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1、学生主导型物理实验与学生综合能力培养学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索的实践探索1南京大学物理学院南京大学物理学院 高文莉高文莉2016年年7月月 青海青海 西宁西宁鸣溅叮苔彬撩含草衡毯偿厦阻上椭腆忘茨抗忱唯具庄佰宏赵越问蝶裁康继学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n综合能力是一个比较宽泛的概念，包括研究(创新）能力，表达能力，沟通能力和领导力等, 从学生培养的的角度看，研究能力是极其重要的一个方面，其主要包含两部分：n 一、提出问题的能力n 二、解决问题的能力n现在的大学教育偏重于后者，即学生的知识储备、分析问题、解决问题的
2、能力。n物理实验也是这样，从形式看，物理实验可以分为如下三类：2实验教学的一些思考现状与目标翟苫班埂扰摹谁撅息跟杀稚高股镐赵析攀佩荣砒沼翔微嵌泼琢悬谴擦令萧学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n一，基础和综合实验，一般给学生实验内容、实验方法、实验仪器，让学生按要求完成，这主要培养学生的基本实验方法、仪器的使用和动手能力等。n二，设计性实验，给学生实验要求，一定范围给定实验仪器，由学生自己思考如何完成实验任务，这可以培养学生综合运用所学知识的能力。n三，研究性实验，老师给学生一个想法或一个方向，由学生自己准备器材、摸索实验方法，让学生学习
3、和体会用实验方法研究物理现象和规律，进而建立新的物理概念，同时形成良好的科学素养和科学研究的协作精神。3实验教学的一些思考现状与目标聋硅萨姬累零谷伤远妖蹲婆痴铱矢躲单筹宁肋韵置斋桶欺链组万狂衰昌腊学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n从这些实验看，有一点是相同的，就是实验题目或问题来源于教材、实验室和老师，学生自主完成空间上有所不同，基本上属于分析问题和解决问题能力培养的范畴。n让学生能够发现问题、提出问题这在当今高校人才培养已经开始重视，是学生研究（创新）能力的一个重要方面。n著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道在2010年首届“创新中
4、国论坛”上指出“要创新，需学问；只学答，非学问。要创新，需学问；问愈透，创更新。”4落遣诫睁斜厕瘸慢锈危轩途挤吝悸区畴佣耪殃擞快惟勾棱姑古疽赘萤竞翘学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索卡文迪许实验室（英国剑桥大学物理系）卡文迪许实验室（英国剑桥大学物理系）集集科科研研教教学学于于一一身身，大大学学实实验验室室的的典典范范，是诺贝尔奖得主的摇篮是诺贝尔奖得主的摇篮(28(28位诺贝尔奖得主位诺贝尔奖得主) )麦克斯韦麦克斯韦(1831-1879)(1831-1879)JamesClerkMaxwellJamesClerkMaxwell 第第
5、一一任任实实验验室室主主任任麦麦克克斯斯韦韦就就学学生生实实验验有有自自己己独独特特的的主主张张：“实实验验的的教教育育价价值值，往往往往与与仪仪器器的的复复杂杂性性成成反反比比，学学生生用用自自制制仪仪器器，虽虽然然经经常常出出毛毛病病，但但他他们们却却会会比比用用仔仔细细调调整整好好的的仪仪器器，学学到到更更多多的的东东西西。”虽虽然然质质朴朴，但但这这种种理理念念形形成成了了卡卡文文迪迪许许实实验验室实验教学的精髓。室实验教学的精髓。卡文迪许实验室的启示黔祁欢赂尹交气频椎痕捶题聊购随寥狰港那员过霉钵芝宿超胞搅荔亏妆片学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综
6、合能力培养的实践探索n基础与创新不矛盾。传统教学不等于按部就班，卡文迪许教学实验室就是创新培养的经典。n创新不是发现前所未有的新事物，而是学习发现新事物的能力。创新不神秘，有系统性的方法，是可以训练的。n做研究是一种态度和方法，是理论联系实际，综合运用知识的能力，不是只有前沿尖端才有“课题”。从小学生到博士生都可以做研究。n研究（创新）型人才：要能发现问题，解决问题，综合、灵活地运用知识，以科研的方式进行实验，甚至在知识体系不完备的情况下进行摸索，做出理解与判断。实验教学的一些思考创新理念坯节贴套建凯褪擅莱牵山例求份饼乏烂汰吐界盅哮瞥三耿碾扔梅牧邦挺屏学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践
7、探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索实验教学的一些思考关于方法n学习过程是演绎还是归纳？推理还是实证？ 知行还是行知？n发现的过程和学习的过程有时候是相反的。 学习过程也要部分的颠覆逻辑顺序。n做法：将课程从理论先于实验的演绎式的逻辑体系解放出来，发展学生归纳式的学习能力与经验，要求学生在知识体系不完备的情况下，通过自学或摸索理解物理现象，培养跳跃式的学习能力。模拟科学发现的过程。 永堂托丧扬箔耐榔坏馈缕馏油善揭棒质狈梅哄客贞铝蹋折乓试酉语酶臃叹学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索 课程设置与四个培养阶段实验基本能力的培养实
8、验基本能力的培养 大学物理实验大学物理实验 （一）、（一）、（二）（二）创新研究意识的培养创新研究意识的培养 大学物理实验（三）大学物理实验（三）学生主导型研究性物理实验学生主导型研究性物理实验综合实验能力的培养综合实验能力的培养近代物理实验（一）、(二)科学研究能力的培养科学研究能力的培养 近代物理实验研究性实验，物理实验南京大学教学模式探索驯法帘预轴赛逻涝呜落姿蛊庞据牺询诬栈遁氰绦泣征钡流没牺铰贞捧泄畸学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n“严”指构筑基础阶段，在低年级学生做实验时培养学风端正、思维严谨、操作规范、技能扎实的基本素养，
9、接受科学思想和研究方法的严格训练。即便在此阶段也提倡“两少”“两多”： 少讲解，少示范，多摸索，多指导（针对具体同学，因人而异）n“放”是指对高一级学生给予较多的自由空间，进行主动探索，引导学生以科研的方式进行实验。 “在错误中学习，在行动中成长”n“带”主要是请一批高水平的学术骨干教师指导实验课题研究，通过言传身教把学生逐步带入科学研究殿堂。 实验教学三部曲 ：“严” “放” “带” 烟割态揩扳疤院蜜铆革恼块回侥瘁帐关堤痰媒拍花最拎荐泪笔禄成怒息翱学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n具体说来，把大学二年级下学期开设的物理实验在教学模式
10、上进行了改变，将课程分为两个阶段，让学生实验模拟科学研究的过程，要求自主完成一个自己提出的实验研究课题。n第一阶段，六周时间，学生自主选择并完成感兴趣的实验项目，激发兴趣，唤醒好奇心，培养发现问题的能力 具体而言，课程开始时由教师对本课程近30个物理实验给学生逐一简要介绍，让学生从中选择并完成2-3个自己感兴趣的基本实验。在此阶段，给予学生较多的自由空间，让学生根据实验要求，进行主动探索，引导学生以科研的方式进行实验。10学生主导型物理实验主导型物理实验模式探索握箍耽曰肾棘唤锨掂巢还侩叼净嗣叛菌忌涩偶艾碑盗半虱转疹毕妒方绍群学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生
11、综合能力培养的实践探索 开设这几个基本实验的目的不仅仅是要求学生独立完成实验，更重要的是学生要在实验过程中注意观察，寻找并发现一些自己觉得有进一步研究价值的现象。同时，指导教师除了一些必要的注意事项外，尽量少讲解，少示范，多和学生进行启发性的讨论，引导学生去观察、分析、思考，激发学生的主动探索意识，唤醒他们的好奇心，培养他们发现问题的能力。11学生主导型物理实验主导型物理实验模式探索侩慰卓危店矾父赎炎稍可怯灶捍斩擅拈瘟轻薪钧织婶祸吻娄哎愈复蜡舱橱学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索 n 第二阶段，在第一阶段基础上，学生自己提出并完成课题，
12、在期末参加公开答辩。 完成基本实验后，要求学生在此基础上或自己的学习生活中发现问题，提出自己的实验研究课题，并设计合理的实验方案，自主完成该课题。除此以外，课题也可以是学生理论课程中或平时看文献资料时想到的问题，可以是演示物理实验中的现象研究，可以是与物理相关的来自生活中的有兴趣的问题的研究。对课题，首先明确学生的创新课题及实验完成与实际意义上的创新要求是不同的，具体说来只要是自己现有的认知水平突破即可。一个好的课题可以是有新的思想、方法、可以是物理知识的合理灵活运用、可以是有较多的设备和自制器材使用，也可以是若干实验失败的总结和结论12学生主导型物理实验主导型物理实验模式探索殿缮每樊慰啡律樱
13、琶烈呜咎禹的贿轨窑邦厚浪缚会彝藐寄茹抵对掳漆讽耀学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n 该课程有一支由教授领衔的具有学术背景的主讲教师队伍。教授们利用自己的科研经验给出建议、看法，引导学生体会科学研究的过程。考核采用课程论文答辩形式。完成课题过程中，让学生处于主导地位，包括实验课题的提出，文献、资料的查阅，实验方案的设计，实验设备条件的准备，实验论文的写作以及论文的交流和答辩。n这样，通过模拟科学发现的真实过程，引发学生的科研兴趣，培养好奇心和观察力以及发现问题的能力，发展学生归纳式的学习能力与经验。13学生主导型物理实验主导型物理实验模
14、式探索撑派括厢铸忌监绕搅蝉币式姨鲸诲浩卤峭榨径萨彤哄闺漂金望仓谭弃题康学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n从实践情况看，这样的教学模式对学生是一个挑战，由于知识和实验条件、器材等局限，选择一个可行并能完成的课题学生需要花费较多的时间，有时几乎在一个学期中反复摸索才能确定一个课题，然后需要用双休日加班加点连续实验，完成课题和课题论文，通常结果可能还是初步的，好的课题可以在暑期和下个学期进行提炼和完善，这样一个过程，学生们普遍感觉是“痛并快乐着”，而老师和实验室主要提供指导和开放。n我们看到，若干年后，学生对物理实验记得最清楚的正是这样一个
15、实验。14枉汁超禄纂滑弦伯刚寞壳氏矗吴萌啮乓览潍淌甩姻戍喜啡桶贩丫和唉鹃姓学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生课题案例我们选择从迈克尔逊干涉仪实验为例。这是一个光学测量实验，在教材上，主要有三个内容：1.测量激光的波长2.测量钠光灯双黄光的波长差3.测量玻璃的折射率。学生从该实验可以拓展出那些课题。15脚歉翠开学驴歧寻棺魔肆徒双不侈出航腔居乘臂极窝窝署嘘烘引屎掐湿安学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索课题1：补偿板与干涉条纹n迈克尔逊干涉仪中补偿板的作用是补偿两相干光束因通过分光
16、板次数不同而引起的附加光程差（特别是对复合光）. 做该实验时有意地去掉补偿板, 讨论在单色光照射时产生干涉条纹会发生什么变化？得到的如图结果，通过分析和计算机模拟, 得到了与实验完全相符的结果. 16滓卜对锈莽抱臂疟秸筛鸭恃霖嫂专续痊创卵将杯徊屉证团嫂苗锯栽现凿倘学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索课题2 测量厚透明材料折射率n物理实验课程中，迈克耳逊干涉仪测量玻璃折射率主要是利用出现白光干涉条纹的零光程条件由放入玻璃片前后出现白光干涉条纹的位置，得到相关的光程n测量厚透明固体折射率，用白光调节出干涉条纹难度很大，由于折射率与波长有关，要
17、求待测样品要尽量薄为解决这局限，提出采用半视场法。n半视场法用激光为光源，在光路中一半视场放入平行待测材料后，调节反射镜，视场两边对应的干涉条纹出现条纹陷入和涨出，当合成为圆时如图可以得到相关的光程差。17邯瘤睦田秆搞疤修韶举零买稳荐涕房莉召渐牌薯愈呸耸彤湛精籽首胆表瓷学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索课题3 重建蜡烛火焰温度场n空气温度不同，折射率将发生变化，从折射率的变化经过定标可以得到温度分布，选择蜡烛火焰作为实验对象,研究周围温度变化，应用阿贝尔变换法和环带法, 对轴对称温度场进行定量计算. 计算时通过噪声处理, 低通滤波, 获
18、得二值化后的图像，从而得到的温度分布如图。18襟划糯假产遮邢棘万纷疡纸幽砧运狂趟冗居砸牙浩纺桶孩蒋捎峭札函涸粟学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索课题4：空气折射率与压强的关系研究 迈克尔逊干涉仪由于样品空间的限制，不方便在光路中加入其它仪器。学生自行组建的M- Z 干涉仪测量空气在不同压强下的折射率，主要用于测量气体等大面积区域中折射率的微小变化. 而且光路在研究容器中只经过1 次, 这使得该区域的光程变化显得很直观。得到下图的压强与折射率关系。然后从经典的电介质理论对空气折射率产生原因进行了分析。n压强与折射率的对应关系19屁悦肄纬州
19、托侵葱孰聂车副爷闻绘杭蛇血旅毁函俘熄恿诣奶膘穆益娩悦缘学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索课题5：测量铝薄膜的轴向应力 这也是一个从迈克耳逊干涉仪实验拓展出的课题，应力是薄膜制备和生产过程中存在的普遍现象, 薄膜应力产生的原因有2 个方面:一是由于薄膜和基底的热膨胀系数不同而引起的,称为热应力;一是由于薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的,称为本征应力，实验采用迈克尔逊干涉仪变形结构（如图）测量其力应变和热应变，对测量的结果进行了拟合。20克吟廷奔闽腮狈倦呵乓轨吼锻烘易缩裹嚷耕蕊痰汁分桔锯料雅子发喂谓厉学生主导型物理实验与学
20、生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索课题6：溶液中溶质扩散的研究n这是一个现在没有成功的课题 。 n课题想法：溶液的折射率与溶液的成分和浓度有关，迈克耳逊干涉仪能测量折射率的变化，可以用来进行溶质扩散的研究。学生在该课题研究过程中，解决了图像变化的获取，而样品盒中三维扩散信息的提取困难，自己制备的二维扩散样品盒（相当于薄膜），材料平整度、平行度等效果差，使得未能取得预期的结果，这样的课题我们也给予鼓励。21镐衰娶蔷锈孝熏守弟景党柴驻冻妨踩膝蕴一卓船水躯通颈喘崭息绅沧遗刺学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索
21、n十多年来，在这样一种实验教学模式的探索中，我们看到，虽然有些课题最终看起来似乎简单，实际上是同学多次反复、多次提炼和修改获得的，是付出了大量精力后的结果。从统计看每届近300名学生中，有10%左右的学生课题有新意，花费时间是远远多于课程给定时间，40%同学比较好地完成了整个过程，20-30%基本上是应付。实验室老师工作量也有比较多的付出。22扰鸽烦舔桑薄镍海绩癣郭迷乎校盖缅岸某往影赂悯戈匿扦浑弄贯脏偶踞识学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索n复杂的自然现象及事物是可以被“理解”的。在课本上从来体现不出一个公式或推论有多么神奇，因为还未曾
22、用过它去预测自然。看到自己的理论模型和实验结果十分吻合，实际上是相当震撼的一件事。n小瓶小罐小物件搭建的实验系统也能做出大文章。n学生的综合能力，包括研究能力，表达能力，沟通能力和领导力等，得到不同程度的提高。学会讨论，倾听和尊重；学会阅读、批判和欣赏；学会写作，如何概括、提炼、陈述、总结；学会表达，掌握时间和要领，简单清晰地传达思想等等。23谈感想与收获：学生获益好奇心与创造力凭昂困幻粪泣伦酵开帘滇扶帮沪雷祥雀爵戏佳亡球乒咕溅院雇绸旦鹤味舟学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索 谢谢！娱境故睡续炼淳炬三塘恃怒段吾皱我拯祖樱初捐戮彬雾鸵株内漳狗辨刷法学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索
