探究物理的教學(xué)改革舉措

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1提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的針對(duì)性

在以往與學(xué)生的交談中了解到，有一部分學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之前根本就不進(jìn)行預(yù)習(xí)；一部分同學(xué)雖說是提前預(yù)習(xí)了，但上課時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)他們根本就沒明白實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理；還有一部分同學(xué)只預(yù)習(xí)明白了其中一部分，但仍然影響課上正常進(jìn)行。為了督促學(xué)生很好地進(jìn)行預(yù)習(xí)，我們?cè)谡缴险n前一周把實(shí)驗(yàn)卡片發(fā)給學(xué)生，實(shí)驗(yàn)卡片包括以下內(nèi)容：思考題、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)處理、注意事項(xiàng)、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等。其中思考題的設(shè)置主要是為了提高學(xué)生預(yù)習(xí)的針對(duì)性，抓住實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)核心和實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)。同時(shí)，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，要求學(xué)生進(jìn)實(shí)驗(yàn)室之前把這些思考題回答在預(yù)習(xí)報(bào)告上。為了避免部分同學(xué)完全不進(jìn)行預(yù)習(xí)就來做實(shí)驗(yàn)，在課堂上抄寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，我們還要求學(xué)生一進(jìn)實(shí)驗(yàn)室就即刻提交實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告。對(duì)于雙光柵法測微弱振動(dòng)位移量實(shí)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)的思考題如下：

（1）微弱振動(dòng)的振幅如何獲得？

（2）本實(shí)驗(yàn)中如何得到拍頻波？其拍頻大小由什么決定？

（3）激光器射出的激光波長為635nm，由此可知其頻率為多少？能直接探測嗎？若不能，怎么解決？

（4）為什么要使用光拍？形成光拍的條件是什么？（理論上）

（5）如何判斷動(dòng)光柵與靜光柵的刻痕已平行？

（6）作外力驅(qū)動(dòng)音叉諧振曲線時(shí)，為什么要固定信號(hào)功率？測量時(shí)首先要找到音叉的什么頻率？如何找？

2圍繞思考題分小組討論

學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)時(shí)，思路上總會(huì)有一定的局限。往往可能因搞不懂某些小知識(shí)點(diǎn)阻礙實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的正常進(jìn)行。所以，我們?cè)谡缴险n時(shí)，首先將學(xué)生分成兩組（每組5名學(xué)生），思考題分成兩部分，每組負(fù)責(zé)一部分，討論20分鐘并給出思考題的答案。這樣做不僅發(fā)揮了學(xué)生的自主性，還增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。同時(shí)，也可以使極少數(shù)沒有預(yù)習(xí)的同學(xué)也略學(xué)到一些。

3提問＋提示引導(dǎo)的方式使學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)思路

有相當(dāng)一部分同學(xué)為了完成實(shí)驗(yàn)來做實(shí)驗(yàn)，總是著急做實(shí)驗(yàn)，一遇到問題就叫老師幫忙，而不去認(rèn)真思考，不設(shè)法自己解決。還有，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)總是不能將理論課中所學(xué)知識(shí)靈活地運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中來，這是一種普遍現(xiàn)象。所以在學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前，我們采取了以下教學(xué)環(huán)節(jié)：明確理論上要達(dá)到什么目的，借助什么實(shí)驗(yàn)器件可以達(dá)到此目的，理論和實(shí)驗(yàn)器件的結(jié)合最終如何達(dá)到目的。下面仍以雙光柵法測微弱振動(dòng)位移量實(shí)驗(yàn)為例展現(xiàn)具體過程。從實(shí)驗(yàn)題目來看的話，提問學(xué)生最終要得到哪個(gè)物理量？大部分學(xué)生可以回答出來：音叉振動(dòng)的振幅。提示學(xué)生，要測量的是長度，有什么獲得辦法？學(xué)生會(huì)提出用刻度尺、游標(biāo)卡尺等。再引導(dǎo)學(xué)生觀察音叉振動(dòng)的特點(diǎn)。音叉振動(dòng)的幅度很小，肉眼完全無法分辨，而且振動(dòng)的位置時(shí)刻在變化，教師否定這種方法。那怎么辦呢？再提示學(xué)生我們是綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可以考慮力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等方法。再看實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生會(huì)說出利用雙光柵法。新的問題出現(xiàn)：什么是雙光柵法？這時(shí)要帶著學(xué)生一起復(fù)習(xí)光學(xué)中所學(xué)知識(shí)———光柵。首先回憶光柵的結(jié)構(gòu)，從單縫衍射、雙縫干涉的衍射圖樣，猜想光柵的衍射圖樣。同時(shí)，利用教學(xué)器件激光筆演示激光通過一光柵后投影在墻上的衍射圖樣，與分析結(jié)果比對(duì)，直觀明了。學(xué)生清楚了光柵的概念后，說明雙光柵即是一動(dòng)一靜兩光柵，其中動(dòng)光柵貼在音叉上隨音叉一起振動(dòng)。再緊接著提問：為什么要用雙光柵法？這時(shí)學(xué)生一般會(huì)不知所措，提示從光的頻率方面考慮。已知實(shí)驗(yàn)激光波長，提問學(xué)生激光頻率大小在什么量級(jí)。提供給學(xué)生儀器價(jià)格信息，比如Agilent公司幾個(gè)GHz的示波器價(jià)格在百萬元左右，直接探測激光這么高頻率的光非常困難，而且儀器造價(jià)昂貴。此方法行不通。進(jìn)一步提示學(xué)生，現(xiàn)在光頻率太高了，簡單的想法是降低頻率，這時(shí)再讓學(xué)生觀察我們實(shí)驗(yàn)提供的示波器能探測的頻率，隨便告訴學(xué)生這個(gè)儀器只需要幾千元左右，實(shí)驗(yàn)成本大幅降低。又一新問題出現(xiàn)：怎么降低？部分學(xué)生能說出光拍法。這個(gè)時(shí)候類比音拍的概念，來講解光拍。根據(jù)波的疊加原理，得出獲得強(qiáng)的光拍信號(hào)的理論及實(shí)驗(yàn)條件：利用一動(dòng)一靜兩光柵得到同方向傳播、且頻率相差很小的兩列光波的疊加。

數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出動(dòng)光柵的振動(dòng)速度與光拍頻率的關(guān)系：ωd＝2πvd，其中ωd是光拍圓頻率，v是動(dòng)光柵振動(dòng)速度（也即音叉振動(dòng)速度。），d是光柵密度。即F拍＝ωd2π＝vd＝v·n0，其中n0＝1d為光柵密度。這樣力學(xué)量v和光學(xué)量F拍之間搭起了橋梁。學(xué)生熟知音叉振動(dòng)的振幅與音叉振動(dòng)速度的關(guān)系：A＝12T／20v（t）dt＝12T／20F拍（t）n0dt＝12n0T／20F拍（t）dt。引導(dǎo)學(xué)生從頻率的基本定義出發(fā)分析積分結(jié)果所代表的物理意義：半個(gè)音叉振動(dòng)周期內(nèi)光拍拍頻波的個(gè)數(shù)（借助示波器！）。在學(xué)生清楚了音叉振幅的測量方法后，再來回顧振動(dòng)的知識(shí)，即音叉振動(dòng)的特點(diǎn)。提問學(xué)生音叉振動(dòng)屬于簡諧振動(dòng)、阻尼振動(dòng)、受迫振動(dòng)等中的哪一類振動(dòng)？學(xué)生能夠正確回答：受迫振動(dòng)。提問學(xué)生哪些因素影響受迫振動(dòng)的振幅？如何影響？利用蕩秋千、共振引起橋梁斷裂等例子引導(dǎo)學(xué)生找到答案：策動(dòng)力的大小和頻率，且固定策動(dòng)力頻率時(shí)，策動(dòng)力越大，振幅越大；固定策動(dòng)力大小，改變策動(dòng)力頻率，共振時(shí)，振幅最大，此時(shí)策動(dòng)力頻率接近固有頻率，遠(yuǎn)離固有頻率時(shí)，振幅迅速減小。所以在研究音叉振動(dòng)的諧振曲線時(shí)，考慮的是策動(dòng)力頻率對(duì)音叉振動(dòng)振幅的影響，此時(shí)應(yīng)固定策動(dòng)力大小。但是前提是選擇好合適的策動(dòng)力大小，若策動(dòng)力太大，半個(gè)音叉振動(dòng)周期內(nèi)光拍拍頻波的個(gè)數(shù)太多，眼睛無法分辯。若策動(dòng)力太小，振動(dòng)太微弱，無法研究振動(dòng)。要研究諧振曲線，最簡單的方法是找到共振點(diǎn)，提問學(xué)生怎么找？這時(shí)實(shí)驗(yàn)儀器是打開的，讓學(xué)生靜下來注意聽音叉發(fā)出的聲音。引導(dǎo)學(xué)生說出音叉發(fā)出的聲音和音叉振幅的關(guān)系。學(xué)生明白了找共振點(diǎn)的方法是聽聲音。這時(shí)進(jìn)一步提問我們?nèi)硕軠?zhǔn)確地分辨出哪個(gè)聲音最大嗎？學(xué)生會(huì)說不能，那怎么辦？再回到計(jì)算振幅的公式，學(xué)生會(huì)恍然大悟，示波器上半個(gè)音叉振動(dòng)周期內(nèi)光拍拍頻波的個(gè)數(shù)最多時(shí)，對(duì)應(yīng)的即是共振點(diǎn)。最后，和學(xué)生一起總結(jié)實(shí)驗(yàn)思路：

（1）調(diào)整光路，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器后在示波器上觀察到強(qiáng)的光拍信號(hào)；

（2）尋找音叉振動(dòng)的諧振點(diǎn)，調(diào)整音叉功率和頻率，聽音叉聲音，并借助示波器。

（3）測量完整的諧振曲線，此時(shí)固定音叉功率。隨后學(xué)生自己整理思路，自己獨(dú)立動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)。

4對(duì)部分學(xué)生進(jìn)行進(jìn)一步指導(dǎo)

按步驟3討論完實(shí)驗(yàn)思路后，由于學(xué)生個(gè)體的差異，相當(dāng)一部分同學(xué)還是有很多不明白的地方。這時(shí)再單獨(dú)指導(dǎo)。了解學(xué)生的問題，搞清學(xué)生的問題出現(xiàn)在哪里。先讓學(xué)生從理論上找出答案，然后再讓學(xué)生尋找具體哪個(gè)或哪些實(shí)驗(yàn)儀器部件可以達(dá)到目的。而不是直接告訴學(xué)生結(jié)果。這個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)生起主導(dǎo)作用。

5實(shí)驗(yàn)報(bào)告

中對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的要求為了督促學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行回顧，我們特別要求在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上詳細(xì)寫出實(shí)驗(yàn)步驟。學(xué)生在完成這一部分的過程中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)操作過程中的重大失誤。教師在批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)也能從這一部分及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，引起學(xué)生對(duì)細(xì)節(jié)問題的關(guān)注，培養(yǎng)全面良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和能力。同時(shí)這一要求還可以加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路的認(rèn)識(shí)。

6實(shí)驗(yàn)報(bào)告中對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的要求

實(shí)驗(yàn)報(bào)告中要求將實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理列表，反復(fù)要求學(xué)生標(biāo)明物理量、單位及有效數(shù)字，培養(yǎng)良好習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，為以后教學(xué)和科研工作打基礎(chǔ)。要求利用Excel、Origin等軟件進(jìn)行作圖，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力。這一教學(xué)方法是在對(duì)三屆學(xué)生的教學(xué)過程中逐漸摸索出來的，受到了較好的效果，具體體現(xiàn)在教學(xué)評(píng)估成績的提高：第一屆學(xué)生給教師的教學(xué)評(píng)估成績?yōu)?2．03，第二屆學(xué)生給教師的教學(xué)評(píng)估成績?yōu)?4．27，第三屆學(xué)生給教師的教學(xué)評(píng)估成績?yōu)?4．41。當(dāng)然，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不是幾個(gè)實(shí)驗(yàn)就能完成的，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有每一個(gè)教育工作者都積極參與行動(dòng)起來，從教學(xué)工作的一點(diǎn)一滴做起，才能真正達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。此外，在以后的教學(xué)中還需要根據(jù)學(xué)生具體情況相應(yīng)調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)方法。

作者：董巧燕 劉偉健 劉維 王福合 尹曉冬 施宇蕾 單位：首都師范大學(xué)