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《近代物理实验》教学总结

物理实验教学中心 郑新亮


一. 近代物理实验课程的地位和特点

近代物理实验课程在物理类专业的课程教学体系中,属于基础物理实验,它继普通物理实验之后,又位于专业研究实验之前,在整个实验教学中起着承上启下、深入拓宽的关键作用。

该课程目前开设的常规实验项目有25项,备选实验10项。主要内容是物理学史上的一些经典著名实验项目(目前的课程内容涉及21项诺贝尔物理学奖实验),以及应用广泛的近代实验技术,几乎涵盖了物理学科各个专业领域。一方面,该课程具有较强的基础理论性,会用到原子物理、量子力学、电动力学、固体物理、统计物理、原子核物理等方面的基础理论;另一方面,它又要求较强的综合应用性,核技术、真空技术、材料制备与检测、光电技术、光谱技术、激光技术、磁共振、微波技术、信号检测分析、单片机技术都有所涉及。所以,该课程对仪器数量质量和教师业务能力都有较高的要求。

二. 近代物理实验课程的教学理念

如何提高学生的研究创新能力,是高等教育发展的基本问题。如何近代物理实验这样的基础物理实验教学中开展研究性教学,让学生在经典实验中体验研究创新的思想方法,在基础课程学习阶段养成科学研究的习惯和规范,就成为我们课程组教学研究的主要思考问题。经过多年的教学实践总结,形成了以下主要理念:

实验教学不应是“验证规律”的过程,而是引导学生“体验”规律发现的过程,总结研究新问题的思路和方法的过程。相对“演绎法”而言,更应该强调“归纳法”。

研究创新能力的训练,核心是让学生学会思考和分析的能力。优秀的科研经历当然有利于教学的升华,但是学生创新能力的训练,不能简单地理解为让学生直接开展最前沿的科研工作。否则,基础课程的教学将失去魅力,也容易把学生做成“夹生饭”。

实验项目的层次和质量比数量更为重要,其实不同实验项目只是在不同领域的不同层次上训练了同样的东西。

考核是一个教学和学习的环节,而不应是一门课程的终结符号,要让它发挥教学的作用。

三. 近代物理实验教学经验总结

1. 实验室建设方面

“分层次构建,有步骤实施,突出综合与创新”的实验室建设模式)

近物实验教学内容涉及物理学科各个研究领域,为了合理利用好有限资金,我们没有普遍撒网,而是采用了“分层次构建,有步骤实施,突出综合与创新”的建设模式。

第一层次:在物理学各专业领域,优先保障最基本的经典实验项目,积累学生全面扎实的基础知识和技能。目前,近代物理实验项目已经涵盖了原子物理、核物理、激光、光谱、真空技术、材料物理、X射线、微波、磁共振、微弱信号检测与电信号处理等领域。在这个层次的实验项目中,既有物理学发展史上具有里程碑式作用的经典实验,如:夫兰克-赫兹实验、密里根油滴、卢瑟福散射、黑体辐射、X射线光谱、塞曼效应、电子衍射、全息照相、扫描隧道显微镜等十多个诺贝尔物理学奖实验;又有一些典型实验技术,如:真空技术、微波技术、激光技术学等方面的大量基础实验。

第二层次:新增了常用现代物理应用技术的综合性实验,如:微弱信号检测技术、光信息技术、光谱检测技术等。

第三层次:以训练学生的科学研究素质为目的,优先建设了一些能够反映我校物理学科专业特点和优势的综合性研究性实验项目,如非线性光学技术综合实验(可进行电光调制、光学双稳态、光学混沌、光学分叉、光信息存储等内容)、各波段光谱仪、荧光光谱、拉曼光谱、紫外可见分光光度计(可以完成系统的光谱分析研究)原子力显微镜(可开展材料表面形貌分析)、脉冲核磁共振、电子自旋共振等。通过这种模式的运作,我们既节约了经费,又保障广泛的基础性,更形成了鲜明的特色。

为了利用好资金,突出实验室特色,在实验室过程中我们除了考虑实验内容的层次性,也充分研究了学科发展、仪器设备和人员背景的现状,制订了以下优先原则:优先补充那些已有一定基础,经过增补可以开展完整科研活动的实验仪器;优先填补空白领域的项目;优先跟踪新兴技术项目;优先测试性设备建设。通过这些方案的实施,分清了轻重缓急,提高了资金利用效率。

目前,近代物理实验室可开设十类3个层次4890多台套实验项目,5年内实验室仪器更新率达到66%。向下能够巩固基本知识技能,向上可以培养研究创新素质,一个内容广泛、特色鲜明、层次清晰,能够开展良好实验教学工作的硬件环境已经初步形成。

2. 教学方法方面

(规范教学环节,以科研的态度对待教学实验,在教学实验中进行科研训练)

教学实验不应被看作简单的验证和重复,而应作为一次科学研究过程。因为对每个学生而言,每次实验教学,就是从未知到自由的认知和发现过程,本质上就是一次科学研究过程。因此,我们对实验教学环节重新进行了规范,要求实验教师和学生“以科研的态度对待教学实验,在教学实验中进行科研训练”。也就是说把一次教学实验当作一次科研过程;把一份实验报告当作一篇科技论文,把一次答辩考核当作一次学术报告,从一点一滴起培养学生的研究创新能力。

(1) 探究式的课题引入方式

从小学到大学,我们习惯以演绎法的方式给学生建立“物理概念”, 讲授“物理规律”,进而通过演绎推理,完成练习题目或者考试试题。这种方式无疑培养了学生扎实的理论功底。使他们清楚的了解了概念、知道了规律,擅长推理,从容得应付考试题目。但是事实上,更多具有创新意义的发现,往往是依靠“归纳法”的逻辑思考获得的。

传统近代物理实验教学方式或多或少的带有重复和验证的色彩,而且往往注重知识积累和实验过程,忽视研究过程,不利于学生分析和解决问题能力的提高。能够从生活体验和物理现象出发,“归纳”出要研究的“物理问题”是一个首先需要训练的重要环节。因此,我们在近代物理实验项目的引入方式上,开展了大量的研究,使很多经典的重大实验能够从生活体验和现象入手,抽象出待测量的物理量,归纳出“物理问题”,设计出实验方案,最终探究出物理规律,并进行必要的应用拓展。

案例:黑体辐射实验

实验背景:黑体辐射是量子力学理论的奠基实验,曾经是近代物理史上的“一朵乌云”。相关问题的解决直接导致了三项“诺贝尔物理学奖”,获得者分别是瑞利、韦恩和普朗克。

引入方式:冬季浴室中洗澡如果要用浴霸取暖,请设计一个方案,来检测哪个浴霸产品更好。要求:给出“好产品”的理由;给出检测设备的结构图和大致参数;给出检测方案;给出数据处理方法。

引导方式:“好产品”就是耗费同样电能,提供了更多的热辐射,没有紫外,减少可见;归纳出要检测的物理量:特定温度下,每个波长辐射了多少能量,即光谱;进而选择光谱仪种类和波段(必须用红外光谱仪,若用紫外到可见光段的光谱仪,会导致“红外灾难”);启发学生对仪器定标校正,制定实验方案;通过实验数据分析和处理,研究总能量与温度的关系,得到类似斯特潘玻尔兹曼定律的规律;研究辐射能力最强的波长与温度倒数的关系,得到类似韦恩位移定律的规律;最终,总结出炙热的钨丝的辐射特点接近黑体辐射的规律。

  应用拓展:酒精灯外焰加热的原因、光测高温、红外夜视仪、热成像和热追踪等。

(2) 教学过程递进设问的推进方法

研究创新能力的训练,核心是让学生学会思考和分析的能力。改变传统的“灌输式”教学方法的最简洁途径就是通过“问题驱动”来激发学生的思考。能否提炼出关键性的问题,是教学设计成败的关键。实验课程的进程一般比较长,每一步都有逻辑的递进性。能够在不同的环节上,提出核心问题,引导学生思考是提高学生研究能力的关键。 

实验课的关键性问题首先来自方案的选择。这些问题应该一步步把学生“逼迫”到一个可以有效实施的实验方案上来。其次,实验仪器的选择直接决定着实验结果,也是方案的重要组成,每个仪器种类和参数的选择都应该有必然的原因;最后,能够根据实验数据提出问题,促使学生思考,将直接实验体验上升为理论规律,并进行必要反思。

由于近代物理实验课程同时开设的实验项目较多,我们针对每个实验,总结出了每个环节的核心问题,分多轮次逐一给学生提出问题,进行循环讲解。如果学生对这些问题没有思考,就禁止开始实验。核心的思路就是让学生自己思考、自己分析、自己实验、自己总结。

案例:塞曼效应实验

实验背景:塞曼效应的内容是原子的光谱线在外磁场中能够分裂为偏振化的谱线。该实验是物理学史上著名经典物理实验,荷兰科学家塞曼于1902年因此获得“诺贝尔物理学奖”。它在核磁共振技术、激光技术、光谱技术领域内有着重要的应用。

第一阶段问题:能级是微观理论模型,你如何从宏观上看得见能级分裂?(关键问题)  选用什么原子体系,为什么?(关键问题)  采用什么磁场?如何获得和测量?

第二阶段问题:采用什么方法确定光谱分裂后波长的变化?(关键问题)

第三阶段问题:给出实验仪器设备和设计方案。

实验后思考问题:给出Hg原子反常塞曼效应实验的机理解释。另外设计一种简便的塞曼效应观测方法(吸收光谱)。

(3) 实验项目的应用拓展

将实验项目进行变形、延伸或者组合,形成一些具有研究意义的拓展训练小课题,是学生在基本实验内容结束后进行创新研究的直接练兵,也是教学实验项目的最大魅力。应用拓展课题的积累是一个繁杂艰苦的过程,作为教学实验的一部分,每个课题的发展方向和大致结论应该能够被教师驾驭和控制。这就需要课题组事前进行大量的实验工作,必须确保每个应用拓展课题在现有条件下是能够实现的,而且是学生的知识层次和理解能力能够接收的。另外,大多数拓展课题应该是学生在上课时间内能够完成的了的。经过多年积累,我们已经对每个实验项目都积累了多个这样的应用拓展课题。

案例:光速测量实验

实验背景:真空中光速是重要的物理常数,基本物理量米的定义;

          麦克尔逊測光速获诺奖,历史上20多种著名的光速测量实验;

          近年来关于光速减慢和超光速问题的研究热点;

拓展课题:1测量实验室自来水折射率 

          2将此设备改成一台激光测距仪,测量实验室长度

  3另外设计一种测量光速的方案(相位法、巧克力微波加热法……)

  4该实验设备比较庞大,试提出一种缩小实验设备的方案

案例:全息照相实验

拓展课题:1利用全息照相拍摄小灯泡温度梯度分布照片

2利用全息方法研究晶体的压电效应

3设计一种激光监听的实验方案

案例:隧道扫描显微镜应用实验

拓展课题:1压电陶瓷的非线性效应研究;

2压电陶瓷非线性导致的AFM图像校正;

3扫描隧道谱的研究

4粉末材料在AFM下的表征

5高序石磨层上进行刻蚀

(4) 实验考核教学功能的充分发挥

考核是一个教学和学习的环节,而不应是一门课程的终结符号。实验课的考核除了具备与理论课考试相同的共性外,还有其独特的地方。每一个近代物理实验都包含物理内容与实验技术两方面,实验技术的应用都有深刻的物理内涵,物理理论原理都有重要的应用价值。只有对学生这两方面的积累进行综合考查,才能全面客观地反映物理实验课程的教学效果,形成真实有效的反馈信息。近代物理实验课程组通过多年的经验总结,形成了一套更加充分发挥考核教学功能的综合性实验考核方法。

我们根据多年的教学经验和研究,总结了一套行之有效的综合性考核办法,根据课程特点我们综合采用了平时考查、笔试考核、操作考试和专题答辩等多种形式的考核方式,综合考查学生的知识水平、能力状况和综合素质。对平时成绩按照2+3+5方式评定,即课前预习20%、课堂操作30%、实验报告50%;期末考试,针对不同对象,采用笔试、操作和答辩考试相结合的方法。最值得总结的是答辩考核,经历了一个漫长的摸索过程,现在已经形成了自己的特色,也收到了良好的教学效果。

1 2005-2008年,我们开始进行答辩考核的尝试

考核对象:基地班第二学期的近代物理实验课程

   时间:期末考试阶段

   态度:要求学生“真正讲清一个实验”;师生间、同学间相互学习 

   方式:集中1-2天;占总成绩30%;要作幻灯,现场评定成绩

   优点:简便易行;每年收集学生答辩幻灯片、照片和论文,保留资料

   缺点:临近其它课程考试,时间仓促,学生准备不足,当作一般考试来应付。没有经过研究性实验过程,缺少具体问题的深入研究。答辩时间过于集中,教师太累,没有充分的时间逐一倾听和点评。

2 2009年以后 改变答辩考核的操作方式

时间:将每次实验课的第一个半小时作为答辩考核时间

方式:每次安排1-2组同学汇报  师生共同评议是否通过

地点:第五教室多媒体机房

优点:每次汇报的学生少了,应付性报告显著减少;通过学生实验汇报,没有选作该实验的学生可以得到普及,选作了该实验的学生可以提出问题加深印象;每次汇报的内容更加集中,具体的研究性报告逐渐增多;教师也能够进行认真的倾听和更加深刻的点评,也从学生的实验汇报中得到了许多知识和启发;这种方式终于可以选择性地推广到其他专业。

这种考核方式,更加强调实验考核的教学功能。要求学生把答辩当成科研过程中小组讨论和答辩的模拟训练,让学生们在考核的过程中学习知识和技能,归纳思路和方法。

(5) 物理实验人文精神的挖掘

物理实验课程的教学目标包含三个维度:知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观。由于近代物理实验课程的教学内容涉及到大量物理学史上具有里程碑意义的重要实验(以21项诺贝尔物理学奖实验为代表),它们当中蕴含着丰富的物理思想和强大的人文精神。所以,在教学中以经典实验为载体,挖掘物理实验的人文精神,培养学生的情感态度和价值观,非常便于既“教书”又“育人”。学生们通过一次次独立分析解决问题,一次次诺奖实验的亲身体会,教师稍加引导即可收到良好的教学效果。

人文精神专题讨论案

1 从“小处”着眼看创新能力培养——有困难就有需求 有需求就有创新

       切入点:以人类对微观形貌分析方法探索过程中创新思想发展的历程

2 乐观平和 天生我才必有用

  切入点:以近代物理实验中仪器的选用原则为切入点

3 保持信心 我们生逢其时

切入点:以黑体辐射规律发现史来进行评述

4 从物理实验看“舍得之道”

切入点:以扫描探针显微镜等典型实验设计思想中的取舍原则为例

5 处处留心 学以致用

    切入点:以身边的物理现象和应用为例(尤其是光的干涉衍射偏振、电磁感应的应用)

6 让事实说话 用实验说服自己

   切入点:物理实验数据的处理,结果的分析和认识

上述案例的专题报告不仅融汇到了近代物理实验课程中,还在近年来物理系的学术活动月活动中进行了专题报告。另外,在城资系、法律系知识产权专业的物理实验课程中也进行了专题报告。

四. 近期的工作打算

1.加快实验项目视频资源的制作。目前部分实验拍摄已经完成,正在后期制作。

2.加强实验课与理论课的对接与组合。例如:近代物理实验课与原子物理课程的联合教学,演示物理实验与大学物理课程的结合。

教研活动
成果展示