李潮锐,姚若河,何振辉,孙番典,杨 燕,皮飞鹏,苏成悦,蔡志岗,欧阳红群

(1.中山大学物理科学与工程技术学院,广东广州510275;2.华南理工大学电子与信息学院,广东广州510641;3.华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510631;4.暨南大学物理系,广东广州510632;5.广州大学物理与电子工程学院,广东广州510006;6.广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006)

开放式物理实验交流平台及教学辐射作用

李潮锐1,姚若河2,何振辉1,孙番典3,杨 燕4,皮飞鹏5,苏成悦6,蔡志岗1,欧阳红群1

(1.中山大学物理科学与工程技术学院,广东广州510275;2.华南理工大学电子与信息学院,广东广州510641;3.华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州510631;4.暨南大学物理系,广东广州510632;5.广州大学物理与电子工程学院,广东广州510006;6.广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006)

为了满足大学生多元化学习需要,目前高校物理实验教学内容丰富、教学形式多样,而操作简易化却使教与学双方部分忽视了物理实验的教学意义.基于“广东省大学生物理实验设计大赛”所构建的开放式物理实验教学交流平台与物理实验示范中心作用互补,在有效利用高校现有教学资源基础上,通过关注物理实验测量基本原理和实验物理相关性,促进实验教学方法改革,提高物理实验教学质量.交流平台超越《教育部高等院校物理实验基础教学示范中心建设标准》示范要求,教学受益面广泛,辐射“靶向”作用直接、明确.

物理实验;交流平台;辐射作用

1 引 言

《教育部高等院校物理实验基础教学示范中心建设标准》(下简称《建设标准》)中指导性地提出具有共性的实验项目、教学内容及实验技术,同时也鼓励根据不同时期和不同区域发展需要的个性化实验课程建设,强调物理实验平台的教学辐射作用.

《建设标准》中所突出的实验平台示范作用并非(硬件)实验项目或教学内容的简单复制,其真正意义在于通过(软件)教学技术和教学方法交流达到提高(区域)高校物理实验教学质量的目的.显然,校际间有选择地调研存在片面性和局限性,通常这种交流作用也仅仅是单向性.

《建设标准》中所强调的教学辐射作用侧重于物理学科本身.物理学既是一门基础学科又是一门实验学科,物理实验课程不仅是理工医等学科的必修课程,也是文商管等学科的本科课程.事实上,掌握物理实验原理是深入探索理工医科学问题的关键环节;理解物理实验思想、分析(技术)方法有助于文商管的信息数据发掘.相对于其他学科实验示范中心,物理实验平台(和实验课程)建设更需要体现物理跨学科教学辐射作用.

教学,即教与学.可以认为,物理实验基础教学示范中心必须实现“教”和“学”两方面的辐射作用,但是普遍关注的仅侧重于前者.因此,如何真正实现依照《建设标准》及相关评估指标而建成的物理实验平台(跨学科)教学辐射作用,依然是目前物理实验中心建设可持续发展的关键.

针对上述物理实验教学需要,近年来广东省物理学会通过“广东省大学生物理实验设计大赛”,同时结合省内高校物理实验中心的教学示范作用需要,逐步完善并构建了开放式物理实验教学交流平台,不仅体现了物理基础学科地位,也实现了物理跨学科教学辐射作用.

2 构建教学交流平台

为了满足大学生多元化学习需要,目前高校物理实验教学内容丰富、教学形式多样[1-4].然而,部分操作简易化(或集成化)的教学设备却使教与学双方都忽视了物理实验存在的价值和教学意义.物理量的基本特征是量级和量纲(单位),从而它也决定了物理测量所需设备类型及其测量精度;物理实验不仅关注测量不确定度和数据分析的物理原理,更需要消除测量对被测对象的干扰;为了保证实验测量科学性,需要对测量所用设备进行校准和标定.在目前物理教学实验基本采用成套设备(或操作简易化仪器)的硬件环境中,上述基本教学环节已被掩盖了.“广东省大学生物理实验设计大赛”针对以上问题,要求参赛大学生从一个实验项目中“了解—理解—掌握”实验的物理原理、技术方法和结果分析,感受物理实验的乐趣.

物理实验设计大赛命题不是本科教学项目的复制或简单拓展,而是比教学实验更关注实验的基本原理和物理本质.它采用指定题目的比赛方式,定位为与物理教学相互促进、水平难度适当、具有想象和发挥空间的命题,它既突出物理基础又充分体现物理学科的辐射作用.命题明确提出目标和指标,不限制技术方法,尽可能使参赛者能够运用热、力、电、磁、光等物理原理多种途径完成项目要求.每届大赛命题包括基础题和应用题,前者注重物理原理与基础知识的灵活运用,而后者侧重物理思想的实现.

物理实验设计大赛命题与本科课程实验项目的差别在于:

1)后者已提供了具体的实验技术方法且实验结果在误差范围内是确定的,前者实施方案不唯一也不存在标准答案;

2)后者可能侧重于物理研究的某一实验环节,而前者更关注物理现象观测分析的全过程;

3)学生可以运用热、力、电、磁、光等多种物理途径完成命题实验项目要求,从实验方法筛选优化过程中指导教师和参赛学生共同理解并关注物理实验相关性的重要性.

物理实验设计大赛全程包括“命题—参赛—评判(点评)—交流(研讨)”,每一环节都紧密结合着本科物理实验教学水平提高需要.

2.1 命题

以下为一个真实的课堂教学小故事.为了优化教学资源,教师利用“脉冲核磁共振实验”部分设备功能模块并增加边限振荡器组建“连续波核磁共振观测”实验.有学生刚进实验室便掉头往外走,边走边告诉教师:“上学期已做这实验了!”教师困惑:这实验项目是本学期才开设的.经过一番交谈教师才明白,该学生上学期已完成了“脉冲核磁共振实验”,当他见到实验桌上“似曾相识”的设备时,以为教学安排错误.随后教师向他讲解了连续波法与脉冲法的物理原理相关性及实验测量技术的共性.稍顿,学生才恍然大悟.

上述教学例子具有普遍性.在目前绝大多数实验教学环境中,除了多用电表、示波器等通用仪器外,基本上都采用冠以项目名称的实验设备(装置).因此,学生误解为针对每一实验项目需要各自专用设备,而忽视了实验测量的基本物理过程和物理量.这一教学例子对物理实验教学的启示:教学过程不能将实验项目独立授课,必须关注实验项目之间物理原理(或测量技术分析)的内在联系[5].物理实验大赛命题从发现这些具有普遍性的教学问题入手,注重学生运用热、力、电、磁、光等多种物理途径完成同一实验项目要求的动手能力,关注物理实验相关性的教学必要性.

实际上,大赛命题不仅关注每一实验项目自身的物理相关性,同时也关注每届大赛基础题与应用题之间、不同届命题之间的物理相关性.例如,2009年第10届“广东省大学生物理实验设计大赛”中基础题为弱磁场测量,而应用题为次声监测,事实上,采用弱磁场测量技术也可以实现对环境次声监测.运用多普勒效应是检测次声信号的有效方法,大家也已发现多普勒效应正是2010年第11届“广东省大学生物理实验设计大赛”的基础题.大赛每道命题都提供了展现实验的物理相关性的机会,它在不断地提醒高校物理实验教学不能将每个实验项目独立授课.

命题素材来源于教学启发和教学质量提高的需要,也是教与教之间交流的体现.

2.2 参赛

既然物理实验设计大赛命题不是本科教学项目的复制或者简单拓展,命题实施也不可能简单地照搬教学实验项目的技术方法.根据大赛命题要求,参赛学生必须在教师指导下通过关注实验的物理相关性,理解实验原理—分离测量功能模块—设计实验方案—评估实验不确定度—实施方案/组装实验—分析实验结果(数据),认真完成物理实验的全过程.

在课堂教学中,通常由于课时限制忽视了物理原理与实验技术(方法)的对应关系,事实上,大多数学生并不能很好地理解实验技术是如何实现实验理论条件(要求),从而也难以利用实验数据准确地描述实验的物理规律.通过参赛,指导教师可引导学生将命题分解为若干模块,进而要求学生针对每一模块寻找适当的技术方法;参赛组学生之间经过探讨、优化而形成最终实验方案.这一过程不仅使学生理解理论与技术实施的对应关系,也促进教师不断改进教学方法.

另一方面,在实验教学中,实验结果不确定度分析也仅仅是实验数据测量误差.测量对被测对象的影响、测量量标定(校准)等基本实验问题往往都被忽略了!近几年,大赛基础题已完成了包括微温测量、微小质量测量、微小位移测量、时间(精密)测量和弱磁场测量等实验命题,其主要目的在于引导物理实验教学过程关注测量干扰和测量标定的重要性.如果没有很好地解决这些问题,实验测量还有科学意义吗?

通过物理实验设计大赛,指导教师在与参赛学生(组)实验交流过程中,发现教学薄弱环节并不断更新知识结构,实现教与学双赢.因此,参赛促进教学方法改进,也提供了教与学、学与学之间实验探索交流.

2.3 评判(点评)

参赛作品的物理创新点是什么?这是每位参赛者必须回答的首要问题.物理实验设计大赛的参赛作品必须突出所运用的物理理论原理和实施技术物理原理,评判原则采用“物理原理”一票否决制.

参赛作品难以独创出新的物理原理,可以认为,作品所提出的实验方案是在已有的物理原理基础上进行“再创作及运用”.作品的实施技术方法也体现了参赛者对物理原理的理解和掌握程度,物理实验设计大赛中所谓“创新”可以理解为“创意”;作品方案也可能是在大量参考他人成果或文献的基础进行完善或提高,但作品的物理创新点必须具有原创性.

实验存在测量误差,需要对实验结果进行不确定度分析;实验测量技术(方法)也可能对被测对象产生影响.作品中必须对这两方面影响进行评估,但可以发现在实验教学过程中测量干扰往往被忽视了.甚至认为只要想尽办法实现测量并获得实验数据就已达到命题要求的错误观点.

必须认识到,物理测量的本质是物理相互作用的过程.2009年第10届“广东省大学生物理实验设计大赛”基础题弱磁场(小于1 m T)测量是一个很有代表性的物理测量实验命题.实际上,在选用电磁感应原理实施测量的实验方案中,只有少数参赛作品能主动意识到测量干扰并采用合理技术(方法)消除测量影响,提高测量准确性和科学性.必须强调,只有测量干扰远小于被测信号量才具有测量意义.当测量干扰足以破环被测对象的物理状态时,测量所得并非被测对象原状态的本征性质.

尽管物理实验设计大赛命题不是本科教学项目的复制或简单拓展,但基于大赛命题与物理教学相互促进、水平难度适当的定位原则,参赛作品质量既反映物理实验教学现状又隐含着物理实验教学水平提高的可能趋势.通过物理实验设计大赛促进高校物理实验教学,期望大赛优秀作品经过完善改进成为物理实验项目或拓展实验教学内容,从而有利于物理实验课程和物理实验教学平台建设可持续发展.

上述几方面的评判依据和对作品进行点评的侧重点不仅用于评价参赛作品优劣,更重要的是通过这一环节使参赛学生获得课堂教学之外对物理实验更深刻认识和理解.可以认为,评判(点评)更全面体现物理实验教学意义,进一步强化教与学、学与学之间实验交流.

2.4 交流(研讨)

大赛参赛者能够运用热、力、电、磁、光等物理原理多种途径完成命题要求.由于命题的实施方案并不唯一,通过现场展示交流不仅可以体现大赛的公平、公正,更能凸显参赛作品优点.

组织参赛经验交流研讨会不仅促进物理实验设计大赛可持续发展,也为大赛命题提供关注热点和素材.由于大赛命题比教学实验项目更关注实验的基本原理和物理本质,两者互为补充、相互促进.

通过参赛作品展示、介绍、答辩、交流和点评,不仅学生之间相互了解、相互学习,高校之间也借此机会交流了教学经验.显然,由于交流热点突出,与教学研讨会相比主题更加明确;因为交流范围广,较兄弟院校之间的参观调研更直接有效.竞赛使各方优点凸显,交流促进竞争,同时也是更上一层楼的推动力.

广东省物理学会委托中山大学于2010年3月举办了首届“广东省大学生物理实验设计大赛研讨会”.近年来参赛成绩突出的华南师范大学和深圳大学介绍如何在结合高校物理教学和实验创新教育过程中培养、指导学生参加大赛的宝贵经验.同时,物理学会竞赛工作委员会成员对大赛命题、评判原则进行了解读与说明,其目的是使省内高校更全面了解物理实验设计大赛,积极组织参赛并提交更优秀的参赛作品.

可以认为,“广东省大学生物理实验设计大赛”提供了一个开放式物理实验交流平台,在有效地利用广东省高校现有教学资源基础上,为省内高校物理实验的教与学、学与学、教与教之间架起了相互促进、共同提高的桥梁.其主要目的在于促进省内高校在物理实验教学方法交流,推动本科物理实验教学改革,提高物理实验教学质量.

3 体现教学辐射作用

由于不同高校的人才培养目标不同,基于《建设标准》所建成的实验中心在示范作用方面存在着局限性.事实上,《建设标准》中指导性地提出具有共性的实验项目、教学内容及其技术方法,为实验教学平台建设提供了一个教学环境的参照体系.尽管《建设标准》鼓励个性化实验课程建设,显然,它对区域高校的教学示范作用也较为微弱.唯有教学方法能够突破这些限制,实现物理实验教学辐射作用,但是《建设标准》未能对此提出具体的教学指南.

从现状看,示范中心侧重于教与教、教与学的辐射作用,对于学与学的辐射作用依然缺乏有效的实践途径和环境[6-9].基于物理实验设计大赛所构建的开放式物理实验教学交流平台与示范中心作用互补,不仅从实验教学方法上实现全方位教学辐射,同时也进一步扩大物理实验的教学辐射范围.

3.1 注重实验测量基本原理

虚构命题:在长1 000 mm、宽1 000 mm、深2 000 mm蓄水池中储水若干,要求测量储水深度(注:池体由大赛承办单位提供,池内没有刻度).

显然,这是一个简单命题,可以采用多种简易方法直接(准确)测量.基于物理实验大赛要求作品“性价比高”的评判指标考虑,(假想)参赛者可能利用自已身体作为测量仪器完成命题要求.

假想方案1:参赛者自建一个与命题相同的实验环境(如:池内没有刻度).步骤:1)储水若干;2)准确测量水深度;3)参赛者站立池中,用刚才测量数据“标示”处于水面的身体位置;4)完成一系列不同储水量的“测量标定”;5)采用数据拟合方法获得(在允许范围内)任一储水量的“人体刻度”,或反之.参赛.

假想方案2:参赛者借助精密仪器对自己身体(高度)进行“准确标定”.参赛.

这2种方案的错误是显而易见的,它们忽视了测量对被测对象的干扰问题.笔者曾多次在学生首次进入物理实验室的课堂讨论中,通过这一虚构实验提醒学生关注物理测量的科学性.

实际上,上述虚构实验是对微温测量、微小质量测量、微小位移测量、时间(精密)测量和弱磁场测量等大赛命题中所出现的测量基本问题的提炼和简化.

不同高校物理实验教学内容(项目)和教学技术(设备)各有特色,但在教学方法上关注类似测量干扰则是具有共性的物理实验教学问题.物理实验教学交流平台将这些教学问题隐含于大赛命题中,其目的在于提醒各高校在教学技术不断更新的大环境下更需要引导学生理解实验物理原理,通过点评、研讨等教学交流共同提高物理实验教学质量.

物理量的基本特征是量级和量纲(单位),从而它也决定了物理测量所需设备类型及其测量精度;物理实验不仅关注测量不确定度和数据分析的物理原理,更需要消除测量对被测对象的干扰;为了保证实验测量科学性,需要对测量所用设备进行校准和标定.

3.2 关注基本物理现象

依照本科物理实验课程教学大纲,学生可完成若干实验项目,这是横向学习的教学安排.物理实验设计大赛则要求学生“了解—理解—掌握”实验项目(命题)的物理原理、技术方法和结果分析全过程,它为学生提供纵向学习的实践机会.由此再一次体现,物理实验教学交流平台与物理实验课程在教学方法上具有互补作用.

大赛命题期望通过一个简单物理现象(过程),让学生体验物理实验的乐趣和感受成功实验的快乐.由于物理实验设计大赛面向全省高校(包括非物理专业)本科生,大赛命题所关注的基本物理现象必须具有普遍性和可操作性.

2000年混沌实验观测是一个很成功的命题个案(注:承办单位是华南师范大学).

混沌作为一个基本物理现象,它存在于许多学科领域.尽管混沌“知名度”颇高,但依然过于抽象,当时也缺乏成熟的教学设备,命题能很好地作为课程内容的补充.大多数参赛学生带着好奇完成命题要求.进入决赛的参赛队伍不管是对产生混沌的实验条件、混沌判据,还是作品中展现混沌的物理方法,都将物理实验设计大赛宗旨体现得淋漓尽致.

作品通过热、力(包括流体力学)、电(磁)、光等各种物理手段直观地展示混沌现象,特别是引入非线性力(力矩)的巧妙实验技术.可以认为,这一简单命题不仅显现省内各个高校的物理实验教学方法优势和不足之处,也为高校之间物理实验教学方法交流提供了实质性的切入点.

期待着2010年多普勒效应实验命题的精彩作品.

3.3 突出实验物理相关性

在物理实验教材和课堂教学安排上,基本采用以每一实验项目为单位的教学方法,也缺乏项目之间物理关联的教学交流(研讨).通常,学生也将每一实验为独立的知识点来理解和掌握.

采用冠以项目名称的成套化实验设备(装置),学生误解为针对每一实验项目需各自专用设备.上面“核磁共振实验”例子对物理实验教学的启示:教学过程必须关注实验项目之间物理原理(或测量技术分析)的内在联系;将实验整体分离为若干功能模块,并理解它们之间因果关系;功能模块重新组合可组建新的实验内容(或拓展).

物理实验设计大赛通过命题传递了这些教学要求的重要性.2009年基础题弱磁场测量技术也可用于应用题环境次声监测,它们之间不同之处仅是直流与交流之分.尽管多普勒效应也是检测次声信号的有效方法,但在2009年大赛作品中却被忽视了.2010年提出多普勒效应实验命题的原始意图是:

1)期望有参赛队伍能结合2009年次声监测来完成这一命题,使参赛学生及指导教师领会到在实验教学中关注物理相关的重要性;

2)作为一个基本物理现象,用于许多领域的理论和实验研究;

3)从不同领域的多普勒效应作品中,寻找2011年大赛命题的实验物理相关性切入点.

3.4 体现跨学科辐射作用

物理实验设计大赛面向全省高校在校学生,旨在培养大学生对物理学和物理实验的兴趣,提高学生的创新意识、知识综合运用能力和动手能力,既有效地扩大物理实验教学受益面,又体现了物理的基础学科地位.随着大赛规范化和紧密结合实验教学改革的命题模式逐步完善,参赛院校逐年增加,学生参赛规模逐年扩大.为了进一步扩大参赛规模和提高参赛作品质量,部分省内高校除了参赛动员之外,还通过举办校级物理实验设计大赛或校内选拔赛优选出省级参赛队伍.由于大赛注重物理基本原理,定位为与物理教学相互促进、水平难度适当的命题模式,资料显示,尽管只有少数非物理专业学生作品进入决赛,但在校级赛或选拔赛作品中可以发现包括理工医、文商管等专业本科生参赛.特别是,物理与非物理专业组合也体现了以物理为基础、学科知识互补的教学需要.

大赛应用题除了注重物理基本原理外,近年来主要关注环境(检测)监测,其中包括电磁辐射、水位检测、次声监测、大气尘埃颗粒度等实验命题.参赛学生可以通过这些命题了解物理学科对科技和社会发展的积极推动作用,理解、体会物理实验跨学科教学辐射作用.目前针对交叉学科的物理实验教学实验项目依然缺乏,物理实验设计大赛为这一教学内容改革提供了前期探索.

4 结 论

经过15年来不断探索,“广东省大学生物理实验设计大赛”在省内高校已有相当大的影响力,各院校学生参与物理实验设计大赛的积极性很高.随着参赛院校逐年增加,学生参赛规模逐年扩大,大赛宗旨得到充分的体现.基于物理实验设计大赛所构建的开放式物理实验教学交流平台与示范中心辐射作用互补,在有效利用广东省高校现有教学资源基础上,通过关注物理实验测量基本原理和实验物理相关性,促进实验教学方法改革,提高全省高校物理实验教学质量.

由于全省高校参与,物理实验教学交流平台辐射作用广泛,成果“靶向”作用直接、明确.更重要的是,通过这一交流平台引导实验课程建设关注物理实验对其他学科的原理性作用和交叉渗透,同时也吸收其他学科对物理实验教学要求,有效促进省内高校本科物理实验课程改革和教学平台建设的可持续发展.

超越《建设标准》示范要求,通过这一交流平台扩大物理实验教学受益面和体现物理实验在交叉学科的教学意义,从而实现交流平台跨学科教学辐射作用.

[1]孙腊珍.大学物理实验的研究式教学——培养大学生创新能力的有效途径[J].物理通报,2007,(4):10-12.

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[责任编辑:尹冬梅]

Open platform for teaching physics experiments

L IChao-rui1,YAO Ruo-he2,HE Zhen-hui1,SUN Pan-dian3,YANG Yan4,PIFei-peng5,SU Cheng-yue6,CA IZhi-gang1,OU YANG Hong-qun1
(1.School of Physics and Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China;2.School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China;3.School of Physics and Telecomm unication Engineering,South China Normal University,Guangzhou 510631,China;4.Physics Department,Jinan University,Guangzhou 510632,China;5.Physics and Electronic Engineering Institute,Guangzhou University,Guangzhou 510006,China;6.Faculty of Physics and Op toelectronic Engineering,Guangdong U niversity of Technology,Guangzhou 510006,China)

It is required to extent and upgrade the teaching content of physics experiment as the demand from most of students and the imp rovement of scientific technology grow s.But the teaching significance of experiment is partially ignored due to use of some easy operating equipments.An open p latform,based on the Design Contest of Physics Experiments for Students in Guangdong,is built up not only to so lve this experiment teaching p roblem but also to demonstrate the dom inant ro le of physics experiment.The correlativity of physics experiment isemphasized w ith reasonable teachingmethod and technique.The performance on effective learning and choice teaching isobviously p romoted.The result from teaching and learning p ractice indicates that the role of open p latform is dominant almost everyw here and exactly p rovides the teaching guidance fo r subjects beyond physics.

physics experiment;open p latform;dominant role

G642.423

B

1005-4642(2010)11-0015-06

“第6届全国高等学校物理学实验教学研讨会”论文

2010-06-13

国家基础科学人才培养基金条件建设项目(No.J0630320);国家基础科学人才培养基金能力提高项目(No.J0730313);中山大学实验室开放基金项目(No.KF200934)

李潮锐(1962-),男,广东汕头人,中山大学物理科学与工程技术学院副教授,博士,从事凝聚态物质光电性质及其材料合成动力学研究.