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眾所周知,利用單擺可以準確地測定各地的重力加速度。根據(jù),有,只需測出擺長l和周期T,便可求出重力加速度。為了減小測量誤差,就必須減小擺長l和周期T這兩個測量量的誤差;同時需要多次測量重力加速度取平均值。如用傳統(tǒng)的實驗儀器和方法,不太容易提高其準確度,且計算量特別大,需要實驗結(jié)束后用計算機器才能完成。若用DIS實驗室完成該實驗則輕松容易得多,只需準確地測量出擺長,數(shù)字采集器可自動測量出單擺的周期,點擊一些按鈕便可實現(xiàn)計算重力加速度、描繪T-l圖像和T2-l圖像等功能。
1 器材
計算機、DIS數(shù)據(jù)采集器、光電門(時間傳感器)、細線、金屬擺球、鐵架臺、米尺。
2 裝置
用金屬球與細線組成單擺,用鐵架臺懸掛起來。將光電門固定在單擺球平衡位置的下方,使擺球的中央恰好擋住光電門的光束。將傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連,數(shù)據(jù)采集器與計算機相連,裝置如圖1所示。
3 步驟
1)打開“友高數(shù)字化實驗室V3.3”,依次點擊“物理實驗”“單擺”“實驗窗口”按鈕,進入單擺實驗窗口,出現(xiàn)圖2所示界面。
2)用米尺測出擺長l,填入“擺長”的大窗口中。
3)讓擺球擺動起來,擺角要小一些(最好不超過5°),擺動盡可能處在與光電門的光束垂直的平面內(nèi)。
4)單擊“開始采集”,則表格中逐次顯示出連續(xù)測量到的周期T值和它們的平均值。
5)單擊“停止采集”,然后單擊“記錄數(shù)據(jù)”,則當前的一組l、T值(平均值)就會紀錄在表格中。
6)多次改變擺長,重復2、3、4、5步驟,公測出不少于6組l、T值(平均值),也會自動記錄在表格中(擺長要在0.5~1.5 m范圍內(nèi)取值)。
7)單擊“計算T2”,則表格“T2”欄中就會出現(xiàn)一個根據(jù)每一個T值計算出的結(jié)果。
8)單擊“計算g”,則表格“g”欄中就會出現(xiàn)一個根據(jù)每一組l、T值計算出的結(jié)果,以及這些個g的平均值。
9)單擊“保存表格”,將表格保存到“實驗報告”中。
10)選定“T-l”圖像,單擊“畫點”,則坐標中出現(xiàn)表格中各組l、T對應的數(shù)據(jù)點;單擊“數(shù)據(jù)點連線”,則依據(jù)這些數(shù)據(jù)點畫出一條曲線。單擊“保存圖像”,將圖像保存到“實驗報告”中。
11)選定“T2-l”圖像,單擊“畫點”,則坐標中出現(xiàn)表格中各組l、T2對應的數(shù)據(jù)點;單擊“數(shù)據(jù)點連線”,則依據(jù)這些數(shù)據(jù)點畫出一條直線。單擊“保存圖像”,將圖像保存到“實驗報告”中。
12)完成實驗報告,單擊“存盤”,則會自動形成一個Word文檔形式的實驗報告。
筆者應用DIS完成“單擺”實驗的數(shù)據(jù)表格及圖像分別見表1和圖3。從實驗結(jié)果不難看出,相對誤差很小,僅為0.2%,并且將學生從繁瑣的計算中解脫出來。
4 思考與探究
一、常見問題
問題1:實驗總量過大和超大班額實驗
由于新課標的啟用,教材明顯增加了探索性實驗的比重。以選修3—4為例,共選錄了15個分組實驗。而我校的實際情況是:高中每年級16個教學班(下期新高一將招30個教學班),每班平均82人。
這就帶來了一個實驗總量過大和班級人數(shù)過多的問題。這個問題,不僅我校存在,周邊的其他縣市學校也存在。
問題2:學生實驗操作能力參差不齊,其中農(nóng)村籍女生較為薄弱
我縣地處涼山,全縣人口42萬人,絕大部分為農(nóng)村人口。城區(qū)內(nèi),共有三所中學(兩所單設中學,一所高完中)。所以許多學生都為鄉(xiāng)下初級中學畢業(yè)。
由于城鄉(xiāng)教育資源的不平衡,所以同一個班級的學生,實驗操作能力參差不齊??h城中學畢業(yè)的學生,操作水平明顯好于區(qū)鄉(xiāng)學生。相比較而言,他們動手能力較強,往往成為實驗操作的主角。與之對應的是,來自區(qū)鄉(xiāng)的部分學生,特別是一些女生,對器材有一種恐懼心理,生怕把東西弄壞了,不敢動手,在實驗中自己主動承擔起記錄員的職責。
問題3:不重視實驗數(shù)據(jù)的處理和應用
在實驗中,許多學生沒有處理實驗數(shù)據(jù)的習慣。他們往往只注重操作,只注意實驗的表象,而不會去考慮為什么,以至于走馬觀花,實驗等同于玩耍,這種現(xiàn)象在三類班(慢班)中比較明顯。
問題4:仍存在一定的實驗安全問題
實驗安全包含兩部分內(nèi)容:一是儀器安全;二是人員安全。
由于生源結(jié)構導致學生的操作水平和實驗習慣不同,加之班額過大,高中的許多實驗還要同市電打交道。所以,一不注意,就容易發(fā)生狀況,出現(xiàn)一些意想不到的事故。我校就曾經(jīng)出現(xiàn)過這樣的事情:在高中電學實驗中,學生把導線直接插在實驗操控臺220V交流插孔中,再用手按在1.5V小燈泡兩端,所幸在講解過程中操控臺還未供電,才未造成安全事故。
問題5:教師的實驗素養(yǎng)仍有待提高
近年來,由于學校擴容,新招錄教師較多,他們的實驗操作能力和實驗素養(yǎng)水平,還有待提高。
上述學生所表現(xiàn)出來的許多問題,實際上反映出我們部分教師,特別是區(qū)鄉(xiāng)教師,實驗素養(yǎng)方面出了問題。
二、應對策略
1.合并實驗或多分實驗小組,有效解決實驗總量大和大班額實驗的問題
我校作為縣級高完中,只配有三間實驗教室,兩名實驗員。卻要完成全校66個教學班的物理實驗,其難度可想而知。當然,這涉及財政和教育經(jīng)費等方方面面的問題,是政府層面的東西,不該我們考慮。作為實驗室工作人員,我們要考慮的是,在目前現(xiàn)有條件下,如何盡可能地解決這兩個問題帶來的難題。
對于實驗總量過大,我認為只有從相近或耗時較少的實驗入手,采取合并的辦法。如力學中《單擺的周期和擺長的關系》同《用單擺測重力加速度》;《光的折射定律》和《測玻璃的折射率》可合并在一起操作。電學中《多用表的使用》和《等勢線的描繪》等用時不多的實驗,則可相機加入其他實驗一并解決。
至于大班額實驗的問題,唯一的辦法就是多分實驗小組。在實驗過程中,我校將學生分成了三十二個實驗組,保證2~3人一組,從而讓學生有更多的動手機會。
2.后進學生尤其是女生應給予鼓勵輔導,并強化訓練
對于優(yōu)勢學生,一般不需做過多的關注,他們有什么問題,經(jīng)舉手后稍加點撥即可。
對于后進學生,特別是一些不敢動手操作的女同學,則應多加鼓勵,并抓住分組的機會,有意單獨把她們分在一起。并且,同類型小組,盡可能靠在一起。一是讓她們沒有等靠的機會;二是有利于教師輔導。在實驗過程中,輔導教師要多關注她們,多停留在她們身邊,多給予鼓勵、輔導。
當然,必要的強化、培訓必不可少。時間就放在:(1)第一次力學實驗,重點是刻度尺的讀取姿勢和如何估讀。(2)第一次電學實驗,重點是①如何接線;②不帶電操作;③變阻器的分壓接法。一般一兩次實驗后,絕大部分學生都會融入實驗小集體中,積極參與。
3.重視“實驗報告”,規(guī)范學生實驗習慣
實驗數(shù)據(jù)的處理和實驗安全方面的問題
反映出部分學生在初中學習階段的實驗習慣和實驗素養(yǎng)方面出現(xiàn)了偏差。
一次完整的實驗,包括“觀察、操作、記錄、分析、整理”五個步驟。
為了防止學生“重過程,輕總結(jié)”的現(xiàn)象發(fā)生,必須嚴格遵守實驗報告的總結(jié)制度。
實驗報告作為對所做實驗的總結(jié)性報告,它包含“實驗題目、實驗目的、實驗器材、實驗過程、記錄表格、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論”七個方面的內(nèi)容,如果沒有前面的規(guī)范操作、細致的觀察、正確的記錄,就無法完成分析處理數(shù)據(jù),得出結(jié)論的最終目的。
所以,指導和督促學生完成實驗報告是幫助學生理清實驗思路,強化實驗動手能力,規(guī)范實驗習慣,糾正實驗中不良傾向的必要手段。有助于學生實驗
操作能力和實驗素養(yǎng)的培養(yǎng)。
4.對實驗教師重新定位,改變物理教學現(xiàn)狀
物理教師可分為任課教師和實驗教師兩類。實驗教師作為專任教師,有義務協(xié)助任課教師完成實驗教學。
而我縣的實際情況是:全縣九所單設中學(其中兩所高完中),外加十所附屬初中班。設有專職實驗教師的只有我校(物理2人,化學2人、生物1人)和縣城的另一所初中(只有物理1人,40多個教學班)。其他學校的實驗室工作均由任課教師兼任,所以全縣的初中物理實驗教學有弱化跡象。
當然,這一方面是由于人員緊張,人手不夠造成的。但更深層次的東西,是學校和縣級教育主管部門對實驗室工作人員的定位有偏差。像我校(包括縣城另一所配有專職實驗教師的學校),就把實驗室工作人員定位于后勤人員,在評職、晉級、評優(yōu),包括績效工資方面對他們都不太公平,從而導致年輕教師不愿意從事實驗室工作。現(xiàn)有的實驗教師都是五十掛零,雖然都具有二十多年的實驗室工作經(jīng)歷,但經(jīng)驗有余,而精力不足,全縣的實驗教師已經(jīng)處于青黃不接的尷尬境地。
而作為任課教師,特別是區(qū)鄉(xiāng)教師,本來課程任務就重,加之沒有專人打理實驗室工作,他們不再有精力和心情去鉆研實驗教學,從而導致實驗用口講,在黑板上“做”的事情時有發(fā)生。反映在學生身上,就是導線不會接、量程不會選、數(shù)據(jù)不會讀、儀器不敢碰、實驗報告不會寫。這才會有高中學生做電學實驗時,“敢于”把導線直接插入220V交流插孔中,用手按在1.5伏小燈泡兩端的事情發(fā)生。
一、物理實驗教學中要給學生自主空間
的認識論告訴我們,實踐是人類特有的一種有計劃、有目的變革客觀世界的活動,實踐是認識的源泉。教學必須有助于學生的主動實踐,滿足他們的實踐需要,保護和扶植他們主動學習的精神。在傳統(tǒng)的實驗教學中,教師為了順利完成知識內(nèi)容,讓學生在指令下機械地操作,使學生實驗流于形式,從而忽視了學生的親身體驗。因此,物理實驗教學過程中要給學生足夠的自主空間,滿足他們的實踐需求。
例如,在做研究單擺的實驗中,讓學生首先對不同的單擺分別測定30個周期的時間,通過學生的研討,發(fā)現(xiàn)問題:“單擺的周期為什么會有很多種結(jié)果?”。然后再讓學生進行討論并總結(jié)出原因:測量方法的不正確、擺長的不一樣等。通過討論,學生注意到了實驗中的細節(jié),這要比教師一味的講解效果好得多。學生只有主動地親身參與實驗教學,才能真正掌握實驗技能和方法,才能學會主動交流與合作,才能激發(fā)他們的好奇心與求知欲。
二、物理實驗教學要給學生合作空間
“學生實驗”是必做的實驗,著重培養(yǎng)學生實驗的基本素養(yǎng),要求學生通過實驗能夠形成比較規(guī)范的實驗報告。
驗證性實驗以檢驗已知概念或關系為主要目標,是一種步驟驅(qū)使的教學活動。通常,驗證性實驗的實驗器材、實驗方案通常由教科書、實驗手冊或教師給定或提供,在實驗過程中,學生按事先制定的步驟進行實驗,收集數(shù)據(jù)。學生在實驗過程中“按部就班”地操作,其智力活動水平相對不高。從教學設計的角度看,驗證性實驗更強調(diào)行為與規(guī)則的統(tǒng)一,它可以促進學生對物理學的理解,培養(yǎng)學生的物理實驗能力。
對于驗證性實驗,筆者認為不需要學生課前做許多預習,甚至可以不預習。根據(jù)驗證性實驗的特點,可由前后四人組成小組(一般是兩人一組的)當堂共同預習,事后再分組實驗。四人合作完成預習時間短、效率高。當然這種合作共贏的實驗方式需要一定的時間讓學生“習慣”。這種方式在保證學習質(zhì)量的前提下,更有減輕學生學習負擔的作用。例如:在學生實驗“驗證機械能守恒定律”中,就可以實踐合作與共贏的協(xié)作方式。由一名學生作為主講,其余三到四名學生旁聽補充,完成實驗猜想和實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗步驟的預習。當然,主講是誰由學生來負責沒有要求,都可以。在團隊中,是集體力量的體現(xiàn),可以的話主講要輪流負責。而教師在此過程中可以適當客串,當這個團隊有疑難無法解決,或是出現(xiàn)爭論時可以給予適當?shù)奶崾竞蛶椭?/p>
三、物理實驗教學要給學生創(chuàng)新空間
實驗創(chuàng)新不只是老師的事,更應該成為學生的一種能力,學生不是為了做實驗而被動地實驗。讓學生在實驗中體會到探究帶來的快樂與滿足感,這是老師在臺上如何精彩地演示實驗帶不來的。
例如:高中物理(新人教版)必修一第三章“相互作用”第四節(jié)“摩擦力”中,對于動摩擦因數(shù)只有數(shù)據(jù)沒有具體測量。如果在這里加上一個實驗,則更能體現(xiàn)新課改的精神:“自主、合作、探究”。實驗方案設計如下:
為了測定木塊與木板之間動摩擦因數(shù),利用以下器材:木塊、帶滑輪的木板、刻度尺、彈簧秤、秒表、砂桶與砂,請同學們設計實驗方案,并在課堂上展示各個實驗設計,并進行實驗,最后討論出最佳實驗方案。
21世紀需要的不是解物理題的機器,而是有創(chuàng)新精神和實踐能力的人。新人教版也在努力地實現(xiàn)這個目標。如果在教材中能更多地挖掘出好的實驗創(chuàng)新設計的內(nèi)容,讓學生能積極投身進去,中國何愁不能培養(yǎng)出自己的諾貝爾獎獲得者。
建議:新人教版可在每本教材后面安排一個探究性實驗專題。
關鍵詞: 大學物理實驗 應用型本科院校 教學手段
隨著我國國民經(jīng)濟快速發(fā)展和工業(yè)化進程不斷推進,地方經(jīng)濟對高等教育本科人才類型的需求趨向多元化,特別是對應用型人才的需求越來越大,高等教育正在從精英教育走向以培養(yǎng)應用型人才為主的多元化教育。這種形勢下,作為基礎實驗課的大學物理實驗應如何適應形勢發(fā)展呢?筆者作為有多學科背景(本碩博專業(yè)不一樣)的教學人員,在大學物理實驗教學實踐中有諸多體會,并對目前大學物理實驗教學中存在的問題和對策進行一系列思考。
一、對大學物理實驗和理論課教學進行整合同步,改變理論與實驗割裂的現(xiàn)狀
目前大學物理和大學物理實驗是兩門獨立課程,往往是同時開設的,造成很多實驗在做的時候,實驗原理在理論上還沒有學習,極大影響實驗效果。應根據(jù)大學物理課程的教學進度,調(diào)整大學物理實驗項目順序,讓大物實驗在該實驗涉及的理論講授后一周內(nèi)進行,使學生通過實驗及時驗證所學理論知識,同時用學習的理論解釋實驗現(xiàn)象,達到理論聯(lián)系實踐的效果。
建議本著教育以人為本的原則,將大學物理課程理論教學與實驗教學統(tǒng)籌協(xié)調(diào)安排,可能的話將大學物理實驗和理論課整合成一門課,實驗作為整個課程一個不可割裂的部分看待(就像其他課程一樣),有利于任課教師整體考慮理論與實驗的關系。
二、對大學物理實驗內(nèi)容、實驗管理方式、實驗教學方法和手段進行改革
1.實驗內(nèi)容改革
目前大學物理實驗項目較多,而學時一再壓縮,要想都做不現(xiàn)實。那么哪些實驗該做,哪些實驗選做甚至不做,才能達到最佳效果呢?教學實踐中應根據(jù)不同專業(yè)后續(xù)課程的需要,對大學物理實驗進行取舍。如對機械工程專業(yè)來說,力學類實驗最有用,應該都做,而像弗蘭克-赫茲實驗就沒必要做。對電子科學與技術專業(yè)來說,力學類很多實驗如單擺測重力加速度就沒必要做,而弗蘭克-赫茲實驗應該做。還有些實驗,如長度測量和誤差處理,應該所有專業(yè)都應該做,因為基本測量方法和誤差處理所有專業(yè)都會涉及,也是所有實驗的基礎。可以根據(jù)不同專業(yè)分成必做實驗和選做實驗,必做實驗是與本專業(yè)后續(xù)課程密切相關的,所以必須做,而選做實驗是學生根據(jù)個人情況有選擇性地做。具體是機械類專業(yè)力學類實驗全做,部分光學實驗如牛頓環(huán)測厚必做,電學和熱學部分實驗選做;而電子信息類專業(yè)電學和光學實驗全做,力學和熱學部分實驗選做等,總之大學物理實驗項目應充分征求各專業(yè)的專業(yè)課老師的意見,利用好有限的大學物理實驗學時,以做到學以致用。
另外大學物理實驗課程教學內(nèi)容應注重與最新科研、工程和社會應用實踐的聯(lián)系,融入科技創(chuàng)新和實驗教學改革成果。
2.實驗管理方式改革
目前我國應用型本科院校大學物理實驗課有規(guī)范化教學和開放式教學兩種模式。規(guī)范化教學是由實驗指導教師指導學生在規(guī)定的上課時間內(nèi)完成既定實驗項目;而開放式教學是將實驗全部擺出,學生根據(jù)自身情況預約時間選擇實驗項目到實驗室完成,實驗教師只在實驗室值班和答疑。目前大多數(shù)應用型本科院校由于人力物力的原因采用規(guī)范化教學;少數(shù)條件好的學校采用開放式教學。教學實踐中發(fā)現(xiàn)這兩種模式的單一采用已不能適應需要,應采用二者結(jié)合的方式。學生初學這門課的時候采用規(guī)范化教學,通過幾次規(guī)范化實驗課,讓學生掌握一些基本實驗技能、實驗方法與處理數(shù)據(jù)技巧,使其初步具有獨立操作能力。然后將部分實驗開放,由學生自由選擇項目做。如電學實驗,先采用規(guī)范化教學法,讓學生熟悉電流表和電壓表等儀器的用法,掌握基本技能,再采用開放式教學,將惠斯通電橋的應用、電表改裝及校準等實驗需要的儀器擺出,由學生選做。學生自己設計實驗方案,自己挑選儀器。這樣學生既受到規(guī)范化工程訓練,又提高學生物理學思維和獨立工作能力,為今后專業(yè)實驗奠定扎實基礎。
建議有條件的應用型本科院校的大學物理實驗室建立自己的教學網(wǎng)站,學生在網(wǎng)上根據(jù)每學期實驗設置情況選擇實驗項目和實驗時間,同時允許學生退選和補選實驗,給學生一定的回旋余地。學生通過網(wǎng)絡及時了解實驗成績,通過網(wǎng)絡社區(qū)與老師討論,這種“交互式”師生關系能充分調(diào)動學生的學習積極性和主觀能動性,激發(fā)學生對實驗的興趣,培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和能力。
3.實驗教學方法和手段改進
大學物理實驗要重視演示實驗的功能,增強學生的學習興趣。對一些實際生活中難以見到的物理現(xiàn)象,演示實驗能增強理論講授的說服力。而與生活生產(chǎn)密切相關的高科技含量較高的演示實驗對引導學生了解科學前沿具有重要意義。對一些不易實物演示的,則可通過計算機模擬,如微觀的、宏觀的、極慢的、極快的物理過程采用計算機進行逼真模擬,放大或縮小物理場景,將物理過程形象地展示在學生面前,使學生透徹理解物理本質(zhì)。建議教師自制一些演示實驗的工具,學校投入一定經(jīng)費購置一些演示儀器,供大學物理實驗教學使用。
大學物理實驗同樣重視仿真實驗,如用有關軟件模擬電場線,磁力線的分布,讓學生通過仿真實驗獲得對物理知識的感性認識。部分大學物理實驗還可考慮與專業(yè)實驗對接,如三線擺測物體的轉(zhuǎn)動慣量可以考慮和理論力學或者機械原理的有關專業(yè)實驗對接,以達到提高學生知識水平和能力的目的。
實驗數(shù)據(jù)處理和作圖是大學物理實驗中的重要環(huán)節(jié)。部分實驗數(shù)據(jù)繁雜,計算量大,手工繪圖粗糙,處理結(jié)果偏差較大,使學生花大量時間用于數(shù)據(jù)計算而忽視實驗本身的物理內(nèi)涵,本末倒置,因此建議在大學物理實驗教學中引入相關軟件,如Excel、Matlab或Origin用于數(shù)據(jù)處理和繪圖。
4.在實驗中引進物理學史教育
注意在大學物理實驗課中引入物理學史教育,可以受到良好的教學效果。做實驗時,介紹一下該實驗在物理學中的歷史地位和影響、最初思路方法、做該實驗的第一個科學家,道出相關理論的源流、發(fā)展、驗證和形成過程,激發(fā)學生好奇心和興趣,使下面的講解變得容易,實驗效果無疑非常好。同時通過物理學史的介紹將相關理論知識聯(lián)系在一起形成知識面,從而加深學生對理論知識的理解和掌握,對科學家事跡的介紹有利于培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度和嚴謹認真的科學精神。所以,大學物理實驗課中引入物理學史教育具有重要意義。
三、在大學物理實驗教學中貫穿安全教育和愛護設備教育
1.培養(yǎng)學生安全意識
安全意識是當代大學生的基本素養(yǎng)之一,但在大學物理實驗教學實踐中,發(fā)現(xiàn)很多學生安全意識淡薄,這一點在電學實驗中尤為突出。特別做交流電實驗的時候,有同學圖省事改動線路時不切斷電源,帶電操作,這是非常危險的事情,極易產(chǎn)生人身傷害。建議大物實驗時,把實驗安全問題放在首要地位,樹立學生的安全意識,告誡學生按照實驗規(guī)程操作。還有些同學紀律散漫,在實驗過程中打打鬧鬧,很容易跌倒,地上有開關,弄不好碰破了頭會導致人身傷害,所以在大學物理實驗教學的同時要貫穿安全教育。
2.培養(yǎng)學生愛護實驗設備、愛護公物的意識
在大學物理實驗教學中,發(fā)現(xiàn)很多同學對實驗設備不愛惜,如電學實驗中,個別人不按要求,將電壓一個勁兒往上調(diào),導致白熾燈燒掉了,還有個別同學野蠻操作,特別對示波器的探頭線,經(jīng)常硬拉強拽,造成不必要損壞。對導線的插拔有時不按照要求捏住根部進行,而是強拉線身,導致很多導線看似是好的,實際上已經(jīng)不導通了。
針對這個問題,應該對學生展開愛護實驗設備教育,在給學生演示示波器探頭線和導線插拔的正確方法時,嚴肅實驗室紀律和操作規(guī)程,讓他們明白只能將電壓調(diào)到實驗指導書允許的上限就不能再上調(diào)了,另外引導學生想一想,為什么現(xiàn)在實驗室的好多設備不能用,有那么多故障,是什么原因造成的?師兄師姐們過去是不是也像我們現(xiàn)在這樣不愛惜設備,導致現(xiàn)在很多實驗開展起來困難重重?如果我們繼續(xù)不愛惜實驗設備,那我們的師弟師妹們以后做這些實驗的時候不是情況更糟嗎?很多同學都表示一定要愛惜設備,不能給師弟師妹們留下爛攤子。
經(jīng)過幾次實驗時的安全教育和愛護設備教育過后,學生的安全意識有了明顯提高,操作設備溫柔多了,在做光學實驗的時候,都知道不能用手捏透鏡,收到良好效果。
四、在大學物理實驗教學中貫穿素質(zhì)教育和育人功能
1.組織紀律性、協(xié)作精神和團隊意識培養(yǎng)
大學物理實驗教學的根本目的是培養(yǎng)人,組織性、紀律性、協(xié)作精神和團隊意識是新時代大學生必備的素質(zhì),大學物理實驗教學中,發(fā)現(xiàn)不少學生組織性紀律性很差,協(xié)作能力很差,實驗前不預習,實驗過程中毫無頭緒,大聲喧嘩,實驗課遲到缺勤現(xiàn)象嚴重。教學實踐中,我通過班干部和部分同學了解到班上哪些同學學習比較認真,態(tài)度比較端正,指定他們擔任各個小組的組長,讓他們在實驗前督促同組人提前預習,來實驗室時互相提醒不遲到,實驗后及時寫實驗報告。另外指定動手能力比較強的同學輪流演示實驗,具體措施是自己主動報名加其他同學民主推薦,排定每次實驗演示的同學,這些同學在實驗前認真預習,吃透實驗精神,有什么問題在實驗前事先和我溝通,并且提前將實驗預做一下,總結(jié)出現(xiàn)的問題并準備解決預案。正式上實驗課的時候,讓這個同學演示給其他同學看,我在旁邊講解,提醒大家注意事項,以及可能出現(xiàn)的現(xiàn)象和解決辦法,在確認同學們都弄明白的情況下,讓他們2~3人一組分組實驗,實驗中出現(xiàn)的問題讓他們及時舉手向我提問,我及時幫他們觀察出現(xiàn)的問題,引導他們用書本上的理論知識進行分析,找出癥結(jié),并最終順利完成實驗。
2.規(guī)范性實驗報告和應用文寫作能力培養(yǎng)
實驗報告是對一項實驗工作做出規(guī)范的、全面的、實事求是的總結(jié),并以書面形式表達出來。撰寫完整規(guī)范的物理實驗報告是教學的重要環(huán)節(jié),也是當工科大學生的基本技能技巧。但在大學物理實驗教學實踐過程中發(fā)現(xiàn)很多大二學生居然不知道完整的實驗報告怎么寫,這些學生的實驗報告往往是將測得的實驗數(shù)據(jù)一羅列,就沒下文了:沒有分析,沒有結(jié)論,沒有思考。
針對這個問題我以“怎樣寫實驗報告”為題在實驗前給每個小組都詳細講解一遍:應該如何寫,包括哪幾個部分,要注意哪些東西,然后結(jié)合部分實驗報告進行點評。并且提醒同學們實驗報告是一種應用文寫作,以后工作中,還可能有類似報告要寫,雖然有所差別,但大同小異,套路是一樣的,今天寫實驗報告,將來在工程技術工作實踐中就可能要寫研究報告、工程技術報告,所以同學們要高度重視它,切實提高應用文寫作能力,為今后工作打下基礎。
經(jīng)過幾次大學物理實驗,學生的實驗水平明顯提高,一般問題都能自己解決,完整的數(shù)據(jù)表格也能輕松搞定,而且學生問的問題也上了檔次,實驗報告寫得越來越認真,圖表都很清楚、明顯規(guī)范。很多同學都表示通過大學物理實驗課,確實學到了不少東西,加深了對書本知識的理解,弄清楚了很多概念,而且改掉了過去散漫的作風,養(yǎng)成了嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度,提高了協(xié)作精神,團隊意識明顯提高,受益匪淺,達到了素質(zhì)教育的目的。
五、改進大學物理實驗考核體系
改進實驗考核方法,旨在提高教與學的積極性。目前大學物理實驗考核由平時成績與課期末考試成績兩塊組成。平時成績包括出勤率和實驗報告撰寫,期末考試成績《大學物理實驗(上)》是考核學生處理實驗數(shù)據(jù)方法的掌握,而《大學物理實驗(下)》是考核實驗原理,導致學生實驗過程中不認真對待,數(shù)據(jù)抄襲現(xiàn)象嚴重。不少同學在大學物理實驗結(jié)束后做專業(yè)課實驗,連萬用表都不會用。為了保證實驗課教學質(zhì)量,建議對《大學物理實驗(下)》進行實驗操作考核。抽簽決定考試項目并單人操作,當場評分。由于有期末單人操作考試的壓力,因此學生的實驗態(tài)度發(fā)生了根本性變化,由以往只注重實驗結(jié)果向注重實驗操作步驟及實驗報告轉(zhuǎn)變,態(tài)度積極認真,效果良好。
在對學生的考核上,強化平時成績,平時成績占80%,同時注重考查學生自學能力(預習報告,20%)、表達能力(數(shù)據(jù)處理和分析,20%)和操作能力(20%)??己朔绞匠P試、抽簽操作外,還應建立多元化實驗考核方法,如學生自制實驗器材的,或者改進實驗方案的都可以折算成平時成績的一部分,大大激發(fā)學生學習興趣和創(chuàng)新能力。另外為了提高學生實際操作能力,缺做實驗的學生允許補做或重做。
隨著時代進步和教育改革深化,大學物理實驗教學實踐中還會面臨更新形勢,還會遇到更多問題,但我相信,只要秉承一顆責任心,堅持教書的同時育好人的原則,遇到問題想辦法解決,甚至創(chuàng)造條件解決,就能不斷提高大學物理實驗的教學水平,推動大學物理實驗教學進步。
參考文獻:
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[2]陳冬穎,任紅.工科大學物理實驗教學改革研究[J].合肥學院學報(自然科學版),2007,17(4):81-83.
一、創(chuàng)設教學情境,激發(fā)學習興趣
恰到好處地設置教學情境,能夠較好地激發(fā)學生的學習興
趣和欲望,增強學生的學習效果,提高學生學習的積極性,同時還可以幫助學生在學習中克服疲勞和乏味,從而保持旺盛的精力與敏捷的思維,讓學生在愉快的氣氛中進行學習。在高中物理教學過程中,教師要根據(jù)教學內(nèi)容進行情境創(chuàng)設,激發(fā)學生學習物理的興趣。例如:在學習魯科版高中物理必修二第三章第三節(jié)“平拋運動”的有關內(nèi)容時,我利用問題創(chuàng)設教學情境,激發(fā)學生的求知欲。假如我讓你們水平射擊60米以外的靶心,你們覺得怎樣才能更好地瞄準靶心呢?是瞄準靶的上方、下方,還是中央呢?問題意境一提出,立刻引起學生的議論,同時也給學生留下一個想象的空間,然后我立刻轉(zhuǎn)入正題,為教學內(nèi)容的展開做了很好的鋪墊,使學生都急于想學習本節(jié)的內(nèi)容。
二、強化課堂實驗,激發(fā)學習興趣
物理是一門實驗性很強的學科,不論是物理概念的提出,還是物理定律的使用都離不開實驗。實驗對于學生理解物理概念和掌握物理知識都起著很重要的作用。利用課堂教學,適當創(chuàng)造條件讓學生自己動手操作物理實驗,讓學生感受那些奇妙的現(xiàn)象和充滿
奧秘的物理知識,從而激發(fā)學生學習物理的興趣。這樣不僅加深了學生對物理知識的理解和掌握,也使學生更好地體會到通過自
己動手操作、動腦思考、動嘴交流,獲得物理知識,從而感受成功的喜悅。例如,在做《用單擺測重力加速度》的實驗時,我是這樣設計的:(1)教師提出質(zhì)疑,引導學生思考:能夠測重力加速度的方法有哪些?(學生通過討論、歸納總結(jié)出:用單擺測重力加速度;根據(jù)自由落體運動測重力加速度;彈簧秤測重力加速度)。(2)教師繼續(xù)質(zhì)疑,引導學生比較:如果用自由落體運動來測重力加速度需要哪些實驗器材呢?彈簧秤測重力加速度需要哪些實驗器材呢?(3)引導學生分析在實驗過程中會受到哪些因素的影響?哪種實驗方式結(jié)果最準確呢?最后一致認為用單擺測重力加速度最準確、最簡
便。所以很快就被學生接受,然后積極展開實驗。從實驗的過程、大家臉上的笑容、忙碌的身影可以看出,學生的積極性非常高,實驗也做得非常成功。再如:在學習“落體運動加速度的研究”這一課題時,要求學生兩人一組,運用頻閃照相研究鋼球下落的加速度。學生自己動手進行方案的設計、裝置調(diào)試、標尺的制作、實地拍攝、照片的分析,寫出實驗報告等,這樣學生在實驗活動中扮演的是主角,他們以實踐者、研究者的身份參與教學,激發(fā)了他們的興趣,主動性得到了充分的發(fā)揮。
三、引入物理史料,激發(fā)學習興趣
物理發(fā)展史集中體現(xiàn)了人類探索世界和認識世界的歷程,物理知識和理論體系的建立都匯集了許多科學家的思想和研究
成果。
把物理有關史料引入教學中。通過對物理有關學史的回顧,讓學生了解物理學科發(fā)展的過程,懂得任何物理知識的獲得與科學
家們認真的科學態(tài)度和嚴謹?shù)闹螌W精神是分不開的。了解物理學史,對培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和創(chuàng)造精神有著重要的作用。
教師在實際教學中應該根據(jù)具體的教學內(nèi)容,選用適當?shù)奈?/p>
理學史材料,比如:在講解“牛頓第一定律”時,從古代希臘的哲學家亞里士多德如何對力的認識到伽利略怎樣進行想象的理想實驗以及推論,再到推出牛頓第一定律,其間經(jīng)歷兩千多年的歷史。通過這種方式不僅使學生了解了歷史知識,更激發(fā)了他們學習物理
的興趣。
四、突出物理知識的實用性,激發(fā)學習興趣
物理是一門實用性強且以實驗為基礎的學科,在教學中教
師應結(jié)合具體的教學內(nèi)容,突出知識的實用性,使學生充分認識到物理知識的重要性。在課堂講授中,教師應盡量列舉大量與課題相關的生活實例,向?qū)W生介紹現(xiàn)代科技知識。比如,在學習“向心力和向心加速度”時,引導學生聯(lián)想自己平時所看到的車賽,選手們在拐彎時身體是怎樣傾斜的情境,體會自己在騎車轉(zhuǎn)彎時又是怎樣
傾斜車身的;賽車時,為什么選手們經(jīng)常在彎道處翻車;汽車為什么在轉(zhuǎn)彎處應減速慢行等等。這樣既可以使學生的視野得以開闊,又可以培養(yǎng)學生的科技意識。在學習“牛頓運動定律”時,讓學生觀看我國系列,是怎樣發(fā)射火箭衛(wèi)星的;“神舟三號”宇宙飛船又是如何成功發(fā)射的。并指導學生閱讀“神舟三號”的有關詳細資料,通過這些科技資料,學生深刻體會到自己當前所學的物理知識與
高科技是密切相關的,從而激發(fā)學生強烈的求知欲。
總之,只有激發(fā)起學生學習物理的興趣,學生才能產(chǎn)生學習的動力,他們才會自覺、自主地學習,從而提高學習能力。
參考文獻:
[1]泥立輝.如何在物理課堂中激發(fā)學生的學習興趣[J].現(xiàn)代閱讀:教育版,2011(13).
“問題――解決”模式是美國教育界 20 世紀 80 年代首先發(fā)展起來的一種教學模式.它以問題解決為中心,注重學生的獨立活動,著眼于創(chuàng)造性思維、意志力和知識遷移能力的培養(yǎng).實施的關鍵在于突出學生的主體性,發(fā)揮教師的主導性.與現(xiàn)在提倡的探究式教學相吻合.借鑒我國有關學者的研究
對上述模式作如下解釋:第一步,根據(jù)教學目標、教學內(nèi)容、學生的心理特點和認知水平,設置貼近生活生產(chǎn)和學生實際、合理有效的問題情境,為學習或研究的問題的提出營造氛圍、奠定基礎.第二步,分析問題情境,從中提煉出需要學習或研究的真實的物理問題.第三步,學生根據(jù)問題的類型、性質(zhì)和已有知識與經(jīng)驗,依托教材,明確問題的條件,通過觀察、聯(lián)想、思維、討論等進行嘗試,形成解決物理問題的可行性方案.第四步,根據(jù)問題解決方案,理順問題解決的思路,運用分析與綜合、抽象與概括、歸納與總結(jié)等方法,經(jīng)歷解決問題的過程,使問題獲得解決,完成學習任務.第五步,通過應用、反思和總結(jié),檢驗、評價問題解決方法的科學性、全面性和推廣性,從而形成新的物理認知結(jié)構,真正掌握解決問題的科學方法并學會靈活運用.
一、“問題――解決”模式在物理實驗教學中的應用案例
1.學生實驗
在做學生實驗“單擺測重力加速度”時,常規(guī)的教學往往是先每個桌上放好實驗器材,老師給出實驗步驟及注意點,學生們按照步驟裝好器材,測量、計算、完成.我沒有按部就班,而是嘗試用“問題――解決”模式來上這節(jié)課.
一開始我沒有告訴學生們要做什么實驗,而是給他們5分鐘時間到實驗準備室尋找他們認為可以測教室里的重力加速度的器材(只要求記下器材名稱、數(shù)量等,但不要帶出準備室),學生們?nèi)ビ^察后經(jīng)過討論,給出了三種方法:一、使用彈簧秤和一個已知質(zhì)量的砝碼,用彈簧秤稱出砝碼的重力,利用G=mg就可算出;二、使用打點計時器、紙帶、重錘,利用打點計時器測出重錘自由下落的加速度,就是重力加速度g;三、使用小球、秒表、直尺,測出小球自由落體的高度和時間,利用h=gt2/2計算出重力加速度.學生們通過討論認為方案一最簡單,方案三由于自由落體高度低,時間太快,無法用秒表準確測量,誤差太大不具備可操作性.對于他們的方案我給予了肯定.通過短短的10分鐘,使學生們了解了今天要解決的問題,也明白了問題的解決有很多種途徑,使他們的思維活躍了起來.接下來我拋出了今天要做的實驗,告訴他們還可以用單擺來測重力加速度,學生們的興趣一下就來了.我沒有直接告訴他們怎么組裝一個單擺和進行測量,而是先讓他們復習單擺知識,然后給他們提供了一張表格(如下)、一個很小的鋼球、一個比較大的塑料球、一根約1 m的細線、一根約1 m的橡皮筋.
表1所需測量物理量測量工具如何減小測量誤差學生們通過討論很好的完成了表格,其實也就掌握了實驗原理及步驟.但接下來實際操作時問題又出來了,他們不知道該用哪些材料來做一個合適的單擺.我告訴他們可以自由組合然后嘗試一下,看能否很好的完成實驗.經(jīng)過嘗試學生們很快找到了合適的組合.加上我補充的一些細節(jié),學生們在極短的時間內(nèi)做完了實驗.最后我要求學生們通過討論來總結(jié)這個實驗的原理、操作步驟、以及誤差分析,完成實驗報告.
通過使用“問題――解決”模式進行學生實驗教學,擺脫了以往為了做實驗而做實驗的教學方式,也使學生對于實驗中存在的誤差有更直接的感受和理解,對學生的思維的訓練也更有效.
2.課外小實驗
在指導課外興趣小組時,我也嘗試了這種教學方式.在學習完電磁感應這一章內(nèi)容后,結(jié)合我國正在大力宣傳的節(jié)能環(huán)保理念,要求學生們4人一組自由組合,設計并制作一個微型手搖發(fā)電機,要求取材方便,結(jié)構簡單,并用表格的形式記錄所需器材和制作方法.剛開始學生們感到無從下手,我沒有直接告訴他們方法,而是和他們一起復習了電磁感應現(xiàn)象.復習后,學生們豁然開朗,紛紛討論起來,拿出了自己的設計方案.對于他們的方案我也沒有急于表態(tài),而是把它們拿出來全班討論,討論各個方案的可行性及可能遇到的問題.這給了學生們一個發(fā)表自己見解和接受別人建議的機會,增強了學生的交流能力.
經(jīng)過討論和修改,學生們開始找材料制作自己的發(fā)電機,但制作過程并沒有他們想象的那么順利,出現(xiàn)了各種他們沒有預料到的新問題.如,很多小組采用廢舊pvc管繞制線圈,然后放入強磁鐵來回搖動來獲得電能.但他們做好了開始搖晃時,并沒有看到小燈泡發(fā)出他們期待的亮光.看著學生們失望的表情,我沒有直接告訴他們解決的方法,而是指導他們一起分析可能的原因,如,發(fā)電機結(jié)構是否合理,小燈泡的規(guī)格是否合適.有學生立刻想到增加線圈匝數(shù)可以提高電動勢,還有的同學想到把小燈泡換成LED,可以降低驅(qū)動電流.在得到我的肯定后,學生們更改了他們的制作.當他們再次搖的時候,LED亮了一下,學生們興奮的呼喊出來,可是他們發(fā)現(xiàn)LED只是偶爾亮一下,大多數(shù)時候都不亮,但這時學生們不再象開始時那樣迷茫和無助,而是積極討論可能的解決方法,可是最后沒能解決問題.
這時候需要老師發(fā)揮指導作用了.我觀察后,認為是pvc管太粗,導致大量磁通量被抵消,使得線圈的磁通量變化率很小,只是有時候磁鐵的位置比較合適才使燈亮了,但我沒有告訴他們,而是給他們講了一個習題:圖2如圖2所示,兩個同心放置的同平面的金屬圓環(huán)
二、“問題――解決”模式在物理實驗中的教學策略
“問題――解決”模式在應用過程中要注意一些基本策略.
1.注重問題的選擇和呈現(xiàn)
在實驗教學中提供給學生的問題應當要容易被理解和接受,有一定的意義,否則無法引起學生的興趣.但也不能太容易,要符合維果斯基的最近發(fā)展區(qū)原理,讓學生感覺到研究的問題與學習過的知識有一定聯(lián)系,自己應該能解決,但似乎又沒有明顯的解決之道.這樣可以激勵學生跳一跳,摘到桃子.
2.注重問題的開放性
要能使問題產(chǎn)生新的問題或者具有拓展性,成為新知識的增長點.在本文的第二個案例中,筆者指導學生制作的手搖式發(fā)電機只是一個組成部分,接下來還安排了整流電路的學習及電能的儲存,整個裝置裝好后,可以替代干電池用在家庭遙控器、手電筒中,大大減少干電池的使用量,這樣不僅使學生學習到系統(tǒng)的知識,而且使研究具有了社會價值.
3.積極傾聽,重在引導
在“問題――解決”模式中,教師是學生學習的組織者、合作者、參與者,教師的作用在于引導.在這個模式下教師不是知識的權威,而是引領者,教師應當要放低姿態(tài),學會傾聽,感受學生失敗時的傷心和成功時的喜悅.把大量討論分析的機會留給他們自己,使每個人感受到自己和團隊的力量,使他們的團隊合作精神和交流能力得到培養(yǎng).只是在學生遇到無法解決的問題或超出了他們的知識范圍時,教師再利用自己的知識優(yōu)勢指導學生,這樣,就把學習的主動權交給了學生,充分發(fā)揮了學生的學習主體性.
三、“問題――解決”模式在物理實驗教學中的意義
傳統(tǒng)實驗教學中教師講解過多,留給學生的思考和操作的機會太少,“問題――解決”模式教學,突出學生主體地位,注重學生思維的發(fā)展及提問能力的培養(yǎng),轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)實驗教學方式,變教師講解實驗為學生在教師引導下探索實驗,鼓勵學生親身參與到實驗中去,讓學生成為知識的建構者,深刻理解知識的同時體驗解決問題帶來的成就感、喜悅感.
關鍵詞:物理實驗緒論課;教學內(nèi)容;安排
中圖分類號:G642.423 文獻標識碼:A 文章編號:1671-0568(2013)23-0061-03
大學物理實驗是遼東學院機電學院(以下簡稱“我院”)理工科本科生的必修課。教學中,學生的學習熱情很高。在教師的指導下,學生能夠正確操作設備,觀察到相關物理現(xiàn)象,獲得大量的測量數(shù)據(jù)。但是,他們卻疏于對測量數(shù)據(jù)的計算處理,常常得出錯誤的實驗結(jié)果與結(jié)論。關于數(shù)據(jù)處理的理論方法,通常是第一節(jié)緒論課上學習的內(nèi)容。在過去的緒論課上,內(nèi)容安排得很多,面面俱到,而實際效果卻呈現(xiàn)為學生撰寫實驗報告時仍然不會做數(shù)據(jù)處理。為此,筆者舉例講解不確定度的意義,以計算方法為主、其它內(nèi)容為輔,對緒論課的內(nèi)容作了重新安排與簡化,教學效果有了明顯的改善。
一、說明物理實驗與物理理論教學的關系
我院大學物理教學包括理論教學和實驗教學,時間安排上不分先后,同時進行,有的理論知識還沒有講到,但相關實驗卻要先做了。因為,學生已經(jīng)習慣于理論方面的學習,形成了一個認識,認為物理實驗是理論的驗證和附屬,應先學理論再做實驗,否則實驗難以進行,對實驗學習缺乏信心。對此,教師有必要在緒論課上講清楚兩方面的關系。物理世界的發(fā)展一直是靠理論和實驗兩條腿前進的,缺一不可。大學物理理論課程和實驗課程是相互獨立的,二者既有聯(lián)系,又有不同之處。實驗課程不是理論課程的從屬部分,它同樣是傳播物理知識的渠道,這是二者的共同之處。在培養(yǎng)學生能力方面,二者又有不同的側(cè)重點:大學物理課程主要側(cè)重邏輯思維、推理演繹能力的培養(yǎng),物理實驗課程則主要側(cè)重設計思想、實驗方法探索、動手測量操作能力的培養(yǎng)。兩者是培養(yǎng)具有探索、創(chuàng)新能力大學生的不可缺少的兩個重點。
二、明確實驗課程的學習要求
包括安排的實驗題目,應遵守的實驗紀律,及有關課前預習、實驗課堂活動,課后實驗報告的撰寫的具體要求和注意事項,等等。
三、以具體實例講解測量結(jié)果的不確定度
1.舉例說明不確定度的意義,提高學生對不確定度的認識
借助儀器將待測量與同類標準量進行比較的過程就是測量,測量過程中,由于測量誤差的存在(系統(tǒng)誤差和隨機誤差,盡管可以通過一定的方法減少,但根除不了),使得測量結(jié)果不可避免地具有不確定成分,這不確定成分應該在實驗結(jié)果中表示出來,稱為不確定度,它具有一定的概率。缺少不確定度的實驗結(jié)果是沒有意義的。
例如:在地面上,若一發(fā)炮彈以初速度v0=7m/s,與水平夾角?琢=45?紫射出,預計炮彈落在何處?拋體運動規(guī)律是大家最熟悉的,學生很快得出x=
提問:實際發(fā)射的炮彈一定會落在4.9米處,也有可能落在5.2米處,難道物理理論錯了?學生的第一反應是空氣阻力造成的偏離。接著提問:若發(fā)射環(huán)境阻力很小可以忽略,就會落在5米處嗎?課堂馬上靜下來,學生在積極思考,很快就有學生回答:可能是初速度和發(fā)射角度有偏差。教師馬上肯定了學生的答案,然后作了解釋:因為測量的初速度不一定就是7m/s,它有一定的誤差,如2%。由上述公式可知,射程有4%的誤差,即與處有的偏差,正確的理論預計應是炮彈落在x=(5.0±0.2)m。顯而易見,物理理論是正確的。在從理論公式出發(fā)對實測結(jié)果做預測時,一定要考慮到不確定成分,實驗結(jié)果中不能沒有不確定度,缺少不確定度的實驗結(jié)果是沒有意義的。
2.舉例介紹不確定度的計算評估方法
(1)直接測量量不確定度的計算。A類不確定度:直接測量量能按統(tǒng)計方法分析評定的不確定度為A類,其計算方法可由一個具體例子來說明。例如:在楊氏模量實驗中,需要測量金屬絲的直徑,用螺旋測微儀多次測量(等精度測量)值如下(單位:毫米):0.396,0.397,0.398,
0.396,0.395,0.398。算術平均值:
A類不確定度:(平均值標準偏差可用來表征平均值本身的可靠性);
B類不確定度:用其它非統(tǒng)計方法評定的分量,是基于經(jīng)驗或其它信息的假定概率分布估算的,也用標準偏差表征,一般只考慮儀器的最大允差Δ儀。 ,千分尺的最大允差Δ儀=0.004mm。B類不確定度: ;合成不確定度:總的不確定度由A類分量和B類分量按“方、和、根”方法合成 。對置信概率為0.68,不確定度為:
。金屬絲直徑的測量結(jié)果:d=(0.397±0.003)mm,表示待測金屬絲直徑落在(0.397±0.003)mm的概率為68.3%。相對不確定度:
(2)間接測量量的最佳值與不確定度。直接測量量,其平均值為。間接測量量是的函數(shù),則的最佳值等于,其不確定程度是由直接測量量合成不確定度決定的,由求函數(shù)全微分的方法,再按照“方、和、根” 合成方法,求出間接量的不確定度。
例如,用單擺測量當?shù)刂亓铀俣?,重力g=4?仔2 是間接測量量,由理論公式得出。直接測量量擺長l和周期T的測量結(jié)果為:l=(900±1)mm, ;T=1.90167 ±0.00095S, 。
所以,
由實驗測得: 。
四、強調(diào)有效數(shù)字的取舍
學生常弄不清楚測量結(jié)果的數(shù)值應由多少個有效數(shù)字組成,經(jīng)常采取的方法是能除盡的數(shù)值就取到除盡為止,除不盡的數(shù)就看紙上有多大地方,地方大,就多取幾位,地方小,就少留幾位,非常隨意。
直接測量的有效數(shù)字來源于測量時所用的儀器,由準確數(shù)字加上可疑數(shù)字組成。準確數(shù)字以刻度為依據(jù),可讀到最小刻度所在位;可疑數(shù)位是在最小刻度之間估計的一位數(shù)字。有效數(shù)字位數(shù)與單位變換或小數(shù)點位置無關。不確定度取一位或兩位有效數(shù)字;測量量平均值的有效數(shù)字位數(shù)由不確定度來定,其位數(shù)要與不確定度對齊,其余四舍五入舍棄。
參考文獻:
[1]牛愛芹.大學物理實驗教程[M].北京:科學出版社,2009.
【關鍵詞】大學物理 實驗教學 行為
基金項目:咸陽師范學院專項科研項目(08XSYK332);咸陽師范學院專項科研項目(12XSYK020)。
問題的提出
大學物理是理工科專業(yè)開設的一門必修基礎課,其目的在于提高和培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng),而物理學是在生產(chǎn)實踐和實驗基礎上發(fā)展建立起來的。所以大學物理實驗是學學物理的一個不可缺少的環(huán)節(jié)。一般來講,大學物理實驗分為課堂上用來服務于教學的演示實驗;走進實驗室在教師的指導下完成的學生實驗;學生基于興趣在課外完成的課外實驗。本文討論的主旨是在教師指導下的學生實驗教學。
在多年的實驗教學和大學物理實驗室管理過程中,可以看到有兩類這樣不同的大學物理學生實驗課堂教學模式,一類是用過多的時間將實驗的方方面面都講得很細很清楚,包括實驗目的、原理、過程、注意事項、甚至都是簡單示范一下的教學。這樣的教學學生聽得多,做得少,等到做的時候,可能本應一個多小時完成的實驗,半小時甚至更少時間完成了,這種模式我們稱之為教師“包辦”模式;還有一種模式是教師什么都不管,什么也不講,讓學生去自己完成的一種完全“放羊”的模式。這兩種模式的存在是否能夠達到我們大學物理學生實驗的目的呢?有何利弊?應如何去進行學生實驗。筆者對此有一些粗淺的認識與各位同仁進行探討。
兩種模式的行為分析
對教學行為的分析,首先要分析大學物理學生實驗的目的。學生實驗的主要目的一是在物理實驗的基本知識、基本方法、基本技能方面得到嚴格系統(tǒng)的訓練,這類實驗包括各種儀器的使用、調(diào)試等等;二是學習用實驗方法研究物理現(xiàn)象、驗證物理規(guī)律、加深對物理理論的理解和掌握,并在實踐中提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力;三是養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度和積極創(chuàng)新的科學精神。這三大目的是有層次的,從“三基”教育到方法、能力的培養(yǎng)最后經(jīng)過長期的過程而形成科學素養(yǎng)。那么我們教學中所出現(xiàn)的“包辦”模式可能在學生接受知識方面有一定的效果,但由于學生沒有自己的想法參與,只能是簡單的模仿實驗,其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力不能夠得到充分的培養(yǎng),更談不上有所創(chuàng)新了;而“放羊”模式教學,由于學生沒有經(jīng)過系統(tǒng)的訓練,也沒有任何的指導,學生無所事事,簡單的實驗可能能夠摸索著做一些,而復雜的實驗就無能為力,加之如果教師沒有很好地評價程序,那么實驗就成了走過程,更談不上達到怎樣的實驗目的。鑒于此,我們在長期的教學實踐中總結(jié)出了一套行之有效的教學模式——“問題主線”實驗教學模式。
“問題主線”模式的基本思路及設計
所謂“問題主線”模式就是在整個學生實驗過程以“問題”貫穿整個實驗環(huán)節(jié),包括帶著問題預習實驗;在預習中發(fā)現(xiàn)問題;帶著發(fā)現(xiàn)的問題走進實驗室;教師在學生實驗前以提問題的方式導入本節(jié)實驗;在實驗的過程中解決問題;指導學生發(fā)現(xiàn)新的問題;進一步解決問題;實驗結(jié)束后小結(jié)解決問題的方案(實驗報告)。現(xiàn)在就以大學物理實驗中比較經(jīng)典的“單擺測重力加速度”實驗的教學設計為例來闡述“問題主線”模式的主要思想。
首先,以“單擺測重力加速度”為例,該實驗以實驗器材簡單,實驗原理易懂而備受各專業(yè)師生的喜愛,如果用“包辦”的實驗教學模式,教師講得過多過細,實驗中學生便覺得沒多大意思去做;而如果完全放手以“放羊”的模式進行,學生則用自己在中學學到的一點知識去理解、完成實驗,又達不到我們大學物理實驗的教學目的。該實驗目的一是要學會測量長度和時間的方法;二是要學會設計實驗,用不同的角度去測定周期;三是要學會處理數(shù)據(jù)的方法?!皢栴}主線”模式首先要求學生在預習中帶著問題,這些問題包括教師提出的,如“該實驗目的是什么?”“該實驗基本原理是什么?”……也包括學生在預習過程中發(fā)現(xiàn)的。學生帶著這些問題去預習,可以促進思考,有預習的重點,在上實驗課時也會將聽課的重點放在沒有解決的問題上。教師在上課時要帶著問題進行重點的講解,有時要提出新的問題促進學生在實驗時進行思考,比如,我們能不能研究一下擺球的質(zhì)量對測定重力加速度的影響?如何設計?等等,在學生實驗的過程中去解決問題,比如“如何用秒表去測量時間,用什么方法可以減少讀數(shù)的誤差?”。在學生測定過程中發(fā)現(xiàn)問題,比如,如何控制擺角,如何測定擺長,在實驗過程中將教材中的實驗進行擴展,如何能提出新的設計方案,實驗結(jié)束后學生如何進行數(shù)據(jù)處理?,F(xiàn)以表格將此實驗的教學過程展示如下:
“問題主線”教學模式在“單擺測重力加速度”實驗中的應用
“問題主線”教學模式實施過程中的建議
“問題主線”教學模式主要是問題的提出和問題如何解決,在實施過程中需要教師在教學過程中不斷摸索,逐漸發(fā)現(xiàn)問題,并能找到很好的解決問題的方法。因此,筆者經(jīng)過觀察和嘗試,主要有以下幾點建議供大家參考:
1.問題的提出要有層次性
“問題主線”模式主要是以“問題”呈現(xiàn)的,并不是問題越多越好,在不同的階段所提的問題要在數(shù)量和質(zhì)量上有層次性,難易程度要有所把握。既要考慮不同層次的學生學習狀態(tài),也要考慮課堂的不同時段,比如在預習過程所提的問題,應當簡單一些,知識內(nèi)容涵蓋多一些,而在實驗過程中,隨著實驗的推進應提出有思考性、能激發(fā)學生創(chuàng)新的問題。
2.問題在解決過程中,“引導”很重要
恰當?shù)囊龑恰皢栴}主線”模式順利進行的保證,該模式中,問題貫穿始終,但不是所有的問題,學生通過自學都可以解決,學生在解決問題過程中肯定會有所“惑”,作為教師要多鼓勵學生,可以適當?shù)剡M行“引導”,從方法、手段和實驗設計上入手,讓學生找到解決問題的思路。
3.問題的反饋和解決要及時
及時地對學生回答的問題和解決的問題給予回應是學生學習的動力,對大學實驗教學來講,學生本身自覺性并不是很強,如果沒有及時而合理地回應學生,那么他們的積極性就逐漸消失,如果只提出了問題而沒有及時處理問題,那么該模式就會“流產(chǎn)”,學生就沒有思考和解決問題的動力。
4.在學生解決問題后,評價要中肯
一個新的教學模式能否順利進行,進行的成效如何,評價很關鍵,評價除了要及時,在方式方法上也應有所考慮,對學生解決問題后,在評價過程中,應具體問題具體分析,要有針對性,哪點好,好在哪,哪里不對,應如何改進,讓學生反思,形成重新思考。千萬不能以一個單獨的分值或過度的贊揚來代替,這樣的評價失去了意義。
參考文獻:
[1]吳俊林.基礎物理實驗[M].科學出版社,2010,8.
關鍵詞:物理實驗,素質(zhì)教育,綜合能力
隨著職業(yè)學校教學、科研的改革與發(fā)展,普通物理的教學已百花齊放、百家爭鳴,在推進素質(zhì)教育的前提下,如何從傳統(tǒng)的教學模式中徹底解放出來,得從能力培養(yǎng)的根本上下功夫,使學生切實達到學用結(jié)合,學能所用,用則得心應手,以不變應萬變,這是物理實驗教學亟待轉(zhuǎn)型的主要問題。
一、 材使用中的問題
20世紀80年代以來,從統(tǒng)一、規(guī)范的角度出發(fā),原國家教委相繼推出幾個版本的教材及適應各類職業(yè)學校需求的《教學大綱》。隨后,各職業(yè)學校針對本校實驗室建設的具體情況,相繼對物理實驗教材及教學手段進行了革命性改革。因此,相應的適應新時期的物理實驗教材則紛紛出現(xiàn),然而,盡管和上世紀80年代相比,20多年的改革,實驗教材已具有很寬的適應面,但仍不能滿足各類職業(yè)學校的需求。如由于編者所在的學校實驗室建設的不同,教材中涉及的儀器及器材當前要么沒有,要么就是配置不齊或型號不同等種種原因?qū)е沦Y源浪費,面對現(xiàn)有教材和儀器之間的矛盾,職業(yè)學校自己的實驗教材和內(nèi)容已到非編不可,不改不行的地步了。
二、 參考大綱,因地制宜編寫教材
近年來,我們在物理實驗教學中,本著以高水準、嚴要求的“素質(zhì)教育”為起點,參考國家教育部關于中等職業(yè)學校《教學大綱》,針對自身實驗室建設的具體情況,面向各專業(yè)的特色,對于物理專業(yè)、非物理專業(yè)等學生擬定出個相關專業(yè)的《教學大綱》,編寫了適應我校不同專業(yè)的物理實驗教材、教學技術檔案和教學卡片,以便在素質(zhì)教育的起點上,先把儀器的利用率最高、最有效的發(fā)揮出來。
三、 注重各專業(yè)物理教學的特色
在課堂(以力熱學實驗課為例)教學中,我們一方面對驗證性實驗的歷史背景、實驗驗證理論的必要性、實驗驗證的因果關系、實驗驗證的物理思想及物理意義以及實驗技術上靈活多樣的操作手段進行了深度不同的介紹,教學中還同時注重做物理實驗整個過程中的數(shù)據(jù)觀測的嚴謹性、有效數(shù)字的嚴肅性、誤差分析的必要性。正確引導學生,啟發(fā)學生通過某個實驗,如何將理論聯(lián)系在一起,尤其是吧物理實驗如何貫穿于物理教學中。
在開放和選做實驗中,我們力求選幾個具有代表性、典型性、疑難性較高的實驗,讓我們從更深層次了解物理學發(fā)展史、客觀世界所賦予物理學的歷史使命。
通過選做實驗,還引導學生充分認識到物理學家對科學執(zhí)著的追求和所做貢獻的偉大理念,從更高層次上加深學生對實驗物理的認識。與此同時,在達到實驗的某個目的后,還可重新安排實驗方案,讓學生自己發(fā)揮所長,引導學生將實驗應用到日常生活中,同時,要求學生寫出較高質(zhì)量的《實驗報告》,甚至啟發(fā)學生用BASIC、FORTRAN等語言編寫數(shù)據(jù)處理程序。試驗期間,有必要向?qū)W生介紹實驗教材“附錄”中一些物理常數(shù)及物理量的溯源并進行一些必要的探討,從而啟發(fā)學生大膽想象,大膽嘗試,提出自己新穎的見解。條件允許的話,我們對確有價值的方案,程度不同的都提供一定的協(xié)助。在這些嘗試工作中,大大鼓舞了學生對物理實驗的積極性,增加了學生學習物理學的濃厚興趣。
選擇實驗的同時,從學術的角度著想,讓學生通過綜合性強的實驗,從實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗操作過程、結(jié)果分析等方面,讓學生盡量發(fā)揮才能。如測重力加速度實驗,除常規(guī)上安排外,還注重以不同方式或手段進行測量。
1. 用長擺線和小球作何的手段;
2. 用長擺線和不規(guī)則重物代替金屬小球的手段;
3. 用金屬桿充當復擺的手段;
4. 用單擺法檢驗引力常數(shù)隨物質(zhì)成分的變化等手段。
綜上種種觀測手段,分析、比較其數(shù)據(jù)測量與最后的結(jié)果,達到綜合訓練的目的,進而為學生今后的工作打下良好的理論基礎。
四、 對非物理專業(yè)的實驗技術要求
以我校應用電子技術專業(yè)為例,針對專業(yè)特色,我們在講解力學、熱學實驗時,在圍繞《大綱》范圍要求的同時,首先針對專業(yè)情況講解實驗技術在該專業(yè)中的重要性。然后參照有關資料,特別補充講解必要的數(shù)據(jù)處理知識。通過講解,學生清醒地意識到,物理實驗所涉及的不僅僅只是某個范圍,而適應面極其廣泛。
1. 如用游標卡尺或螺旋測微計測量電子元器件,尤其是集成塊的尺寸,然后描繪印刷板圖來制作“印刷電器板”,對此,學識剛開始不以為然,通過測量并在描圖紙上描繪才感到問題的關鍵所在。
2. 通過部分實驗可提出如溫度、濕度、壓強等自動采集數(shù)據(jù)的思想方法。
3. 從功能上向?qū)W生介紹常見的傳感器、簡單的接口電路等。
4. 儀器的分辨力與顯示位數(shù)之間的區(qū)別與聯(lián)系。
5. 在裝有冰水混合物的杜瓦瓶內(nèi),以標準溫度計為標準,改變溫度計“定標”讓學生通過實踐來理解“計量”的基本概念和基本方法。
物理實驗中,對低年級應用電子技術專業(yè)的學生來說,要求在設計出簡單電路時能解決問題的能力,讓學生認識到物理實驗既是本專業(yè)所要掌握基本測量技術,同時又有許多需用本專業(yè)解決的問題。我們經(jīng)過近幾年的嘗試,學識自覺感覺到任重道遠,更充滿了對實驗課學習的自覺性。
在熱學試驗中,以實現(xiàn)簡易恒溫箱為例,可提出恒溫箱在熱學實驗中的重要性,因此,啟發(fā)學生能否利用熱敏電阻為傳感器的簡單電路來控制水的溫度,哪怕精度稍低一點,學生會以積極興奮的熱情去設計制作的。我們的做法,受到大多數(shù)學生的歡迎,學生深深的感到,物理實驗及物理實驗室既是基礎實驗教學的基地,又是我們理論聯(lián)系實際的戰(zhàn)場。
在近幾年的實驗課教學改革實踐中,我們積累了大量的、適應于各種專業(yè)的《教學技術檔案》及《教學卡片》,開發(fā)、研制出相關專業(yè)的實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)??紤]到學生的負擔問題,對于實驗課中穿插的一些內(nèi)容,僅在實驗課上是遠遠不夠的,可讓學生利用其他時間,或使其程度不同的加以了解。至少,為今后的設計工作多一條基本、清晰的思路。
我們深深體會到,在網(wǎng)絡時代的今天,實施強有力的素質(zhì)教育,對學生的實驗綜合能力的培養(yǎng),無疑先對實驗課教師的理論水平,特別是實驗技術的綜合能力的提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。因此,在傳統(tǒng)模式上,單方面講好實驗課是不夠的,更需要在實驗理論的多方面、多功能技術上不斷學習,不斷研究,只有用辛勤的汗水、以心血的代價做好實驗教學工作,才無愧于“素質(zhì)教育”本色。
【參考文獻】
[1]《中學物理課程研究》,唐國安、錢景華主編:百家出版社,1999年8月。