竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索

竞赛与教学相融合的开放式物理实验教学探索 钟菊花;顾英俊;章登宏;房毅;朱云霞 【摘 要】The university physics experiment is a basic course of physical experiment with complete system,rich experiment ideas,methods and approaches.The CUPT contest which is originated from the daily life and production and engineering technology,with deep principles,and is rich in content and novel,is attractive to the students,and can provide much material for thinking,is proven as an excellent supplement to the traditional course of university physics experiment in cultivating students' innovation capability.In order to effectively inspire the enthusiasm of the undergraduate students,it is still necessary to incorporate the physics academic contest CUPT into the teaching of general physics experiments,so as to form a comprehensive and open teaching methodology,give full play to students' autonomy and creative learning environment.Through examples,this paper expounds the effect of the incorporation on the cultivation of active students' thinking and the exploration of the unknown abilities.%大学物理实验是一门体系完整,具有丰富的物理实验思想、方法和手段的基础课程.CUPT赛题来源于日常生活及生产与工程技术,内容丰富而新颖,道理深刻而发人深思,极易激发学生学习兴趣和探索欲望,在培养学生创新意识和能力方面成为物理实验课程的极好补充.为了有效调动学生的学习积极性,将CUPT竞赛融入物理实验教学,形成了多元化、开放式的物理实验教学模式,营造充分发挥学生自主性和创造性学习的环境.本文通过实例阐述将两者融合对活跃学生思维、探索未知能力的培养所产生的作用. 【期刊名称】《物理与工程》 【年(卷),期】2017(027)005 【总页数】4页(P99-102) 【关键词】大学物理实验;开放式教学;CUPT竞赛 【作 者】钟菊花;顾英俊;章登宏;房毅;朱云霞 【作者单位】华东理工大学理学院,上海200237;华东理工大学理学院,上海200237;华东理工大学理学院,上海200237;华东理工大学理学院,上海200237;华东理工大学理学院,上海200237

【正文语种】中 文 物理实验课程着重讲授基本实验原理、实验方法和实验的科学思想，但在与应用结合方面考虑较少，这在一定程度上降低了学生的参与热情。与此同时，多数教材中实验步骤已十分详实，学生很难有自由发挥的余地，只能照章办事，这就进一步降低了学生的自主学习兴趣。久而久之，学生将养成循规蹈矩的思维模式，缺乏想象力和创造力，不利于创新型人才的培养。 提高人才培养质量是高等教育最核心、最紧迫的任务，其中学生创新精神、实践能力的提升是人才培养的关键，因此实验教学应成为加强学生基本操作技能、创新思维、科学探索精神和科研创新能力培养的重要环节[1]。由于传统的实验教学模式相对封闭，学生获得的往往只是对课本知识的加深及基本技能的锻炼。因此，国内外高校纷纷开展开放式实验教学研究，打破常规实验教学中指定时间、指定地点、指定内容的局限，以充分发挥学生的主动性、创造性，提高其实验操作技能，培养科研创新意识和能力[2]。 开放式实验教学强调以学生为主体，为学生营造充分发挥自主性学习和创造性的环境[3]。但也不可否认，由于经验不足，不少高校所开展的开放式实验教学还停留在形式和表面上，对实验过程缺乏有效的指导，学生自选实验内容时缺乏系统性，无法对学生进行个性化的指导，评价方式缺乏科学性，对学生打好实验基础、提高实验的设计能力不利。为此，许多高校都针对自己学校学生的特点，开展了各种类型的开放式教学研究。本文将介绍我校多年来开展的以学生兴趣为导向、学术竞赛为载体的开放式物理实验教学模式。 近年有国内众多高校参与的大学生物理学术竞赛(CUPT)与传统物理实验课程内容有明显不同[4]，它要求学生对某些实际物理问题进行综合性理论与实验研究，突破了实验教学的传统模式。例如，2012年竞赛第2题 “Cutting the air—When a piece of thread (e.g., nylon) is whirled around with a small mass attached to its free end, a distinct noise is emitted. Study the origin of this noise and the relevant parameters”(译：切割空气——当在一段绳子如尼龙的自由端系上一个小物体后甩动将发出噪音，请就噪音的根源与影响参数进行研究)，是一个在日常生活中经常遇到的现象，人们很少会深究这声音的来源。它要求学生不仅要观测实验现象，还得寻找发声的规律，从理论上分析产生声音的原因。这道题目既包含振动与波的知识，还与流体力学相关。要求学生首先要查阅相关资料与文献，再通过实验设计和理论分析，确定声音产生的原因，得到声音的频率与相关参量的表达式，通过滤波等技术从实验采集的声音信号中获取其频率数据，验证此频率与小重物直径、甩动角速度、雷诺数等的关系。 另外，CUPT的赛题几乎都是全开放式的，基本不设置限定性条件和参量。如2014年竞赛第8题“Freezing droplets—Place a water droplet on a plate cooled down to around -20℃. As it freezes, the shape of the droplet may become cone-like with a sharp top. Investigate this effect.”(译：冷冻水滴—将一个水滴放在冷却到约-20℃的盘上，在它结冰时水滴的形状变为有个尖顶的锥形体。请研究这个效应)。此题要求水滴在约-20℃的盘上冻结，而其他参量和实验条件均需要学生在研究中自行设计和深入探讨，并且影响因素较多：如水滴的体积、盘的导热系数与比热、环境温度、盘的温度、润湿角等等，给学生提供了很大的自由探索空间。 “知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，说明人的兴趣对于从事一项活动的重要性。由于CUPT的赛题基本来源于日常生活及生产与工程技术，是未被加工或被加工成份甚少的实际问题[5]。这种实际问题使学生感到亲切，激发了学生学习兴趣和探索欲望，他们充分认识到物理学不是抽象的理论体系，而是活生生的、非常有用和有趣的，从而形成科学的自然观、世界观。 开展CUPT竞赛将解决学生不善于、不愿意提问的缺点。提问是一向被国内教育所忽视的问题，学生们也习惯于被问，不善于在生活中发现和提出问题，而科学研究的第一步就是“质疑”[6]。由于CUPT赛题只给出了现象性描述，学生必须从现象入手提出科学性、理论性问题。进行理论分析时需要运用抽象、简化等科学方法将客观、真实的物理问题转化为物理和数学模型，从而有效地提高学生分析、解决实际问题的能力。 以下将通过若干实例说明将CUPT竞赛引入普通物理实验教学对学生创新能力培养所产生的作用。 (1) 2016年竞赛第10题为“Light Rings—Let a liquid jet fall onto a surface. If the contact point is illuminated by a laser beam, rings of light around the jet can be observed. Investigate the light rings and determine how they depend on relevant parameters of the whole system.” (译：光环——将液体喷向一表面。如果激光照射到接触点处，人们便会看到围绕液柱的光环。请研究这些光环，并确定它们如何受到整个系统相关参量的影响)。这是一个在生活中很容易观察到的现象，当打开自来水龙头调细水流或用手指或平板阻挡水流时，就会产生如图1所示的“驻波”现象。将激光照射在水柱和平面接触点上，可在液柱上清楚地观察到一圈圈的光环。“驻波”是如何产生的？光环又是如何形成的？与哪些因素有关？如何才能观察到稳定图像？学生需要通过综合运用伯努利方程、表面毛细波模型，以及光的漫反射、全反射和折射原理等相关知识，将问题简化处理，再通过实验检验，才能准确地解释这些问题。 (2) 2014年竞赛第17题“ Chocolate Hysteresis—Chocolate appears to be a solid material at room temperature but melts when heated to around body temperature. When cooled down again, it often stays melted even at room temperature. Investigate the temperature range over which chocolate can exist in both melted and ‘solid’ states and its dependence on relevant parameters.”(译：巧克力热滞——巧克力在室温下表现为固态，但约在体温下就会融化。如果再次冷却，即使在室温下它常常会仍然保持着熔融状态。研究巧克力能以熔融和固态两种形式存在的温度范围，以及与相关参数的依赖关系)。这个课题的研究瓶颈在于巧克力的融化和凝固点的判断方法，寻找准确有效地测量方法就是研究的关键。学生们首先尝试了直接观察法，即用光学显微镜观察流动性。实验发现，虽然用直接观察法能较准确观察到升温过程中巧克力的融化，但不易通过流动性判断其在降温过程中的凝固点。在不断探索中，发现如果测量巧克力的粘度(可使用旋转粘度测量仪)，就能有效判断其融化和凝固点。因为升温和降温过程中巧克力粘度的变化非常之大，且存在多态现象，如图2所示。在降温过程中，巧克力的粘度会缓慢增大；如果粘度突然变大，此时的温度可认为是凝固点F。在升温过程中，粘度逐渐变小，如果突然不变，此时的温度认为是熔化点M。 (3) 再如2014年竞赛第7题“Pot-in-pot refrigerator—The ‘pot-in-pot refrigerator’ is a device that keeps food cool using the principle of