電磁學(xué)理論課教學(xué)內(nèi)容，考慮篩選增設(shè)有代表性的實驗項目，引導(dǎo)學(xué)生勤于思考,激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用知識的能力和動手能力．根據(jù)電磁學(xué)課堂教學(xué)內(nèi)容，初步擬出的可供選擇的學(xué)生自主設(shè)計的創(chuàng)新型實驗如下：

(1)設(shè)計范德格拉夫起電機周圍電場和等勢面演示儀;

(2)壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用實驗設(shè)計；

(3)基于平面矩形載流線圈在均勻磁場中繞固定轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的規(guī)律，設(shè)計一款自測速高轉(zhuǎn)速馬達(dá)；

(4)指針式/數(shù)顯式磁通計設(shè)計與應(yīng)用；

(5)設(shè)計一款手搖發(fā)電機，要求具備交流直流切換輸出功能；

(6)RLC電路串聯(lián)共振的應(yīng)用：調(diào)頻收音機設(shè)計/機場安檢系統(tǒng)設(shè)計/金屬炸彈探測器設(shè)計/排雷探測器設(shè)計；

(7)電磁繼電器的設(shè)計與應(yīng)用/電鈴的原理、設(shè)計與應(yīng)用；

(8)赫茲實驗再現(xiàn)裝置：電磁波的發(fā)射與檢測；

(9)電磁場動量-光壓測量裝置設(shè)計與實驗；

(10)電磁波的發(fā)射、電場E、磁場B及能流S的實驗檢驗，以及電磁波疊加形成駐波能量分布的檢驗．

這樣的項目并不是要求學(xué)生每一個都必須完成，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自由選取實驗項目，自由組合形成實驗小組，自主分工協(xié)作完成項目．當(dāng)然，項目執(zhí)行過程中，課程組會有助教和實驗工程師提供必要的指導(dǎo)與支持．自主設(shè)計的創(chuàng)新性實驗的引入，是徹底解決黑匣子式實驗“接接線、按按按鈕”就完成實驗缺陷與弊端的有效方式之一．

3 自主設(shè)計創(chuàng)新實驗實例——自測速高轉(zhuǎn)速馬達(dá)

此實驗項目屬于完全自由、自主設(shè)計的創(chuàng)新實驗的實例．在電磁學(xué)理論課堂教學(xué)內(nèi)容“通電矩形載流線圈在磁場中運動的規(guī)律”討論之后，如圖2所示，得到了剛性平面矩形線圈在均勻磁場中的受力矩與線圈磁矩和磁場之間的關(guān)系.

(a)

(b)

設(shè)B為線圈所處的外磁場的磁場強度，m是通電線圈的磁矩，L就是線圈在均勻外磁場中所受的力矩．三者之間的關(guān)系為

L=m×B

接下來理論課堂教學(xué)與實際的應(yīng)用相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考：從剛性矩形線圈的受力矩來看，力矩大小mBsinθ隨著線圈與磁場夾角θ的變化而周期性變化，對于真實的馬達(dá)，這種情況會導(dǎo)致什么問題？如何讓線圈在磁場中轉(zhuǎn)動受力矩大小穩(wěn)定？如何提高馬達(dá)的轉(zhuǎn)速？請設(shè)計一款高速馬達(dá)，并具備自測速功能．這是這堂理論課結(jié)束時，留給學(xué)生的自主設(shè)計的實驗項目．實驗項目并非必做內(nèi)容，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選做，可以2～3人一組分工協(xié)作完成．項目實施期間，課程給與學(xué)生實驗小組全力的經(jīng)費和硬件條件支持，整個課程結(jié)束前，要求學(xué)生在規(guī)定的時間提交作品，并向全班學(xué)生做總結(jié)匯報．圖3展示的是某年級應(yīng)用物理班上的兩位學(xué)生設(shè)計完成的自測速馬達(dá)作品．

圖3 自測速高轉(zhuǎn)速馬達(dá)作品展示

此作品以多對強鐵磁性材料釹鐵硼片，來產(chǎn)生穩(wěn)定磁場分布，測速裝置采用自主設(shè)計的電路板結(jié)合光電探頭進(jìn)行測量，以1.5 V的7號電池作為電源供電下，馬達(dá)可實現(xiàn)1 100 r/min．雖然作品展示中馬達(dá)轉(zhuǎn)速不太平穩(wěn)有待改進(jìn)，但從實驗項目實例來看，參與實驗項目的學(xué)生收獲頗豐，他們將課堂上學(xué)的理論知識與實際應(yīng)用相結(jié)合進(jìn)行探索研究，不僅鍛煉了自己靈活運用知識的能力和動手能力，也訓(xùn)練了分析問題和解決問題的能力，這些收獲讓他們非常有成就感．當(dāng)項目小組成員站在全班同學(xué)面前做項目總結(jié)報告，并把作品展現(xiàn)在全班同學(xué)面前時，不僅贏得了其他同學(xué)羨慕和贊賞的目光，更是激發(fā)了其他同學(xué)的興趣和參與的激情，當(dāng)然也很大程度提高了理論課堂教學(xué)的吸引力．筆者想這應(yīng)該是理論課程與專業(yè)實驗無縫對接后所期待的效果了：充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與熱情，在“學(xué)”與“習(xí)”的過程中有效地訓(xùn)練學(xué)生靈活運用知識的能力、動手能力以及創(chuàng)新思維的能力，也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和敢于探索的精神．

4 總結(jié)

實現(xiàn)理論課堂教學(xué)與專業(yè)實驗的開設(shè)無縫對接，可以解決多年來學(xué)生普遍詬病的實驗項目開設(shè)與理論知識關(guān)聯(lián)性不強的現(xiàn)狀；結(jié)合理論課程內(nèi)容設(shè)置真正開放性的、非黑匣子式的自主創(chuàng)新設(shè)計實驗，不僅能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，更能有效鍛煉學(xué)生運用知識的能力和動手能力．以電磁學(xué)理論課與相關(guān)專業(yè)實驗的無縫對接為例子，期待擴(kuò)展到其他專業(yè)課力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)與相關(guān)專業(yè)實驗項目的結(jié)合，甚至推廣到量大面廣的課程“大學(xué)物理”和“大學(xué)物理實驗”的無縫對接．這是將“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念落到實處的具體體現(xiàn)．