摘 要:主要針對(duì)目前在應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善、實(shí)驗(yàn)課不單獨(dú)開(kāi)設(shè)、不受非物理專業(yè)學(xué)生重視,實(shí)驗(yàn)儀器無(wú)法滿足教學(xué)發(fā)展需求,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境較差,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果一般,實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容無(wú)特色,教師教學(xué)能力有限等問(wèn)題,提出應(yīng)用型本科院??梢圆捎米灾苾x器的方法來(lái)解決此類問(wèn)題。自制儀器具有制作方法簡(jiǎn)單易行,取材方便,貼近教學(xué)的特點(diǎn),既能改善大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,促進(jìn)教學(xué)效果的提高,又能夠提高教師對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力,為培養(yǎng)一流的應(yīng)用型實(shí)踐創(chuàng)新人才打好堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:自制儀器;應(yīng)用型本科院校;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)
一、前言
《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》第七章第22和第十一章31條非常明確地指出,要引導(dǎo)高校尤其是應(yīng)用型本科院校辦出特色,優(yōu)化學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu),緊密結(jié)合地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求,樹(shù)立多樣化人才觀,系統(tǒng)化人才觀,大力培養(yǎng)應(yīng)用型、復(fù)合型、技能型、創(chuàng)新型人才等。這是方向性指引,為應(yīng)用型本科院校的發(fā)展開(kāi)闊了視野,指明了方向,要以培養(yǎng)應(yīng)用型實(shí)踐創(chuàng)新人才為目標(biāo),明確自身優(yōu)勢(shì),走高校本身特色的發(fā)展道路,道路上的發(fā)展必須離不開(kāi)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)。
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)既是學(xué)生理論知識(shí)運(yùn)用的檢驗(yàn)工具,又是學(xué)生掌握物理知識(shí)和物理思維方式的關(guān)鍵環(huán)節(jié),旨在鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作能力,提高學(xué)生獨(dú)立思考、解決問(wèn)題的能力。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,學(xué)生需要積極溝通、合作配合,培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新能力,同時(shí)也能鍛煉處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。而許多應(yīng)用型本科院校在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,仍存在著類似的三大問(wèn)題:第一,實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境較差。實(shí)驗(yàn)儀器的更新速度慢,導(dǎo)致一些老舊設(shè)備無(wú)法跟上時(shí)代腳步,也不能信息共享,滿足不了新的教學(xué)科研需求;實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入少,導(dǎo)致部分實(shí)驗(yàn)儀器精度不夠、教與學(xué)的儀器不配套。第二,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果一般。實(shí)驗(yàn)儀器是現(xiàn)成且枯燥的,無(wú)需動(dòng)手組裝也與日常生活聯(lián)系較少,激發(fā)不起學(xué)生的興趣,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳;現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器與特色專業(yè)相關(guān)程度較低,要采購(gòu)到完全適合本校特色專業(yè)的教學(xué)儀器是比較困難,導(dǎo)致得不到非物理專業(yè)學(xué)生的重視,影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。第三,教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平能力有限。沒(méi)有開(kāi)設(shè)物理專業(yè),物理實(shí)驗(yàn)課只是公共基礎(chǔ)課,教師對(duì)實(shí)驗(yàn)這塊重視度不夠,花的心思少;實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)少,數(shù)量少,而且只能在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中挑選,導(dǎo)致教師接觸的實(shí)驗(yàn)有限,能力得不到提升。這些問(wèn)題都困擾著應(yīng)用型本科院校教師,在這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中進(jìn)行教學(xué),使其無(wú)法專注于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高,影響著高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)有效途徑就是自主研制和開(kāi)發(fā)適合自己教學(xué)需要的實(shí)驗(yàn)儀器,尋找適合應(yīng)用型本科院校特色的自制儀器。
所謂自制儀器,是指市場(chǎng)無(wú)定型產(chǎn)品或雖有定型產(chǎn)品但質(zhì)量功能不能滿足使用要求或制作價(jià)格較高的儀器。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革、創(chuàng)新和發(fā)展,與它密切相關(guān)。師生就地取材進(jìn)行教具的自制,可以輔助物理概念的教學(xué),實(shí)驗(yàn)教學(xué)不再局限于實(shí)驗(yàn)室的儀器和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的課程安排,為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了更多自主探究的機(jī)會(huì)。
隨著時(shí)代的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,人類社會(huì)對(duì)應(yīng)用型實(shí)踐創(chuàng)新人才的需求越來(lái)越高。應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也迫切需要尋找一條能夠提高教學(xué)效果,體現(xiàn)高校本身特色的發(fā)展道路。這就是鼓勵(lì)高校采用以培養(yǎng)應(yīng)用型實(shí)踐創(chuàng)新人才為目標(biāo)進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)自制儀器的特色研發(fā)之路。
二、自制儀器對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響
(一)自制儀器能改善大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境
1、加快儀器更新速度、實(shí)現(xiàn)信息共享,改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境
關(guān)于實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展趨勢(shì),國(guó)家一直強(qiáng)調(diào),“科技創(chuàng)新”“科技強(qiáng)國(guó)”“大國(guó)重器”“儀器共享”,這就足以看到國(guó)家對(duì)儀器的發(fā)展的重視性??茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷對(duì)儀器提出更高更新的要求,以便于提高教學(xué)效率。
而目前各應(yīng)用型本科院校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境中存在儀器更新慢、普遍老舊問(wèn)題,甚至部分實(shí)驗(yàn)還在采用2010年生產(chǎn)的儀器甚至更久遠(yuǎn),這就為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中新信息的接收產(chǎn)生了很大的障礙。我們肯定,老舊的儀器在過(guò)去的實(shí)驗(yàn)教學(xué)里發(fā)揮著不可替代的作用,但是隨著科學(xué)時(shí)代的發(fā)展,對(duì)學(xué)生的教育要與時(shí)俱進(jìn),大步往前走。例如在講授《萬(wàn)用表的使用》這一實(shí)驗(yàn)時(shí),可以介紹指針式萬(wàn)用表的原理、使用方法,但使用的儀器得是數(shù)字萬(wàn)用表,讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)測(cè)電學(xué)值,比如二極管的正反向電阻、正向?qū)妷褐?,人體頭發(fā)和手臂的電阻值等。
針對(duì)此問(wèn)題,我們必須從根源入手,采用自制儀器方式來(lái)解決儀器更新慢的問(wèn)題,將老舊型號(hào)的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行改造或者自行研發(fā)新儀器,順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展。與此同時(shí),通過(guò)自制儀器,利用網(wǎng)絡(luò)有線連接或者無(wú)線連接,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器能夠?qū)崿F(xiàn)最基本的數(shù)據(jù)采集、視頻信號(hào)傳輸?shù)墓δ?,?shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)信息的共享。能讓多臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)聯(lián)通起來(lái),甚至還能遠(yuǎn)程多臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器,方便實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行教學(xué)。例如在《方波的合成》實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生在各自示波器上進(jìn)行操作,由于每個(gè)組學(xué)生基礎(chǔ)水平不同,進(jìn)展不同,遇到的有各有各樣的問(wèn)題,由于老師不能實(shí)時(shí)觀察到每個(gè)組的情況,就得不到反饋,不能及時(shí)解決遇到的問(wèn)題,從而影響到教學(xué)效果。采用自制信息共享儀器,就可以讓老師隨時(shí)觀察,指出每個(gè)組的問(wèn)題,引領(lǐng)學(xué)生更好更快地完成實(shí)驗(yàn),提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率,營(yíng)造良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。
2、獲得合適儀器精度、讓教與學(xué)配套,改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境
絕大部分的應(yīng)用型本科院校要進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),就要購(gòu)買(mǎi)該物理實(shí)驗(yàn)的儀器,會(huì)在儀器生產(chǎn)廠家間進(jìn)行招標(biāo),購(gòu)置標(biāo)準(zhǔn)儀器。由于這些標(biāo)準(zhǔn)儀器的設(shè)計(jì)者并不是使用者,沒(méi)有深入到物理實(shí)驗(yàn)課堂中,不清楚物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求,就造成不能夠完全站在使用者的角度上進(jìn)行設(shè)計(jì),這些儀器很好,但與要求的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度不同,與所教授的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不能完全配套,這會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)造的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境是實(shí)驗(yàn)教學(xué)測(cè)量精度不夠,所教的與學(xué)生所使用的儀器并不配套。
我們可以通過(guò)自制儀器來(lái)解決,自制的實(shí)驗(yàn)儀器是高校根據(jù)自身需求、特色,可以說(shuō)是量身定做,因此教師在自主研發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器時(shí),在儀器精度方面,為避免出現(xiàn)精度不夠、數(shù)據(jù)結(jié)果有誤的情況,可根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求,通過(guò)理論論證、實(shí)踐操作儀器的精度和需要測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)反復(fù)論證和實(shí)踐總結(jié)出來(lái),就會(huì)得到最佳儀器精度和數(shù)據(jù)結(jié)果。在不配套方面,為滿足自身實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求,在自主研發(fā)儀器時(shí),將教學(xué)設(shè)計(jì)融入進(jìn)去,讓儀器本土化,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)??梢园褜?shí)驗(yàn)原理圖解加入儀器中,讓復(fù)雜的原理簡(jiǎn)單化,簡(jiǎn)單的問(wèn)題明了化,也可以讓儀器更加有整體教學(xué)演示性,更具有直觀性,學(xué)生可以掌握實(shí)驗(yàn)原理、直觀觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,快速操作得到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以徹底解決教與用不配套的問(wèn)題,創(chuàng)造更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。
(二)自制儀器能促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提高
1、激發(fā)學(xué)生好奇心和求知欲,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果
興趣是學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在積極因素,只要激發(fā)起他們做實(shí)驗(yàn)的興趣,就會(huì)以滿腔熱情,積極主動(dòng)投身到實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中來(lái),實(shí)驗(yàn)教學(xué)的氛圍就會(huì)一改往日的沉悶、死板,變得活躍、開(kāi)放起來(lái),實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果自然會(huì)好。
由于自制儀器所用的材料多來(lái)自學(xué)生的身邊,取材容易,制作簡(jiǎn)單,生動(dòng)有趣,能自然地引起學(xué)生濃厚的興趣,激發(fā)他們的探索欲望。而且實(shí)驗(yàn)一旦有所收獲,有所創(chuàng)新,有所前進(jìn),就能使趣味性更加穩(wěn)定,激勵(lì)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、不斷探索,繼續(xù)登攀。例如,在講授《情境演示實(shí)驗(yàn)》這一教學(xué)內(nèi)容時(shí),其中有個(gè)儀器實(shí)驗(yàn)原理為系統(tǒng)向能量低的方向演變,具體說(shuō)就是朝著重心降低的方向運(yùn)動(dòng)。在重力場(chǎng)中,重心較低的物體較穩(wěn)定,因此,該原理在生活中有很多應(yīng)用。比如:一般情況下體操運(yùn)動(dòng)員身高都比較矮,走鋼絲的雜技演員手持一鐵棒,以降低重心保持穩(wěn)定等。為讓學(xué)生掌握該原理,讓學(xué)生小組合作自己動(dòng)手制作一個(gè)儀器以實(shí)現(xiàn)小球從低往高處走,提供的實(shí)驗(yàn)器材很簡(jiǎn)單,取材容易,有兩根筷子、快遞盒(學(xué)生自己準(zhǔn)備)、小球和雙面膠。這比直接讓學(xué)生看實(shí)驗(yàn)室已有的《椎體上滾》儀器,更能激發(fā)起學(xué)生的好奇心和求知欲,因?yàn)檫@需要小組合作討論該如何實(shí)現(xiàn)這一看似反常現(xiàn)象。學(xué)生馬上就開(kāi)始動(dòng)手操作,組員討論得很是激烈,經(jīng)過(guò)大家努力和教師的指點(diǎn),最終大部分小組都做出了屬于自己的《球體上滾》作品,五花八門(mén)體現(xiàn)了大家的創(chuàng)意,教師總結(jié)失敗的原因以及改進(jìn)的思路作為這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)尾,學(xué)生在掌握實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理的同時(shí)還培養(yǎng)了創(chuàng)新思維,對(duì)實(shí)驗(yàn)留下了深刻印象,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果極好。
2、自制適合本校特色專業(yè)的儀器,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果
不是每一條河流都可以注入海洋,除非找到了適宜的道路;不是每一只鳥(niǎo)兒都能夠飛上天,除非它有一雙適合自己的翅膀;實(shí)驗(yàn)儀器也是如此,適合自己的才是最好的。為保證學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需要,為培養(yǎng)應(yīng)用型實(shí)踐創(chuàng)新專業(yè)人才,必須結(jié)合專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的特點(diǎn),自行研制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器,并不斷改進(jìn)、完善、提高自制儀器的功能,以服務(wù)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。
例如,針對(duì)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生,在《方波的合成》實(shí)驗(yàn)中自主研發(fā)儀器,有助于該專業(yè)學(xué)生將掌握的傅里葉級(jí)數(shù)理論知識(shí)用到合成方波實(shí)驗(yàn)中,讓理論與實(shí)踐相結(jié)合。
(三)自制儀器能提高教師的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力
1、重視物理實(shí)驗(yàn),提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力
物理實(shí)驗(yàn)教育事業(yè)的快速發(fā)展對(duì)教師的實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)能力和使用教學(xué)水平提出了更高的要求。提高教師的教學(xué)能力不僅需要教師不斷學(xué)習(xí)和掌握新知識(shí)和新技術(shù),還需要教師具備一定的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和教育教學(xué)研究能力。但由于目前應(yīng)用型本科院校還沒(méi)開(kāi)設(shè)物理專業(yè),物理實(shí)驗(yàn)課只是非物理專業(yè)學(xué)生的公共基礎(chǔ)課,相比專業(yè)課,受到的重視不高,投入的精力不夠,是造成教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力弱的一個(gè)外在原因。
自制儀器客觀上促使教師必須給與足夠的重視,為了設(shè)計(jì)出更加合理的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器,深入地了解大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)原理;為了獲得更高的儀器穩(wěn)定性能,必須去學(xué)習(xí)儀器的相關(guān)知識(shí)。例如,為了設(shè)計(jì)的《方波的使用》實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)合理,讓波形不會(huì)異常晃動(dòng),就需要教師去學(xué)習(xí)各種軟件和示波器的原理;為了體現(xiàn)人性化理念,就要深入到學(xué)生群體去,時(shí)刻關(guān)注到學(xué)生的需求,課后多與學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)操作心得,獲得儀器的不足之處,以對(duì)其有針對(duì)性的改進(jìn)。
2、開(kāi)展勞動(dòng)教育課,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)量是很多的,這些實(shí)驗(yàn)涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理等多個(gè)物理學(xué)科,取得的成果和所帶來(lái)的貢獻(xiàn),不僅是今天的物理研究領(lǐng)域所需要的,更是未來(lái)應(yīng)用型實(shí)踐創(chuàng)新人才所必須了解和掌握的。但目前應(yīng)用型本科院校在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)量上的形勢(shì)很不樂(lè)觀,表現(xiàn)在由之前的單獨(dú)開(kāi)設(shè)物理實(shí)驗(yàn)課程,轉(zhuǎn)變?yōu)樵诶碚撜n程中插入實(shí)驗(yàn)課,而且還在不斷壓縮實(shí)驗(yàn)課時(shí),實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)太少,涵蓋面不全,基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)尚且涵蓋不到,更何況講授探究性實(shí)驗(yàn),教師接觸到的實(shí)驗(yàn)少,是造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力差的又一原因。
短時(shí)間改變這一現(xiàn)狀是很困難的,但我們可以通過(guò)開(kāi)展勞動(dòng)教育課這種曲線救國(guó)的方式讓學(xué)生盡可能多接觸到物理實(shí)驗(yàn),開(kāi)展此門(mén)課程會(huì)使用到大量的自制儀器,這就需要教師必須要多接觸物理實(shí)驗(yàn),從中選擇適合該門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容供學(xué)生動(dòng)手操作。例如,為讓學(xué)生掌握液體壓強(qiáng)這一知識(shí)點(diǎn),可讓學(xué)生制作虹吸和陰陽(yáng)壺,教師提前要選好制作工具,經(jīng)過(guò)操作看實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?,虹吸看液體能否從低處往高處走,陰陽(yáng)壺看堵住不同的孔,是否流出不同的液體,不堵孔,兩種液體是否都流出。
三、結(jié)語(yǔ)
綜上所述,自制適合本校特色專業(yè)的儀器,既能改善大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境,還能促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提高,提高教師的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力,為應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)應(yīng)用型實(shí)踐創(chuàng)新人才,走出一條屬于自己的特色發(fā)展之路。因此,提倡和鼓勵(lì)教師自主研發(fā)儀器對(duì)應(yīng)用型本科院校的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著深遠(yuǎn)影響。
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作者簡(jiǎn)介:王璠(1992-),女,山西長(zhǎng)治人,碩士,講師,研究方向:物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。
基金項(xiàng)目:2022年度南昌工學(xué)院人文社科課題項(xiàng)目“自制儀器對(duì)應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響的實(shí)踐研究—以南昌工學(xué)院為例”(編號(hào):NGRW-22-12)。