物理实验内容的现代化问题

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1、物理实验内容的现代化问题 北航物理实验改革的实践和深层次思考梁家惠黄江(北京航空航天大学，北京100083) 物理实验改革的重点是实验内容的现代化，这已经成为时代的共识.但是怎样把握作为一门基础课的实验课程的现代化，用什么框架去构建现代化，却是我们时刻需要面对并且根据自己的认识和自身条件加以回答的问题.下面结合我们的实践谈几点看法.1基础知识与甚础物理实验的关系如何协调 基础知识是前人长期探索的结晶，它的内容相对稳定，基础物理实验的内容更是经典;而高科技时代技术发展大大加快，知识体系不断更新.这两者的关系如何协调? (1)必须把那些得到广泛应用、相对成熟的新的实验方法、知识和技术及时引人到实验

2、教学中来.这是保持实验课程具有现代气息的基本功.例如以计算机为中心的数字测量技术已经在各个领域得到广泛应用，它们应当在物理实验中得到反映.为此我们自主开发了“碰撞过程的瞬态数字测量”，把数字测量技术中的传感器、AD采样与瞬态采集以及计算机的数据记录与处理引人了实验教学，并把该实验作为必做的基本实验来安排. (2)物理实验的题目经过前人的反复锤炼和筛选，具有很强的传统力量，再加上多种客观因素的制约(例如教学运行机制，低年级学生的实验基础，改革需要教师的大量投人等)，对经典的物理实验内容进行手术并不是一件容易的事情.决心来自对课程内容的科学分析.我校以往常开的24个实验中，几乎全部成型于上世纪70

3、年代，有些设备还是五六十年代的产品.从近、现代的高度重新审查这些实验，许多属于方法陈旧或已丧失了应用价值.例如光点检流计和冲击检流计，由于集成运放的普及而且价格低廉，几乎所有需要它们的地方均可被替代，因此这些仪器以及灵敏检流计的研究等内容也就自然退出了教学舞台.力度较大的改革还反映在按照新的基本训练要求对实验重新进行整合.以电学实验为例.根据我们对传统实验的分析结合我校交流电路归人电工类课程的特点，我们按照实验方法(伏安法，电桥法和补偿法)对电学实验进行了归整;光学实验则按几何光学一波动光学一信息光学进行安排，其中信息光学是新增加的.经过这样的整合，我们把基本实验由原来的24个整合成现在的18

4、个，其中1/3基本保留了原样(例如分光仪和迈克尔逊干涉仪的调整);1/3经过了重新改造(例如补偿法自组电位差计，双棱镜干涉测波长);1/3则是新开的(例如碰撞过程的瞬态数字测量).鉴于几何光学的像质问题与波动光学的衍射实验、信息光学的传递函数概念联系紧密，我们在光学实验中没有安排单缝衍射的光强分布，而是增加了圆孔衍射的定量讨论. (3)物理实验是为人才的培养打基础的.淘汰是改革的一种手段，既要大胆又要谨慎.我们的行为要经得起历史的检验.对那些经过分析要淘汰的实验，要注意保存其中仍有价值的精华，“不要在倒洗澡水的时候把孩物理与工程2004年论文集103子也倒掉了”.以电位差计为例.有一种说法，目

5、前电位差计已被数字电压表所替代，电位差计的生产厂家惟一的销售对象就是大学的物理实验室，因此电位差计的实验应当淘汰.我们经过分析认为:电位差计在许多领域已被数字电压表所替代确是事实，但补偿法作为一种测量方法目前依然应用广泛，而且在近代的电磁测量中直流比较仪电位差计仍是准确度最高的，常被用作标准来检定数字电压表.因此我们的做法是淘汰11线电位差计(这种原理性的电位差计不仅设备陈旧，而且测量精度也低，体现不出补偿法的优点)，突出补偿法的训练，淡化但不排斥电位差计.我们把实验改造成用两个电阻箱自组电位差计，强调了补偿原理，测量精度比较高，在仪器误差和不确定度的传播方面也有很好的训练价值.此外还开发了一

6、个用电流补偿原理测量光电流的设计性实验. 对光点检流计和冲击检流计的处理也是如此它们作为仪器退出了教学，但仪器体现的光放大原理应当保留，基于这种考虑，我们保留了光杠杆测弹性模量的实验.又如冲击电流计和物理天平退出了物理实验，但与它们相关的实验“电容冲放电法测高阻”和“浮力法测密度”的思想并没有过时，经过改造这些原理分别被纳人了“碰撞过程的瞬态数字测量”和“自组电桥”的选做实验.前者成了电荷放大器的扩大应用题目，后者用于漆包线团电导率测量的一个环节(体积测量).即使是光点检流计那样已经被淘汰的仪器，也仍暂时保留在实验室的库房，未做报废处理，以便有更充分的时间考验，再下决心，尽量避免因个人的认识失

7、误给改革带来不必要的损失.2开设一批新的综合性实验开设一批新的综合性实验是实验内容现代化的重点，被许多人看作是物理实验改革的“标志性成果”.对综合性实验我们的选题原则是:应当具有前沿或当代应用的价值，特别是高科技的背景和知识面广泛的特点;应当保持大学物理的风格;应当有良好的基础物理实验的训练内容.在实施的过程中，我们遇到的问题集中表现为两类:一类是物理思想很好但实验本身操作简单.例如动态法测金属热导率实验.把热导率与计算机测控技术结合起来想法很好，但实践动手不足，4学时的课程不到2学时就结束了.为此经反复研究，增加了稳态法测不良导体的热导率内容.两种测量方法放在一起，可以有比较，丰富实验的物理

8、思想和训练内容.将来有可能，还想增加瞬态法，给学生更完全的知识.另一类是原理叙述超出了低年级学生的水平.例如阿贝成像和空间滤波是信息光学的基础性实验，但许多学生难以理解光学傅里叶变换的数学表述，他们反映做完了实验仍不知其所以然.针对这种情况，我们重写了教材的原理部分.先从一维光栅的夫琅禾费衍射出发提出角谱的概念，再与方波的傅里叶分解进行对比，引人频谱面和滤波的概念，收到了比较好的效果.又如用Chua氏非线性电路研究混沌现象，我们在引进兄弟院校实验仪器的基础上，把教材的原理叙述集中在学生能够理解、实验也可以观测的相图、倍周期分岔、阵发混沌、奇异吸引子和费根鲍姆常数上，在实验和报告的内容方面则增加

9、了费根鲍姆常数的测量和用四阶龙格一库塔法编程画出奇异吸引子和双吸引子的相图等选做内容. 所谓大学物理风格就是要强调事物的物理概念和图像，数学推演一般不超过工科低年级学生的高等数学程度.这样做，可能在数学表述上会失去一些普遍性或严格性，但有利于学生对物理本质的把握.综合性实验是基础物理实验的一个层次，它不应等同于科普知识的介绍，也不应变成专业实验.它既要坚持按大学物理的风格来阐述原理，又要有104物理与工程2004年论文集比较丰富的实验方法和技能的基础训练.这样做也为我们开发新实验指出了方向.在教学改革的热潮中，兄弟院校和教学仪器厂研制了许多新设备，但符合上述要求的新颖实验仍感不足。例如CT实验

10、是一个很有价值的综合性实验题目，但有些开发的教学仪器把它做成了“黑盒子”，学生只能看见被测样品和反演图像，无法参与到实验中去.为此我们自行开发了超声CT实验，尽管重建的图像质量不如射线CT，但学生可以参与扫描-滤波一重建的各个环节，在实验的原理、操作和安全性上都有较好的训练价值.3开设一批设计性实验 设计性实验是指只给实验的题目和适当的仪器，要求学生完成相应的实验.它的特点是通过原理、参数或过程的设计并独立完成实验的全过程，学生可以培养运用知识解决实际问题的能力和创新意识.如果说综合性实验是从知识应用的角度，为学生提供了物理学和物理实验方法在科学研究和工程技术_L进行创造的范例，那么设计性实验

11、就是要让学生通过自己的设计去获得进行这种创造的感悟和乐趣. 有一种观点认为基础课的内容是已经成熟的科学知识，没有什么创新的问题，基础课是为学生将来的创造打好知识基础的，让低年级学生去创新不仅不现实，而且会把基础课的改革引人歧途。我们不同意这种看法，我们认为创新是分层次的.本科生、硕士生、博士生都要做毕业论文，区别这些论文性质、价值的根本标准就是创新的层次和大小.教学改革面临的问题很多，但就高层次人才培养的业务条件而言，中国教学制度最大的差距就是创新意识差.设计性实验就其涉及的知识本身谈不上多少创造性，但对学生本人却是第一次，需要灵活和突破，因此也是一次创新意识的培养. 设计性实验分成三个层次，

12、一是分散在各个基本实验中的小题目.例如附着在电桥实验中的电缆短路故障的识别，在声速测量和示波器应用实验中的二极管伏安特性的显示，在碰撞过程的瞬态数字测量实验中的超高电阻的测量等.二是实验考试型的，包括4 个电学实验和4个光学实验题目，每个学生都要参加并需在课内完成从设计、操作到数据处理的全过程.三是课题型的，以选修课的方式开出. 搞好设计性实验的关键是选好题目和控制难度，既要吸引人，又要让学生“够”得着、看得到成功的希望，从而最大限度地把他们的潜力挖掘出来.提供一批有新意、难度适中的题目并不是很容易的，而课题型的设计性实验更要年年出新.目前我们已经开出的设计性实验题目约有40多个，其中包括选做

13、实验15个和考试实验10个.题目和难度至今仍在不断地调整. 教学改革离不开经费的支持，但最关键的仍然是广大教师和实验技术人员的学术水平和敬业精神.没有人的素质，单靠钱是堆不出实脸内容的现代化来的. 改革也是对教师业务能力的考核，进行基本实验的改造时，你不仅要分析、弄清物理实验的基本知识、方法和技能，还要了解它们在工程技术中的作用，才能做出比较正确的判断;为了做好选题，你要有广泛的学科前沿和技术应用的知识;引进和购买设备，你不仅要了解设备的性能，做出选择，而且要结合具体条件进行二次开发;自主研发新的实验，更是对教学和科研能力的一种检验，在我们自己开发的十来个新实验中，凡有独创性的，都是以教师的科

14、研工作作为背景的. 对实验技术人员来说，新旧实验的更替，不仅管理的工作量增加了许多，还要学习新仪器的使用和维修;不仅自制的仪器要参与开发，还要对引进实验的易损件进行改装甚物理与工程2004年论文集05至重新设计替换.例如我们自制的铂电阻温度计外观和耐久性能都有很大的提高.改革正未有穷期.实践告诉我们实验内容的现代化是一个动态的渐进过程，既不能_跳而就，也不会一劳永逸，需要有与时俱进、锐意进取的长期准备和奋斗精神。我们这儿年的工作只是改革长河中的一个大的战役.实验教材连续三年不断修改，包括引进的实验，内容也还在进行不同程度的修改或重写.最近基础物理实验已通过我校精品课建设的列项申请，新教材建设又列人了北京市的精品教材计划.我们希望通过今后几年的努力，把实验内容的现代化推向一个新的水平.