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探究物理的教學(xué)改革舉措

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探究物理的教學(xué)改革舉措

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(shuō)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(méi)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(lái)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(cè)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(zhǎng)為635nm,由此可知其頻率為多少?能直接探測(cè)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(cè)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(méi)有預(yù)習(xí)的同學(xué)也略學(xué)到一些。

3提問(wèn)+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(lái)做實(shí)驗(yàn),總是著急做實(shí)驗(yàn),一遇到問(wèn)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(lái),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(cè)微弱振動(dòng)位移量實(shí)驗(yàn)為例展現(xiàn)具體過(guò)程。從實(shí)驗(yàn)題目來(lái)看的話,提問(wèn)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(lái):音叉振動(dòng)的振幅。提示學(xué)生,要測(cè)量的是長(zhǎng)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(wú)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(shuō)出利用雙光柵法。新的問(wèn)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(guò)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(shuō)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(wèn):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(zhǎng),提問(wèn)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(wàn)元左右,直接探測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(wèn)題出現(xiàn):怎么降低?部分學(xué)生能說(shuō)出光拍法。這個(gè)時(shí)候類比音拍的概念,來(lái)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(cè)量方法后,再來(lái)回顧振動(dòng)的知識(shí),即音叉振動(dòng)的特點(diǎn)。提問(wèn)學(xué)生音叉振動(dòng)屬于簡(jiǎn)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(wèn)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(wú)法分辯。若策動(dòng)力太小,振動(dòng)太微弱,無(wú)法研究振動(dòng)。要研究諧振曲線,最簡(jiǎn)單的方法是找到共振點(diǎn),提問(wèn)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(lái)注意聽音叉發(fā)出的聲音。引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)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(wèn)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(shuō)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(cè)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(wèn)題,搞清學(xué)生的問(wèn)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(guò)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(guò)程中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)操作過(guò)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(wèn)題,引起學(xué)生對(duì)細(xì)節(jié)問(wèn)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(guò)程中逐漸摸索出來(lái)的,受到了較好的效果,具體體現(xiàn)在教學(xué)評(píng)估成績(jī)的提高:第一屆學(xué)生給教師的教學(xué)評(píng)估成績(jī)?yōu)?2.03,第二屆學(xué)生給教師的教學(xué)評(píng)估成績(jī)?yōu)?4.27,第三屆學(xué)生給教師的教學(xué)評(píng)估成績(jī)?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(lái),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)