合肥师范师生对物理实验方法和仪器的自制研究

　　近几十年,科学技术迅猛发展,科学研究呈现出多学科相互渗透、相互综合的发展趋势。这种形势使得社会迫切需要具有自主学习能力、创新能力和实践能力的高素质科技人才。为适应时代对人才的新要求,我国积极推行教育改革,提出了一系列方针政策。安徽省教育厅也于2013年制定出台了《安徽省支持本科高校发展能力提升计划》和《安徽省高等教育振兴计划》。加强对学生的实践能力与创新能力的培养,全面提高大学生的综合素质已成为高等教育义不容辞的责任。《美国国家科学教育标准》认为学习科学的中心环节就是有指导的发现和探索性学习,而发现和探索性学习的最佳方式就是实验和实践。因而要培养具有创新能力、实践能力的高素质科技人才,必须让学生学会从实验和实践中发现问题并将已有知识运用到实践中去。

　　在自然科学中,物理学是基础,物理实验又是基础中的基础,大学物理实验是理工科学生必修的一门实践性课程,是培养科技人才实践能力与创新能力非常重要的途径。然而由于受传统知识教育观的影响,不少高校的物理实验教学仍以教师灌输、学生被动接受的教学方式为主,这种状况不能调动学生学习的主动性,抑制了学生个性的发展和科学思维方式的形成,不利于创新人才的培养。改革传统实验教学的内容和教学方式,鼓励学生独立思考、自主探索,培养学生的创新精神及实践能力,全面提高学生综合素质,适应时代人才培养的需要,是大学物理实验教学改革的方向,也是当前我国高等教育领域中理科教学改革的热点。

　　目前各高校的物理实验教学内容和形式大同小异,缺乏特色,高校根据自身的实际情况建设具有自身特点的物理实验教学模式,还需要做大量的开创性工作。合肥师范学院作为一所应用型本科高校,更加强调学生实践能力和创新能力的培养。学校一贯重视物理实验教学,重视解决物理实验课程中因方法和仪器存在重大缺陷而影响教学效果的问题,积极开展“第二课堂”活动,鼓励和组织青年教师和学生对物理实验的方法和仪器进行研究、改进和自行制作,以此提高物理实验课程的教学质量,推动创新型应用人才的培养。

　　1、利用第二课堂开展物理仪器研制的优点

　　1.1节约成本,容易修理

　　制作仪器用的大多是一些常规的实验材料,有的是废旧的仪器配件,这样做大大节约了实验室建设成本。另外,自制仪器容易拆装,如果仪器集成化程度高,损坏了修理时间长,或难以修理,影响实验正常进行,而自制仪器损坏了容易修理,学生就可以大胆尝试,敢于创新。

　　1.2有利于培养学生的数据处理和分析能力

　　目前市场上的仪器集成化程度高,“黑匣子”式的教学仪器不利于学生了解仪器的工作原理,限制了学生的求知欲望和想象空间。某些智能型教学仪器的数据采样和测量数据过程不具有适时的显示窗口或输出的功能,数据处理的过程简化。学生得到的只是一个测量结果,不能训练学生的实验数据处理能力,学生不能从实验数据中计算出实验结果,对产生的误差进行分析,特别对于测量结果不好的实验,不能确切的分析是哪个方面出现了问题,因而无法提出实验中存在的问题与改进方案。而自主设计制作的仪器,其在实验教学过程中的动手环节相对较多,有利于学生真正理解物理原理,掌握数据处理和分析的技能。

　　1.3有利于培养学生的实践创新能力和综合素质

　　有些自主设计的仪器应用的是较先进的理论,市场上没有类似的设备,学生需要自己设计,自己选取材料,制作中遇到的问题也是课堂上没有出现的,对学生来说,这具有很大的挑战性,在此过程中学生的实践创新能力将得到明显提高。在参与设计制作的过程中,学生普遍感到“书到用时方恨少,事非经过不知难”,这能有效地激发学生的学习欲望,提高学习的自觉性和主动性。深入实际科研环境,查阅最新科技资料,打破了书本的限制,拓宽了学生的视野。带着问题学习,从被动记忆学习到主动、探索性学习,培养了学生独立研究和综合分析问题的能力。

　　在参与第二课堂仪器研制的过程中,可以根据学生的才能、知识和兴趣的不同,区别对待,因材施教,这给基础差的学生提供了锻炼能力、熟悉仪器的机会,也使学有余力的学生有了发挥才能的场所。以团队的形式合作研制仪器,使学生的组织协调能力得到了锻炼,有利于正确认识和处理个人与集体的关系,发扬团队精神。

　　1.4促进了课堂教学

　　通过物理实验仪器的设计与研制活动,学生的学习兴趣变浓厚了,课堂变得轻松了,愉快、惊奇、兴奋成为课堂的常见情景。从学生的行为看,学生注意力的集中程度大大的提高了,再没有学生见了教具器材仅仅觉得好玩,这对培养学生的动手能力和创新能力提供了一条有效途径。

　　2、取得的成果

　　合肥师范学院在自主研制物理实验仪器方面已经有几十年的历史了,从上世纪70年代至今,学校就利用实验室现有条件,从仪器原理、测量方法及数据处理等方面对实验和实验仪器进行了改造与创新,取得了一定的成果,形成了自己的特色。经过几十年的探索,我校自主研制成功的新型实验仪器有:新型单摆、新型金属杨氏模量测定仪、新型激光光杠杆、新型转动实验仪、新型液体粘滞系数测定仪、新型量热仪、新型溶解热测定仪、新型电热转换实验仪、新型热传导实验仪、新型热膨胀实验仪、新型液体表面张力系数测定仪、新型模拟静电场描绘仪、新型十一线电位差计、激光光杠杆原理演示仪、斜拉桥原理演示仪、振动图线合成仪、新型萘的熔解实验器和新型电化当量实验器。改进的实验和实验仪器有:长度测定实验、密度测定实验、瞬时速度与加速度测量方法、重力加速度测量方法、二极管伏安特性实验、霍尔效应实验、偏振光实验、电子衍射实验、F-H实验和声速测定仪。

　　上述研究成果具有以下特点:(1)针对性强。解决了物理实验教学中存在多年的一些急待解决的问题。众所周知,物理实验教学中的多项基础性实验因所用仪器存在重大缺陷而严重影响教学效果。我们自行研制物理实验仪器的初衷之一即为提高仪器性能以满足教学需求。经过多年的不懈努力,这一任务可以说已基本完成。(2)数量大、范围广。成果累计近30项,数量超过通常所开大学物理实验项目的三分之一,涵盖大学物理实验、物理演示实验、中学物理实验三大类。其中,对力学和热学实验来说,改进和创新的实验数量超过二分之一。(3)水平较高。这些自研仪器中大部分的主要性能指标远超现有仪器,达到国内外同类仪器的领先水平。(4)创新性显著。这些仪器的设计原理、结构、操作方式大都与现有仪器有很大不同,具有明显的创新性。(5)成果已趋成熟。众所周知,物理实验仪器从实验室诞生的雏样发展为可以量产的成熟工业品,是一条需要解决众多技术、经济问题的漫漫长路。我们在仪器研制初期即已充分考虑工业设计、生产中的各个要素,因此现有成果大多已迈过这一阶段,能够满足成熟工业品的各方面要求,只要有厂家接受,立即就能投产。(6)部分仪器可作为科研和工农业生产用仪器。其中的液体表面张力系数测定仪、导热系数测定仪除可作为物理实验教学仪器外,因其结构新颖、性能突出,完全具备作为科研和工农业生产用仪器的潜力。(7)研制费用极少。整个研究工作自始至终本着因陋就简、修旧利废的原则,尽量少花钱多办事,甚至不花钱也办事。

　　在学校的物理实验教学中,有24项自主改进创新的实验和仪器得到了应用,教学效果比原有方法、仪器有了明显提高。通过与相关仪器生产厂家的合作,新型模拟静电场描绘仪已被销往清华大学和淮阴工学院,新型十一线电位差计已被销往淮北师范大学,还有其它仪器被销往了淮阴师范学院和成都工学院等学校。目前学校仍在积极与仪器生产厂家洽谈协商转让生产事宜,以此加快新仪器的推广,扩大其使用范围。另外,基于上述工作,学校还组织编写的包含大量自主创新成果的《大学物理实验》教材,该教材已被列为工信部“十二五”规划立项教材,由人民邮电出版社出版。

　　这些成果得到了国内众多知名专家的肯定和好评。

　　2007年,合肥工业大学理学院副院长肖苏、安徽大学物理实验室主任赵青生等七位省内知名专家,对自研仪器进行了评议,指出:“上述单摆等十三种新型物理实验仪器,针对现有仪器的许多不足之处,有所改进提高,具备较强的实用性,性能水平处于同类仪器的较高水平。研制者能够在所处设备、经费条件下,长期坚持不懈,自行研制出如此数量的具有较高水平的新型物理实验仪器,在省内是仅有的,在国内也是少有的,因此难能可贵。”教育部基础物理课程教学指导委员会副主任、教育部实验教学指导委员会副主任、中国科学技术大学霍剑青教授也认为我校物理实验仪器的创新研究很有特色,并建议安排教师代表在全国性会议上做些交流。

　　2012年,我校教师在全国“物理实验骨干教师高级培训班”会议上做了《基础物理实验的改进与创新》的主题报告,报告吸引了国内众多专家的兴趣,会议组还临时安排专30所高校的39位老师来我校参观大学物理实验仪器的研制情况,进行经验交流。其中有十几位教授、近二十位实验室负责人,包括年过花甲的教育部物理实验教学指导委员会委员周惟公老先生,以及台湾大学物理系教授、台湾物理学会秘书长傅绍铭先生等国内知名专家。参观持续将近两个小时,专家们对我校物理实验室的工作给予很高评价。

　　傅绍铭教授评价说:“对物理实验教具长期投入设计改进,不仅对教学实际应用有具体贡献,更是对学生学习具有莫大启发意义。”

　　3、在人才培养中的应用

　　在利用第二课堂带领学生参与物理实验仪器的研发过程中,学校教师自始自终都把对人才的培养作为一项重要目标,重视对人才培养的影响。这种影响主要表现在以下几个方面:(1)大幅度地提高了物理实验教学质量。创新仪器本身具有更优越的性能、严格的理论依据、便利的操作性等,从而使学生在实验学习中能获得更好的效果,并能深刻体会到实验的精确性和严谨性。(2)近年来,相关教师和学生在物理实验方法与仪器的改进、创新和新仪器的研发与应用中,积累了多方面知识,培养了多种能力,取得了丰硕成果,吸引和带动了更多师生的参与。在此影响下,初步形成了相关专业师生踊跃参加各种仪器研发和科技竞赛的氛围,且取得多项较好成绩,为应用型人才培养提供了一种模式。(3)学生学会了一些创新本领,学到了很多课本外的有用知识,学到了很多实用的实践技能,学会了自行设计新的仪器结构、加工制作新的仪器零件。(4)在研发过程中,失败总是难免的,失败的过程培育和磨练了一种屡败屡战、百折不挠的坚韧意志与顽强精神。

　　这几年,有近200名同学在物理实验仪器的改进创新中获得了丰富的知识、开阔了视野、锻炼了实践技能和创新精神。这些学生共发表实验论文10余篇;申请获批国家实用新型专利8项;在参加全国“挑战杯”比赛、安徽省百所高校百万大学生科普创意创新大赛等科技竞赛中获省一等奖2项,二等奖1项,三等奖2项,其中光杠杆原理演示仪获2011年全国高校第十届物理演示教学仪器评比三等奖;主持获批国家级大学生创新创业训练计划项目1项,校大学生学术科技创新基金项目3项。其中,有两名同学以其炼就的过硬的实验基本功,通过了省级示范高中合肥一中物理实验室的严格考核选拔,最终被其录用。

　　4、对师资队伍建设的促进

　　在完成基本教学任务之余,学校物理教师通过带领学生开展物理仪器研制来提升自己的实践教学能力,通过在职攻读博士学位、访学进修等来开扩眼界、拓宽思路,提高自己的教学水平和科研水平,在取得了丰硕的教学和科研成果的同时,形成了一支具有较高水平的物理教师队伍。近三年,学校物理教师共发表科研和教研论文120余篇,其中大部分被SCI或EI收录;编辑出版大学物理实验教材1部;获批国家实用新型专利11项,另有5项国家发明专利申请已被受理;主持国家自然科学基金项目12项,省部级教科研项目30多项,横向课题4项,获资助经费达700余万元;获安徽省省科学技术三等奖2项,省教学成果二等奖(大学物理实验的改进与创新)1项,多项教学仪器在国内相关评比中获奖;主办省内学术会议1次。此外,学校物理教师还积极参加国内外各种教学会议和学术会议,积极开展对外合作交流,以此来拓宽眼界、提升水平、扩大影响。目前,学校批准建设了“大学物理及实验”校级教学团队,正在筹备申报省级教学团队。

　　5、结论

　　自制仪器在学校的实验室建设中节约了办学成本,自制的仪器因为更适合教学需求,提高了教学效果,而且自制仪器的过程对提高教师的实践教学能力,培养学生的实践和创新能力都有积极的作用。因此,这项工作还需要教育部门和高校的重视和支持,通过教师的不断探索与创新,推动实验教学的改革。

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