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1、综合性设计性研究探索性综合性设计性研究探索性物理实验的教学探讨物理实验的教学探讨周殿清周殿清 李美亚李美亚 熊锐熊锐（武汉大学（武汉大学 物理科学与技术学院物理科学与技术学院) ).引引 言言 在课程体系上，打破了力热电光为序排课的旧程式，在物理实验中设置三个层次基础实验、提高型实验、研究探索型实验），以由低到高分层次递进模式推行系统实验技能训练和实验能力的培养.在教学内容上，大力引进新技术、新手段、新成果开出新实验，使物理实验紧跟时代发展而不断更新. 武汉大学物理实验教学中心近年来在武汉大学物理实验教学中心近年来在“ “激发兴趣、夯实激发兴趣、夯实基础、增强能力、探索创新的教学方针引领下，积
2、极改基础、增强能力、探索创新的教学方针引领下，积极改革实验教学：革实验教学：.在教学方法上实施“分段开放式和“自主开放式教学，以促进学生自主研究式学习。实验教学改革促进了物理实验课程建设、实验室建设和实验队伍建设，取得了一定的成果，得到了同行专家的好评，于2019年成功地跨入了国家物理实验教学示范中心的建设行列。本文结合我校物理实验课程建设的实践，就课程建设中有关综合性、设计性和研究探索性实验的安排、选题、内容设计及教学模式等问题，与同行们共同探讨。.主要内容：主要内容：一、课程总体安排及教学要求一、课程总体安排及教学要求 二、实验选题与内容设计二、实验选题与内容设计 三、研究探索性实验的基本
3、程序三、研究探索性实验的基本程序 四、教学模式与指导方法四、教学模式与指导方法 .一、课程总体安排及教学要求一、课程总体安排及教学要求 物理实验课程分为三大层次基础物理实验物理类和非物理类一、二年级 ）近代物理实验物理、电子类三年级 ）综合物理实验物理、电子类四年级 ） 依照依照“ “以学生为本，以激发学生兴趣为出发点，以基以学生为本，以激发学生兴趣为出发点，以基本技能训练为重点，以培养学生创新能力为目标，依循本技能训练为重点，以培养学生创新能力为目标，依循科学研究的规律、思维、方法为主线组织实验教学科学研究的规律、思维、方法为主线组织实验教学” ” 的课程设计思想，将综合性设计性和研究探索性
4、实验分的课程设计思想，将综合性设计性和研究探索性实验分别安排在物理实验课的三大层次中。别安排在物理实验课的三大层次中。. 根据根据“经典与现代相结合、基础与前沿相结合经典与现代相结合、基础与前沿相结合的原则，对基础物理实验教学内容进行调整和整合，的原则，对基础物理实验教学内容进行调整和整合，进一步优化了基础物理实验的选题，既保持了基础进一步优化了基础物理实验的选题，既保持了基础实验的基础性和物理内涵，同时又加强了综合性、实验的基础性和物理内涵，同时又加强了综合性、设计性实验方面的选题，保证了实验的先进性。基设计性实验方面的选题，保证了实验的先进性。基础物理实验教学分为三个阶段：础物理实验教学分
5、为三个阶段： （1基础物理实验基础物理实验 .第第第第3 3 3 3段普通物理实验段普通物理实验段普通物理实验段普通物理实验 主要安排综合、设计性实验主要安排综合、设计性实验主要安排综合、设计性实验主要安排综合、设计性实验占本层次题目的占本层次题目的占本层次题目的占本层次题目的90%90%90%90%）以启迪学生的创新意识，培）以启迪学生的创新意识，培）以启迪学生的创新意识，培）以启迪学生的创新意识，培养学生分析解决问题的能力和初步的综合实验能力。养学生分析解决问题的能力和初步的综合实验能力。养学生分析解决问题的能力和初步的综合实验能力。养学生分析解决问题的能力和初步的综合实验能力。第第2 2
6、段普通物理实验段普通物理实验 安排力热电磁光的基本实验安排力热电磁光的基本实验必做必做 12 12个和部分小型设计实验选做个和部分小型设计实验选做2 2个）个） 以以加强学生加强学生“三基能力和初步的设计能力训练三基能力和初步的设计能力训练. .第第1 1段普通物理实验段普通物理实验 其教学重点：其教学重点： 1 1测量不确定度及数据处理绪论课）；测量不确定度及数据处理绪论课）； 2 2安排力热电安排力热电 磁光的基本实验必做磁光的基本实验必做1212个、个、选做选做1 1）, ,要求学生掌握基本物理量的测量方法和常要求学生掌握基本物理量的测量方法和常规仪器的使用；基本实验技能训练和养成良好的
7、实规仪器的使用；基本实验技能训练和养成良好的实验习惯。验习惯。.本层次为提高型实验，包括十五个获诺贝尔物理奖实验和近几年增加的现代测试技术实验，并将本院的科研样品引入实验中。通过本层次的教学，使学生在掌握近代物理实验理论、方法和现代技术的同时，提高学生综合运用所学知识和技能分析问题、解决问题的能力。（2近代物理实验近代物理实验.综合物理实验开设大型综合物理实验，包括综合设计性实验7个专题和由我院的科研成果移植转化的研究探索性实验10个专题）。本层次的教学，以培养学生科学研究的思维方法和进行科学研究的能力为目标，采取专题研究的形式。通过本层次课程训练，培养学生初步建立创新意识，能利用所学专业知识
8、或查阅科技文献资料自主设计和制备实验样品、能寻找利用新的实验仪器与手段解决实验问题、能公开科学报告及论文撰写提交的综合能力，养成科学的实验习惯、实验室文化素养和团队协作精神。 （3综合物理实验综合物理实验.二、实验选题与内容设计二、实验选题与内容设计 综合性设计性实验是面向低年级学生开设的，题目的选择和内容设计是综合性设计性实验能否顺利开展的一个重要因素，如果实验要求太高学生会无力完成；如果太简单，则达不到培养学生综合能力的目的，实验条件也是一个需要考虑的因素。因此我们在设计实验题目时考虑了以下几方面因素：1.1.实验内容的渐进性和可操作性实验内容的渐进性和可操作性 .实验内容应具有一定的代表
9、性、综合性或研究性；从基本实验到设计性实验的过渡阶段，实验的难易程度要适中，否则学生的能力跟不上，难以完成，会影响他们的学习积极性和兴趣。实验内容的广度也要适中，使大部分学生能在规定的时间内完成；实验所用的设备大部分应是学生比较熟悉或有所了解的；实验内容的广度和深度可随课程层次递增。总之，实验内容要循序渐进，可操作性要强。.（1 1首先在基础物理实验第二阶段安排了一些与基首先在基础物理实验第二阶段安排了一些与基础实验内容有关的小型设计性实验。例如声速测础实验内容有关的小型设计性实验。例如声速测量实验，实验室只有测空气中声速的超声声速测量实验，实验室只有测空气中声速的超声声速测定仪，让学生自行设
10、计多种方法测水中声速。又定仪，让学生自行设计多种方法测水中声速。又如用迈克耳孙干涉仪测云母片折射率实验，先让如用迈克耳孙干涉仪测云母片折射率实验，先让学生根据原理提示自行拟定实验步骤测出云母片学生根据原理提示自行拟定实验步骤测出云母片的光学厚度，再要求学生用光学方法测量其厚度，的光学厚度，再要求学生用光学方法测量其厚度，从而获得云母片的折射率。这类实验与基础实验从而获得云母片的折射率。这类实验与基础实验相融合，难度不大，学生很容易进入角色，较快相融合，难度不大，学生很容易进入角色，较快地适应了设计性实验的实验思路。地适应了设计性实验的实验思路。基本作法：基本作法：.（2 2对基础实验中出现的问
11、题进行分析，提出解决对基础实验中出现的问题进行分析，提出解决办法，进行实验论证。如迈克耳孙干涉仪实验中办法，进行实验论证。如迈克耳孙干涉仪实验中有的仪器在扩展光源照明下出现椭圆干涉条纹或有的仪器在扩展光源照明下出现椭圆干涉条纹或类似双曲线的干涉图样，让学生分析原因并进行类似双曲线的干涉图样，让学生分析原因并进行实验验证，是否分束板装反了？或者补偿板与分实验验证，是否分束板装反了？或者补偿板与分束板不平行所致？若结论是后者，则要求学生设束板不平行所致？若结论是后者，则要求学生设计方法校准两者的平行度。计方法校准两者的平行度。（3 3对基础物理实验第三阶段安排的综合性设计性对基础物理实验第三阶段安
12、排的综合性设计性实验加大了内容的深度和广度。实验加大了内容的深度和广度。. 2. 2.综合性实验的选题应体现实验内容的综合性实验的选题应体现实验内容的综合性和实验方法的多元性综合性和实验方法的多元性 例如，物质折射率的综合测量实验，要求学生利用实验室现有设备，自选方法测量多个样品三棱镜、双棱镜、玻璃砖、平板玻璃、液体材料、玻璃衬底介质膜的折射率。其实验方法涉及应用折射定律、反射定律及全反射，通过准确测量角度来求折射率的几何光学方法如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位移法），以及利用光通过介质或由介质反射后，透射光的位相变化或反射光的偏振态变化与折射率密切相关的原理来测定折射率的物理光学方法如
13、干涉法、偏振法等），并且可选用多种方法对同一样品进行测量。.又如液晶相变及其光学特性实验，其实验原理涉及液晶的特性、相变知识和偏振光的干涉原理，如若让学生自行制作液晶加热器和控温与数显装置，还涉及电子技术、温度传感器等相关知识。. 3. 3.设计性实验的选题应体现实验内容的设计性实验的选题应体现实验内容的探索性和实验方法的多样性探索性和实验方法的多样性 例如:全息光栅的制作实验实验要求：(1)设计制作空频为线对/mm和20线对/mm光栅各一块。(2)制作100线对/mm，102线对/mm的复合光栅。(3)制作20线对/mm的正交光栅。(4)自选方法(两种以上)测出自制全息光栅的空间频率并与设计
14、值比较之。.本实验要求学生实验前设计好光路，由于学生可以采用多种光路来实现两平行光束的干涉，且获得平行光的方法和途径有多种，因而，不同的学生可以采用不同的途径和方法达到同一实验目的。平行光的质量是决定所制全息光栅质量的关键之一，需要学生首先思考平行光的质量的影响因素，然后选择相关元件、组成光路产生高质量的平行光，并设计方法加以检验。根据实验设计所要求的光栅空间频率值，求出入射到全息干板处的两平行光束的夹角，根据所采用的光路测量其夹角，并调整到符合要求。通过光路调节使两平行光的质量相同，光束强度比为1：1。.实际拍摄全息光栅时要控制好曝光时间和显影时间，这是实验能否成功的又一关键。需要学生掌握相
15、关技术。获得全息光栅后，要求学生选用不同方法测定光栅常数，并与设计值比较，当两者的值差别较大时，需要通过分析找出原因比如是光栅常数的测量有问题，还是摆光路时测量夹角的方法有问题？）再重新实验；还有当所获得的光栅的质量不好时，比如光栅衍射后0级两边的谱线分布不对称，或者不能同时聚焦清晰的原因分析。诸如此类的问题需要学生思考，需要学生找出实验过程中出现的问题，通过分析比较，反复尝试、实验论证并加以解决。.4.4.研究探索性实验选题体现实验内容的研究探索性实验选题体现实验内容的系统性、交叉性和研究性系统性、交叉性和研究性 面向高年级学生开设的研究探索性实验，大都由科研项目移植转化而来。每个实验是一个
16、研究探索专题，其内容一般涵盖两个以上二级学科，使学生在实验样品制备、加工、微结构与形态表征和常规物理参量测试等各环节得到综合训练，并在实验研究中给学生留有大胆设想、探索的空间，以培养学生科学研究的能力。这类实验的内容体现出如下特色：.（1 1反映科学技术前沿的内容。如反映科学技术前沿的内容。如“光子晶光子晶体的设计与干涉制备体的设计与干涉制备”、 “磁性颗粒在液磁性颗粒在液体和外场作用下的自组织行为体和外场作用下的自组织行为”、“低维低维导体相变及非线性输运行为导体相变及非线性输运行为” 等实验。等实验。（2 2反映交叉学科的内容。如利用物理学的反映交叉学科的内容。如利用物理学的原理、化学分析
17、的方法，生物学标记为目原理、化学分析的方法，生物学标记为目的设计了一个跨学科的实验：的设计了一个跨学科的实验：“微流控技微流控技术在细胞标记和选择中的应用术在细胞标记和选择中的应用”。. （3反映现代先进的应用技术和测量技术。如实验样品制反映现代先进的应用技术和测量技术。如实验样品制备采用激光溅射、磁控溅射、离子注入、晶体生长等应用备采用激光溅射、磁控溅射、离子注入、晶体生长等应用技术；微结构与形态表征采用技术；微结构与形态表征采用XRD、SEM、AFM、正电子、正电子湮没等表征技术；以及应用热分析、数字化采集记录光子湮没等表征技术；以及应用热分析、数字化采集记录光子信息、超快激光下材料的非线
18、性吸收等测量技术。信息、超快激光下材料的非线性吸收等测量技术。 这类实验采取专题研究的形式，体现了研究性实验的系这类实验采取专题研究的形式，体现了研究性实验的系统性，有利于学生统性，有利于学生“理论知识的交叉融合、实验技能的综理论知识的交叉融合、实验技能的综合运用、实验步骤的连续递进、研究思路与方法的有机结合运用、实验步骤的连续递进、研究思路与方法的有机结合合”。 .三、研究探索性实验的基本程序三、研究探索性实验的基本程序 1.选题选题 研究探索性实验与基础实验不同，每个实验专题自成体系，但侧重点不同。例如研究探索性实验与基础实验不同，每个实验专题自成体系，但侧重点不同。例如“全息干涉法制备全
19、息干涉法制备光子晶体实验其内容侧重于光学，而光子晶体实验其内容侧重于光学，而“凝聚态物理电磁性质实验侧重于物质的基本结构和物理性质，凝聚态物理电磁性质实验侧重于物质的基本结构和物理性质，“金属体材及纳米薄膜材料的制备、表征和性能金属体材及纳米薄膜材料的制备、表征和性能” 实验侧重于材料的制备和应用。原则上每个学生只可实验侧重于材料的制备和应用。原则上每个学生只可能先选择一个专题实验，因此如何选择一个合适的实验项目非常重要。学生必须在充分了解每个实验的侧能先选择一个专题实验，因此如何选择一个合适的实验项目非常重要。学生必须在充分了解每个实验的侧重点的基础上，结合自己的专业兴趣以及以后毕业论文的方
20、向挑选几个实验，与相应指导教师充分交流，重点的基础上，结合自己的专业兴趣以及以后毕业论文的方向挑选几个实验，与相应指导教师充分交流，最终选择好要做的实验项目。最终选择好要做的实验项目。. 2.实验准备实验准备 研究探索性实验是由各学科的最新科研成果转化而来，研究探索性实验是由各学科的最新科研成果转化而来，其知识背景有可能涉及到研究生甚至更深层次的内容，例其知识背景有可能涉及到研究生甚至更深层次的内容，例如凝聚态物理电磁性质实验涉及到低维系统的电子结构特如凝聚态物理电磁性质实验涉及到低维系统的电子结构特征，导体和半导体的电导机制，热输运机制以及相变机制征，导体和半导体的电导机制，热输运机制以及相
21、变机制等。因而，学生选择好实验项目后的最重要内容就是与指等。因而，学生选择好实验项目后的最重要内容就是与指导教师深入探讨该实验涉及的相关知识。在开始实验前，导教师深入探讨该实验涉及的相关知识。在开始实验前，既要阅读相关的专业书籍和相关的文献资料，又要在充分既要阅读相关的专业书籍和相关的文献资料，又要在充分了解知识背景的基础上，明确实验的重要性和目的要求，了解知识背景的基础上，明确实验的重要性和目的要求，设计出比较合理的实验程序、可行的实验方案。设计出比较合理的实验程序、可行的实验方案。. 每个实验专题涉及大量的实验仪器，其中甚至包括每个实验专题涉及大量的实验仪器，其中甚至包括一些大型的现代仪器
22、。对于参与综合物理实验的学一些大型的现代仪器。对于参与综合物理实验的学生来说，仪器设备的操作过程并不是最重要的，而生来说，仪器设备的操作过程并不是最重要的，而掌握该仪器设备的工作原理、科学内涵更显重要。掌握该仪器设备的工作原理、科学内涵更显重要。即利用该设备可以得到被研究对象的哪些信息，为即利用该设备可以得到被研究对象的哪些信息，为什么要得到这些信息，以及哪些因素可能会影响所什么要得到这些信息，以及哪些因素可能会影响所得到的信息的可靠性。得到的信息的可靠性。 3. 3.实验操作实验操作. 一些看似很简单但实际上要求非常细致的工作必须到位，例如，一些看似很简单但实际上要求非常细致的工作必须到位，
23、例如，“如何如何在非常小的样品上制作四探针测量所用的电极是在非常小的样品上制作四探针测量所用的电极是“凝聚态物理电磁性凝聚态物理电磁性质实验中非常重要的环节，良好的欧姆接触是实验结果的准确可靠前质实验中非常重要的环节，良好的欧姆接触是实验结果的准确可靠前提。提。 实验过程中要学会发现和提出问题。研究性实验中会遇到各种问题或困实验过程中要学会发现和提出问题。研究性实验中会遇到各种问题或困难，比如电荷密度波晶体样品的制备，制作工艺升温和降温曲线的难，比如电荷密度波晶体样品的制备，制作工艺升温和降温曲线的设计不合理，或者实际操作的某些失误都可能得不到晶体样品，这就需设计不合理，或者实际操作的某些失误
24、都可能得不到晶体样品，这就需要学生通过对比分析，找出问题并加以解决。要学生通过对比分析，找出问题并加以解决。.实验总结是研究探索性实验的重要环节。包括两个层次的内容。第一个层次是撰写实验报告，这是实验总结的基本层次，包括实验目的、实验过程、结果的讨论，以及误差分析等等。第二个层次是在完成实验报告的基础上，考察实验现象的物理本质，探讨自然界物理过程的规律性，思考科学研究的基本过程，并能按照科学文献要求的格式写出科研论文来。4.4.实验总结实验总结.四、教学模式与指导方法四、教学模式与指导方法 1.教学模式教学模式 基础物理实验实行基础物理实验实行“分段开放式教学分段开放式教学 即在学生完成必做的
25、基本实验后，再按普通物理实验一）（二）即在学生完成必做的基本实验后，再按普通物理实验一）（二）（三进行分段开放，开放的程度、方式、内容逐渐递进。开放实验的（三进行分段开放，开放的程度、方式、内容逐渐递进。开放实验的内容以综合性、设计性实验为主，实验题目由学生自由选择；完成一个内容以综合性、设计性实验为主，实验题目由学生自由选择；完成一个实验的时间只有周次限制，每周做实验的时间和次数不受限制，学生随实验的时间只有周次限制，每周做实验的时间和次数不受限制，学生随时都可做实验。实验的地点可以是实验室，需要时也可从实验室领取工时都可做实验。实验的地点可以是实验室，需要时也可从实验室领取工具箱在宿舍完成
26、部分实验内容。具箱在宿舍完成部分实验内容。. 综合物理实验实行综合物理实验实行“自主开放式教学自主开放式教学 其自主性体现在：其自主性体现在：从查阅资料、提出初步从查阅资料、提出初步方案到完善方案、实施和完成专题、以论文方案到完善方案、实施和完成专题、以论文形式写出总结报告这一全过程要求学生自己形式写出总结报告这一全过程要求学生自己动手。动手。实验时间可以自主安排，实验室对实验时间可以自主安排，实验室对学生全天候开放。学生全天候开放。教师定期组织学生进行教师定期组织学生进行小组讨论。学生通过完成一个大的综合专题小组讨论。学生通过完成一个大的综合专题实验实验36学时），达到全方位提高他们对所学时
27、），达到全方位提高他们对所学知识的综合理解和多种现代实验方法、现学知识的综合理解和多种现代实验方法、现代技术的运用提高他们的实践能力和综合能代技术的运用提高他们的实践能力和综合能力。力。.例如硅平面器件制作及性能表征实验要求学生在学院的微电子实践基地完成光电二极管和硅基太阳电池的制作。首先要求学生自己进行材料参数的设计，即如何选择衬底材料的导电类型、晶向、电阻率等,然后完成工艺条件的设计，并要求说明设计依据。原则上，只要他们设计的条件能形成PN结，教师都不作修改，因为他们自己设计的条件合适与否，从最终的测试结果可以进行分析和比较，这是在后续工艺过程中他们自己必须完成的工作。实验样品制作完成之后
28、，不仅要通过测试分析问题，而且还要统计成品率，这使得每个学生都能认真的对待实验工作，对自己的样品格外关心，也关注他人的工作结果，学生们都非常珍惜这样的机会，认为这是“大学中最有收获的一次实验”。.（1 1学生正式实验前检查实验设计方案，需要修改时用启学生正式实验前检查实验设计方案，需要修改时用启发式提问，启发学生自己修改方案。发式提问，启发学生自己修改方案。（2 2教师只提实验要求，不具体讲解实验和仪器操作；采教师只提实验要求，不具体讲解实验和仪器操作；采用用“交互式的教学形式，提倡师生之间，同学之间的讨交互式的教学形式，提倡师生之间，同学之间的讨论；定期组织实验小组讨论会。论；定期组织实验小
29、组讨论会。（3 3实验过程中贯彻实验过程中贯彻“启发式和启发式和“因材施教教学原则，因材施教教学原则，充分发挥学生主体作用。充分发挥学生主体作用。（4 4学期结束前一周，学生完成报告或论文后，以学术报学期结束前一周，学生完成报告或论文后，以学术报告形式进行分组报告。告形式进行分组报告。2.2.指导方法指导方法.在指导设计性研究性实验过程中，教师的作用非常重要，如何将科学研究的思维方法传授给学生，如何指导学生去发现、分析实验中的问题并激发其研究兴趣，是能否达到开设综合性、设计性、研究性实验目的的关键。在实验过程中，教师的作用是引导和解惑，特别是引导学生去思考和尝试。设计性研究性实验的教学对实验指
30、导教师提出了更高的要求，一方面教师备课时需要准备多种可选的实验方案，以备与学生交流讨论，对于实验中的一些关键性问题需要提出来让学生思考，包括实验仪器和涉及的物理原理；另一方面，在教学过程中，学生会问及很多相关问题，而且在实验进行过程中会出现许多不可预期的情况，因此教师的相关知识储备极其重要。.结束语结束语 总之，我们在综合性设计性研究探索性总之，我们在综合性设计性研究探索性实验的选题上把握实验内容的代表性、综实验的选题上把握实验内容的代表性、综合性、研究性；在教学实施过程中，把握合性、研究性；在教学实施过程中，把握合理安排、循序渐进的原则，较好地将教合理安排、循序渐进的原则，较好地将教师的指导与学生的自主学习结合起来，收师的指导与学生的自主学习结合起来，收到了良好的教学效果。到了良好的教学效果。 .谢谢大家！谢谢大家！谢谢大家！谢谢大家！.
