李景奎 崔金剛 田赫

摘? ? 要：物理實(shí)驗(yàn)儀器的好壞直接影響學(xué)生完成物理實(shí)驗(yàn)的效果，更會影響實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器具有使用率高、儀器數(shù)量大和儀器損壞速度快等特點(diǎn)。自制和改進(jìn)“實(shí)用型”物理實(shí)驗(yàn)儀器是非常必要的，文章闡述了改進(jìn)“實(shí)用型”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器的具體方法和步驟，提出“學(xué)生參與，教師主導(dǎo)”改進(jìn)模式，有利于提高實(shí)驗(yàn)儀器利用率和完好率，能夠從本質(zhì)上提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平，提升實(shí)驗(yàn)教師的業(yè)務(wù)水平，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提高。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);儀器改進(jìn);“實(shí)用型”;教學(xué)質(zhì)量

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2022）04-0075-03

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科院校的第一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是本科生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，物理實(shí)驗(yàn)的知識、方法和技能是學(xué)生進(jìn)行后續(xù)實(shí)踐訓(xùn)練的基礎(chǔ)[1-2]。經(jīng)過大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“洗禮”，能夠使學(xué)生受到系統(tǒng)的、嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)技能和動手能力訓(xùn)練，掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識、方法和技巧，更主要的是培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新精神，以及分析和解決實(shí)際問題的能力。物理實(shí)驗(yàn)儀器好壞直接影響學(xué)生完成物理實(shí)驗(yàn)的效果，更會影響實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量[3]。高校經(jīng)過多年的投入，物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)有了較大改善，建立了完善的力、熱、光、電等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能夠滿足大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本教學(xué)需求。但有些儀器廠家生產(chǎn)的物理儀器設(shè)備，沒有經(jīng)過長期實(shí)踐教學(xué)檢驗(yàn)，難免在使用中存在各種缺陷或不足，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)效果。另外，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器使用率較高、儀器數(shù)量較多、儀器損壞速度較快，還存在部分實(shí)驗(yàn)儀器效率低下，學(xué)生無法完成實(shí)驗(yàn)等問題。隨著科技的發(fā)展，部分物理實(shí)驗(yàn)儀器與教學(xué)內(nèi)容相對過時，反映新技術(shù)的實(shí)驗(yàn)不能及時得到補(bǔ)充[4]。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法較為單一，這些與現(xiàn)代人才培養(yǎng)的要求不相適應(yīng)，致使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不能得到明顯提高。要解決現(xiàn)有教學(xué)儀器不足和實(shí)驗(yàn)儀器老化，以及部分儀器設(shè)備效率低下，學(xué)生無法短時間完成實(shí)驗(yàn)等問題，需要教師自制和改進(jìn)儀器設(shè)備，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在教學(xué)中注入新的教學(xué)理念，通過改進(jìn)“實(shí)用型”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器，促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提高。

一、改進(jìn)“實(shí)用型”實(shí)驗(yàn)儀器方法步驟

物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)包括改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備的使用功能、開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)方法和開拓新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器是在認(rèn)識該儀器基本理論和原理后，通過操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備對儀器的原有設(shè)計(jì)和操作進(jìn)行反思，保持原有實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想基礎(chǔ)之上對儀器進(jìn)行局部改造。首先，對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行充分調(diào)研，采取網(wǎng)絡(luò)調(diào)查、師生座談、課堂反饋等方式與學(xué)生進(jìn)行溝通，掌握學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見、態(tài)度，以及要求等情況。了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力與物理知識掌握情況。需要對物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目發(fā)展進(jìn)行充分調(diào)研，了解儀器發(fā)展過程，對改進(jìn)“實(shí)用型”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器打下前期基礎(chǔ)。其次，研究分析現(xiàn)有儀器，了解現(xiàn)有儀器的優(yōu)缺點(diǎn)，存在嚴(yán)重缺陷的進(jìn)行重點(diǎn)研究，尋找不良儀器的代用品，充分利用現(xiàn)有儀器部件，變廢為寶，改進(jìn)效率低下的實(shí)驗(yàn)儀器，同時學(xué)習(xí)該領(lǐng)域先進(jìn)理論知識，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，增強(qiáng)現(xiàn)有儀器的實(shí)用性和穩(wěn)定性。最后，將新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在實(shí)踐教學(xué)中發(fā)現(xiàn)新設(shè)備的不足之處，聽取授課教師與學(xué)生的反饋意見，進(jìn)一步改進(jìn)儀器，完善儀器，最終完成新儀器制造，并進(jìn)行推廣應(yīng)用，具體研究方法及技術(shù)路線如圖1所示。

二、改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的具體實(shí)例

（一）“實(shí)用型”物理實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)實(shí)例

液體粘滯系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)屬于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中一個基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)需要多次從蓖麻油中提起落針，原有儀器取針裝置設(shè)計(jì)較為死板，影響實(shí)驗(yàn)操作，當(dāng)落針在容器底部或距離落針移動線路較遠(yuǎn)時，儀器自帶取針裝置很難提起蓖麻油中落針，導(dǎo)致部分學(xué)生很難在有限時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。原有儀器取針裝置是固定在容器一側(cè)的豎桿上，上下移動從底部提起液體中的落針，當(dāng)落針在容器底部不處于取針裝置這一側(cè)時，該取針裝置就很難提起落針，并且該取針裝置只能安置一片磁鐵，磁性非常有限。自行設(shè)計(jì)的取針裝置如圖2所示，改進(jìn)之處是：做一個長6cm，寬3cm，厚1.5mm的硬鐵片，中間部位平突起，呈拱形，將2片直徑為2～3cm強(qiáng)磁鐵用強(qiáng)力膠粘貼在一起，并用強(qiáng)力膠將其固定在拱形鐵片的一端，鐵片的另一端（手持部位）稍低、略窄，并打一個小圓孔，用長1m左右的線繩將取針裝置固定在粘度系數(shù)實(shí)驗(yàn)儀上。該新型取針裝置可以從容器底部的任意部位、任意方向?qū)⒁后w中落針提到頂部，從而進(jìn)行粘度系數(shù)實(shí)驗(yàn)的測量。當(dāng)取針裝置的磁性不強(qiáng)時，還可以增加磁鐵片的數(shù)量，增強(qiáng)取針裝置的磁性。該裝置設(shè)計(jì)簡單，方便操作，能夠縮短提起落針時間，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)實(shí)例

全息照相是近代光學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個非常重要的實(shí)驗(yàn)，其原理是以物理光學(xué)為基礎(chǔ)，整個實(shí)驗(yàn)過程是通過干涉記錄，衍射再現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)的。它需要良好的激光光源（如單橫模He—Ne激光器）、優(yōu)質(zhì)的感光底片（全息干板）和高度穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)裝置。如何利用現(xiàn)有簡單實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓沒有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，在有限的課堂時間內(nèi)拍攝出高質(zhì)量全息圖是教師一直探索的問題。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生調(diào)節(jié)光路時，常常反復(fù)調(diào)整、顧此失彼，難以完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，也會出現(xiàn)拍攝成功率低，以及全息圖的衍射效率低等問題。在教學(xué)實(shí)踐中，通常使用米尺測量不同光學(xué)元件間的距離，計(jì)算物光和參考光光程，再調(diào)整物光和參考光光程，每挪動一個光學(xué)元件，都需要重新測量距離，實(shí)驗(yàn)時間都浪費(fèi)在測量距離這個環(huán)節(jié)上，實(shí)驗(yàn)效率低下，嚴(yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。改進(jìn)方法則是采用線繩代替米尺靈活調(diào)整光程，不需要測距離，只需要利用線繩長度以物光為基準(zhǔn)，調(diào)整參考光的光程，很快完成此步驟，有事半功倍的效果，具體光路圖設(shè)計(jì)如圖3所示，快速調(diào)節(jié)光路的方法為：（1）各元件的光軸與全息臺平行;（2）以物光為基準(zhǔn)調(diào)整參考光的光程，使參考光與物光光程相等;（3）物光與參考光夾角在30～60度之間;（4）物光與參考光光強(qiáng)比1∶3～1∶5;（5）物與干板距離大約10cm;（6） 拍攝時關(guān)閉光源，全息干板有藥面一側(cè)迎著入射光;（7）曝光時間15s～1min;（8）沖洗全息干板設(shè)定顯影2～3分鐘，停影20秒，定影5分鐘。學(xué)生按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，很快就能調(diào)整好光路，提高實(shí)驗(yàn)成功率，學(xué)生獲得成就感，增加了學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的興趣。

三、引導(dǎo)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)

在傳統(tǒng)應(yīng)試教育背景下，中學(xué)物理的教學(xué)方法更多的是注重理論學(xué)習(xí)，不注重物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，沒能通過動手實(shí)驗(yàn)激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，忽視了物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，導(dǎo)致進(jìn)入大學(xué)后，學(xué)生的動手能力較差，創(chuàng)新能力不足。而改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)儀器就是側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生動手能力，鼓勵創(chuàng)新，給學(xué)生創(chuàng)造寬松自由的環(huán)境，潛移默化引導(dǎo)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新和實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生的創(chuàng)新能力不是與生俱來的，而是在后天的不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐中逐步養(yǎng)成的。在實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)過程中，教師要積極引導(dǎo)學(xué)生參與，為學(xué)生創(chuàng)新活動提供優(yōu)良平臺，也是貫徹落實(shí)教育部《關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》的精神，滲透實(shí)踐育人理念。改進(jìn)教學(xué)儀器，能夠提高原有物理儀器利用率，更好地為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。許多物理實(shí)驗(yàn)如高溫超導(dǎo)、粘滯系數(shù)、橢圓偏振光、全息照相等實(shí)驗(yàn)效率低下，需要改進(jìn)儀器復(fù)雜環(huán)節(jié)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)部件，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率。以物理系本科專業(yè)學(xué)生為主體，充分利用學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、光電設(shè)計(jì)競賽和本科畢業(yè)論文，使學(xué)生積極參與 “實(shí)用型”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性為目的，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)“學(xué)生參與、教師主導(dǎo)”的教學(xué)模式。改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)儀器具有較強(qiáng)啟發(fā)性，不但能傳授學(xué)生物理知識，還能啟發(fā)學(xué)生思維，促進(jìn)教與學(xué)的統(tǒng)一，從而提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。改進(jìn)的儀器設(shè)備最終服務(wù)于學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)儀器的改進(jìn)，從本質(zhì)上提高學(xué)生的動手能力，從根本上提升大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)水平。

四、建設(shè)新型實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是理工科院校進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的“第一課”，也是高校對大學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育非常重要的環(huán)節(jié)，肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的重?fù)?dān)。實(shí)驗(yàn)教師是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主力軍，沖在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“最前線”。實(shí)驗(yàn)教師本身的素質(zhì)和業(yè)務(wù)能力高低也會直接影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。隨著時代的發(fā)展，對實(shí)驗(yàn)教師業(yè)務(wù)能力提出了更高的要求，改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)儀器已經(jīng)成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教師必備的基本能力。如果一名實(shí)驗(yàn)教師不能在教學(xué)中改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，就不能通過創(chuàng)造性的思維對學(xué)生產(chǎn)生積極影響。實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)當(dāng)及時更新理論知識，提升實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)水平。在教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)教師發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在問題，就應(yīng)該及時對實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行升級改造，以滿足物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。改進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器需要實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行主導(dǎo)，經(jīng)過“實(shí)用型”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)的歷練，新時代的實(shí)驗(yàn)教師應(yīng)具備理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，具備講課、儀器維修、調(diào)試和計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用等各項(xiàng)能力，并能夠解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中儀器損壞等突發(fā)事件的能力。高?！皩?shí)用型”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)應(yīng)形成常態(tài)化，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教師不斷成長和進(jìn)步。改進(jìn)效率低下的實(shí)驗(yàn)儀器是一項(xiàng)具有綜合性質(zhì)的工作，實(shí)驗(yàn)教師只有積極地進(jìn)行儀器改進(jìn)，才能滿足大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，取得滿意的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。在開發(fā)和改進(jìn)儀器過程中，高校應(yīng)全面提升實(shí)驗(yàn)教師的業(yè)務(wù)水平，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高，培養(yǎng)具有儀器設(shè)計(jì)能力和維護(hù)能力的新型實(shí)驗(yàn)教師隊(duì)伍。

五、結(jié)論與展望

隨著科技的進(jìn)步，電子技術(shù)的發(fā)展越來越快，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器也向著集中化、智能化和自動化等方向發(fā)展，很多教學(xué)儀器不能完全滿足大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)儀器能夠解決現(xiàn)有儀器不足和儀器老化，以及部分實(shí)驗(yàn)儀器效率低下，學(xué)生無法完成實(shí)驗(yàn)等問題，有利于提高實(shí)驗(yàn)儀器利用率和完好率，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)效率。如果改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器后的教學(xué)實(shí)踐效果良好，還可以在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中推廣實(shí)施。在儀器開發(fā)改進(jìn)過程中可以啟發(fā)學(xué)生思維，促進(jìn)學(xué)生智能發(fā)展，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的統(tǒng)一，從本質(zhì)上提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平，提升實(shí)驗(yàn)教師的業(yè)務(wù)水平，促進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。改進(jìn)“實(shí)用型”實(shí)驗(yàn)儀器在激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識和提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力等方面會發(fā)揮更大作用。儀器改進(jìn)過程能夠積極引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)科學(xué)知識，掌握基本技能，提高科學(xué)素養(yǎng)，能夠培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，積極主動的探索精神。應(yīng)該使“實(shí)用型”大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)形成常態(tài)化，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教師不斷成長和進(jìn)步，提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)從單一型向多元化發(fā)展。

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■ 編輯∕丁俊玲