大学物理实验课反溯教学方法研究.pdf
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1、物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 5基金项目:北京科技大学2 0 2 1年度本科教育教学改革重点项目(J G 2 0 2 1 Z 0 5)和教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会2 0 2 0年教学研究项目(D J ZW 2 0 2 0 0 6 h b)。作者简介:谢子昂,男,讲师,主要研究方向为半导体光电器件、柔性功能材料、微纳结构制造与电磁仿真等,x i e z i a n g u s t b.e d u.c n。通讯作者:吴平,女,教授,主要从事大学物理与实验教学研究及凝聚态物理研究,研究方向为低维能源材料、颗粒物质物理等,
2、p i n g w us a s.u s t b.e d u.c n。引文格式:谢子昂,张师平,陈森,等.大学物理实验课反溯教学方法研究J.物理与工程,2 0 2 3,3 3(4):1 0 7-1 2 0.C i t e t h i s a r t i c l e:X I E Z A,Z HAN G S P,C HE N S,e t a l.R e s e a r c h o n r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d f o r c o l l e g e p h y s i c s e x p e r i m e n t c o
3、u r s eJ.P h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g,2 0 2 3,3 3(4):1 0 7-1 2 0.(i n C h i n e s e)大学物理实验课反溯教学方法研究谢子昂1 张师平1 陈 森2 裴艺丽2 李 莉2 邱红梅1 赵雪丹1 王云良1 吴 平1(北京科技大学1数理学院;2自然科学基础实验中心,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要 为促进新形势下的“大学物理实验”课程体系改革,推动“高素质、创新型”人才培养朝新方向、高水平前进,北京科技大学“大学物理实验课反溯教学方法研究”课题组提出了物理实验课反溯教学方法,将现代科技的最新发展
4、引入课程,对反溯教学方法进行了探索。课题组从实验现象出发,引导学生反溯基本物理学概念、原理和现象,并相应组织编排物理实验内容,激发学生的探索欲和创造欲,全面提升学生的学习兴趣和学习能力。课题组从实验室建设、新教材建设、新实验编排、本科生科技创新、实验课程与最新科研项目结合等多个角度出发,对“大学物理实验”课程体系进行了全面深化,促进学生变“要我学”为“我要学”,并取得了一系列教学成果。关键词 大学物理实验;反溯教学方法;课程建设;现代科技R E S E A R C H O N R E T R O A C T I V E T E A C H I N G ME T H O D F O R C O
5、L L E G E P H Y S I C S E X P E R I ME N T C O U R S EX I E Z i a n g1 Z H A N G S h i p i n g1 C h e n S e n2 P E I Y i l i2 L I L i2 Q I U H o n g m e i1 Z H A O X u e d a n1WA N G Y u n l i a n g1 WU P i n g1(1 S c h o o l o f M a t h e m a t i c s a n d P h y s i c s;2 B a s i c E x p e r i m e
6、n t a l C e n t e r o f N a t u r a l S c i e n c e,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3)A b s t r a c t I n o r d e r t o p r o m o t e t h e r e f o r m o f t h e C o l l e g e P h y s i c s E x p e r i m e n t c u r r i c u l u m
7、s y s-t e m u n d e r t h e n e w s i t u a t i o n,a n d t o p u s h f o r w a r d t h e c u l t i v a t i o n o f“h i g h-q u a l i t y a n d i n n o v a-t i v e t a l e n t s”a t a n a d v a n c e d l e v e l,t h e r e s e a r c h g r o u p o n“R e t r o a c t i v e T e a c h i n g M e t h o d f
8、o r C o l l e g e P h y s i c s E x p e r i m e n t”i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g h a s p r o p o s e d t h e r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d f o r t h e c o u r s e.T h i s t e a c h i n g m e t h o d i n t r o d u c e s t h e l
9、a t e s t d e v e l-o p m e n t s i n m o d e r n s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y i n t o t h e c u r r i c u l u m a n d e x p l o r e s r e t r o a c t i v e t e a c h-i n g m e t h o d s.T h e r e s e a r c h t e a m s t a r t e d f r o m e x p e r i m e n t a l p h e n o m e n a,g u i d
10、e d s t u d e n t s t o t r a c e b a c k b a s i c p h y s i c a l c o n c e p t s,p r i n c i p l e s,a n d p h e n o m e n a,a n d o r g a n i z e d p h y s i c s e x p e r i-m e n t c o n t e n t s a c c o r d i n g l y,s t i m u l a t i n g s t u d e n t s d e s i r e t o e x p l o r e a n d c
11、r e a t e,a n d t h u s c o m-701物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3p r e h e n s i v e l y e n h a n c i n g t h e i r l e a r n i n g a b i l i t y.T h e r e s e a r c h t e a m h a s c o n d u c t e d a c o m p r e h e n-s i v e d e e p e n i n g o f t h e C o l l e g e P h y s i c s E x p e r i m e n
12、t c u r r i c u l u m s y s t e m f r o m m u l t i p l e p e r s p e c-t i v e s,i n c l u d i n g l a b o r a t o r y c o n s t r u c t i o n,n e w t e x t b o o k a n d n e w e x p e r i m e n t a r r a n g e m e n t s,u n d e r g r a d u a t e s c i e n t i f i c a n d t e c h n o l o g i c a l
13、i n n o v a t i o n p r o j e c t s,a n d t h e c o m b i n a t i o n o f e x p e r i-m e n t a l c o u r s e s w i t h t h e l a t e s t s c i e n t i f i c r e s e a r c h f r o n t i e r s.T h e s e p r a c t i c e s s t i m u l a t e d o u r s t u d e n t s t o c h a n g e f r o m b e i n g t o
14、l d“y o u m u s t l e a r n”t o s a y i n g“I w i s h t o l e a r n”o n t h e i r o w n i n i t i a t i v e.A s a r e s u l t,a s e r i e s o f s i g n i f i c a n t t e a c h i n g a c h i e v e m e n t s h a v e b e e n a c c o m p l i s h e d.K e y w o r d s c o l l e g e p h y s i c s e x p e r
15、i m e n t;r e t r o a c t i v e t e a c h i n g m e t h o d;c u r r i c u l u m c o n s t r u c-t i o n;m o d e r n s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y 目前,我国已成为世界制造大国,制造业规模跃居世界第一,已稳步迈入由“中国制造”转向“中国创造”的崭新阶段。未来2 0年内,我国人才需求方 向 将 由“技 术 型”转 变 为“高 素 质、创 新型”1-3。如何从高校教育的角度,将解决问题的技术型人才提升至善于提出问题、分析问题和解决问题的
16、创新型人才,是当今教学面临的重要改革方向4-5。作为高校理工科人才培养过程的必要环节,“大学物理实验”课程是学生进入大学后接受系统的实验技能训练的开端,对切实提高人才培养质量具有重要作用和意义6-7。但课程中还存在部分实验项目形式陈旧、教学内容与教学方法传统、与前沿科技结合较弱、不易激发学习热情等情况。学生完成实验操作后缺乏兴趣,更不知道如何对实验结果进行分析和讨论。教师的引导因人而异 8-9。学生投入了时间精力,却远未能达到应有的学习效果。进行资源统合并改革教学方式,成为课程亟待解决的问题。北京科技大学“大学物理实验课反溯教学方法研究”课题组以培养学生实践能力与创新意识为目标,注重学生未来发
17、展的实际需求,将现代科技的最新前沿发展引入课程,构建了符合“高素质、创新型”人才培养需求的“大学物理实验”课程反溯教学法。反溯教学法的基本思想,是从最新科技发展反溯其基本物理学概念、原理和现象,激发学生的探索欲和创造欲,全面提升学生的学习兴趣和学习能力。充分挖掘课程潜力,让学生从“要我学”变为“我要学”。三年来的教学实践表明,我们提出的大学物理实验课程反溯教学法成功构建了一整套大学物理实验课程教学范式,在课程体系建设、学生能力与创新意识培养等诸多方面均发挥了重要作用。以实验竞赛、科研论文、专利等为代表的成果见证了反溯教学法的成功实施。反溯教学法所构建的新型课程体系与内容为建设适应新时期、新形势
18、下人才培养需求的“大学物理实验”教学新方法进行了成功探索。1 反溯教学法指导“大学物理实验”课程新编排反溯教学法指导“大学物理实验”课程新编排的路线框图如图1所示。围绕这一路线图,我们从创新实验室建设、新教材编排、创新型新实验项目与内容设计编排等角度开展了工作。1.1 创新实验室建设创新、竞赛、实验教学相融合必须有教学环境改善的支持。三 年 来,课 题 组 从 实 验 室 硬 件 建设、实验室师资团队建设和学生开放性管理等方面全面建设创新实验室,同时做好实验室管理工作,以满足学生开展个性化实验与创新型实验的需求。我们搭建了通用制作实验平台、热学物性测量平台、软物质研究平台、核磁成像技术及应用研
19、究平台、分子动力学模拟仿真实验平台和光伏器件制备与测试平台等多个实验平台(图2(a)(f),为学生开展科学实验研究、科技创新项目、仪器制作、学科竞赛、科技竞赛、社会实践等活动提供便利。创新实验室是提升学生科学素养、建立正确科学观的重要场所。创新实验室每年支撑三十余组同学参加大学生科技创新项目、国家级和省部级实验竞赛等,使实验课堂实现由课内向课外自然延展。801物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3图1“大学物理实验”反溯教学法的研究思路图2 实验平台建设情况(a)通用制作实验平台;(b)热学物性测量平台;(c)软物质研究平台;(d)核磁成像技术及应用研究平台;(e)分子动力
20、学模拟仿真实验平台;(f)光伏器件制备与测试平台1.2 理科物理实验教程(第2版):力学、热学、电磁学、光学实验分册 教材 为了凝练、固化反溯教学法的研究成果,我们编排了 理科物理实验教程(第2版):力学、热学、电磁学、光学分册 教材1 0。所选入的实验项目既考虑了课程体系的完整性,又兼顾了前沿科技901物理与工程 V o l.3 3 N o.4 2 0 2 3的最新发展。各实验项目的编排均以反溯教学法为核心指导思想,首先引入背景知识介绍或具体的高新技术应用,再引导学生回归到基础物理现象和知识点。“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”,我们通过反溯教学法让实验项目激发了学生的学习兴趣和内在学习
21、动力。教学实践表明,经过以上实验课程内容的学习,学生在知识获取、技能培训和科研兴趣培养等诸多方面都有了大幅提升。在以上新教材编排的基础上,我们新申请了理科物理实验(2 0 2 02 0 2 1年)和基础物理实验&(2 0 2 22 0 2 3年)两个教学示范课项目,以反溯教学方法全面组织实施了新时期实验课程,受到学生的欢迎和支持。1.3 反溯教学法新实验1)干涉光刻技术实验干涉光刻技术是一种无须用到复杂光学系统即可制备精细微纳结构的技术手段。该技术可反溯回光干涉这一基本物理原理。我们设计了使用两束或三束相干激光光束干涉产生周期性纳米织构图形的光学系统,并研究入射角度、光束强度、光束波长等因素对
22、所成图形的影响。所研究的图形种类将包含光栅、孔阵、点阵、柱阵等多样化的结构,以满足不同的后续实验需求。结合图形转录方法,要求学生学习和掌握光刻图形“正模”与“倒模”的转移、转换技术,并探究不同类型光刻胶的性能。拟使用平面等离子体刻蚀等方法将所制微纳图形转移至硅衬底或砷化镓衬底上,使学生在领略光刻技术的同时,对刻蚀的基本原理、实验过程和影响因素有初步了解,也为学生未来进一步学习光刻技术做基础准备。2)基于 S a g n a c效应的激光干涉光纤陀螺仪实验陀螺仪是一种古老而有生命力的仪器,能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,因而在国防军事、导航测控、汽车制造等领域有重要应用。基于S
23、 a g n a c效应的激光干涉光纤陀螺仪的原理可反溯回光干涉等基本物理原理。同一光源发出的光分为两束后,在同一环路内沿相反方向绕行一周后会合可产生干涉。当环路所在平面旋转,干涉条纹将会发生移动,也即S a g n a c效应。此时,两束光线的光程差与环路所在平面的旋转角速度成正比。基于这一效应制成的激光干涉光纤陀螺仪可测量装置的旋转角速度。通过这一实验,可使学生回溯光干涉基本原理,掌握S a-g n a c效应的同时了解其应用,理解现代科学技术新发展与基本物理现象和物理原理之间的联系。将激光干涉光纤陀螺仪实验引入到大学物理实验中,可使学生反溯激光干涉的基本原理进行理论和实验探索,激发其学习
24、兴趣,了解S a g n a c效应及激光干涉陀螺仪,理解基本物理现象与现代科学技术新发展的关系。3)L E D光谱实验蓝光发光二极管(L E D)是白光L E D的基础,是一项里程碑式的发明。这种由于多数载流子注入而引起电子和空穴对复合发光的现象称为注入式电致发光,可回溯至能带理论等基本物理原理。L E D具有节能环保、寿命长、体积小、应用广泛、色彩丰富等特点,是继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源,在生活上、工业上有多种应用。我们尝试将L E D光谱实验引入到大学物理实验中,与光栅光谱仪实验相结合,让学生从L E D的发光原理与特性出发,引发学习兴趣,体会物理学科在高新技术中的重要作用,再
25、反溯回L E D的光谱研究,使学生在完成实验的过程中掌握新型半导体器件的发光原理和光谱特性。本实验已编排为 理科物理实验(第2版):力学、热学、电磁学、光学分册 课程的光学实验项目。4)混沌摆实验摆的发展与研究有着悠久的历史。双摆是一个由两个摆锤组成的简单物理系统,其中一个摆锤连接在另一个摆锤的末端。双摆属于混沌摆之一,具备丰富的动态特性,能够展现出混沌现象。混沌现象是指发生在确定性系统中的看似随机的不规则运动行为,表现为不确定性、不可重复、不可预测,是非线性系统的固有特性。双摆/混沌摆对于初始条件十分敏感,整个运动混沌无序、无法预测。混沌现象的发现和混沌理论的建立,同相对论和量子论一样,是对
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