北京地区高等学校精品课程评选.

北京地区高等学校精品课程评选《大学物理实验》课程建设报告北京科技大学二○○五年六月1北京科技大学是一所以工为主，工、理、管、文、法、经相结合的多学科综合性全国重点大学，本科年招生人数超过2500人。崇尚实践，勇于实践是北京科技大学的优良传统。大学物理实验课程则是实践教学中具有重要意义的一环。大学物理实验课程经过物理系几代教师的努力，已经形成了较好的实验室硬件设备和环境条件，浓厚的教学研究气氛和良好的师资队伍。1997年以来，在教育部“国家工科物理基础课程教学基地”、“211”工程一期和世界银行贷款之“自然科学实验中心”项目等项目的支持下，在改善物理实验硬件条件的同时，大学物理实验课程组特别注重教学理念的转变和课程内容与课程体系的改革，按照新的教学思想和改革方案，引进新的实验项目和开发具有自己特色的物理实验项目。在新的实验设备逐步到位的基础上，大学物理实验课程进行了深层次的改革，形成了“系列化与层次化的课程体系”，制定了新的教学大纲，确定了系列课程中各实验课程的教学目标、实验项目和教学方案，编写了系列配套使用的讲义。1物理实验课程改革的总体思想近年来，北京科技大学的办学目标转变为建立研究型大学，并朝着建设国内一流、国际著名的高水平研究型大学目标而努力。大学物理实验课程是为我校工科和理科学生开设的独立的、必修的基础课程，是理工科学生进入大学后最先接触的实践课，是学生接受系统的实验方法和实验技能训练的开端。课程中所涉及的实验知识、实验技能和实验方法是后继实践训练的基础，也是学生以后从事各项科学探索和工程实践的基础，对学生实践能力培养和创新意识的形成起着至关重要的作用。根据我校的人才培养目标，大学物理实验课的具体任务包括：1）物理实验的基本理论和知识的学习；2）实验技能的学习和动手能力的培养；3）实验数据处理能力的培养和提高；4）实验结果的综合分析和表述能力的培养；5）针对我校的研究型大学定位，突出以物理实验为载体，进行实验设计能力、实践探索精神、创新意识和创新能力的培养。目前大学物理实验课所涉及的学生群体主要是需要一定量基本实验训练的工科学生，以及需要较强物理实验训练的理科学生。理科物理实验的门数在物理实验室所开实验课中占的比例最大，占用的教师、实验室房屋和设备资源也较多。但这些课程每年只有一个学期开课，实验室房屋及设备资源得不到充分的利用。从实验内容上讲，理科物理实验所包含的主要是反映近代物理学进展和现代科学技术与2测试手段基本原理的综合性和设计性实验，测试手段也较为先进。为了让非物理类的学生能够更多地接触到近、现代物理学重要进展的内容，满足不同学生的学习需要，同时也合理地利用有限的人力资源和设备资源，在进行物理实验课程体系和内容改革时，我们将面向理、工科学生的各门物理实验课作为一个整体通盘考虑，开设系列化课程，以适应不同学生群体的学习要求；在教学思想上注意从“知识传授型”转向“能力培养型”，在教学过程中既注意加强学生基本知识和能力的培养训练，也注意引导学生进行探究性和研究性学习；在实验项目的选择和设置上，在保留经典的基础上努力改变物理实验的老面孔，激发学生做物理实验的兴趣，注重选择物理思想鲜明、实验内容贴近现代生活、实验手段比较先进，能够反映现代科学技术的发展与进步的综合性的实验。2实现物理实验课程的系列化设置打破理、工科界限，按照实验的难易程度和对学生实验技能培养目标的要求，把大学物理实验课分成从基础到前沿，从接受知识到培养综合能力，逐级提高的I、II、III、IV、V级物理实验，并辅以专业近代物理实验（36学时）、仿真物理实验（27学时）、光信息技术实验（36学时）和传感测试技术实验（27学时）等选修课的新的系列化物理实验课程体系，工科学生必修I、II级物理实验，并可根据自己的兴趣选修仿真物理实验，IV、V级物理实验、光信息技术实验和传感测试技术实验等公共选修实验课，理科学生必修I、II、III、IV、V级物理实验，选修专业近代物理实验、仿真物理实验、光信息技术实验和传感测试技术实验等选修课。过去，理科物理实验课是按照力热、电学、电磁学、光学和近代物理实验划分并从大学第二学期开始，而工科普通物理实验课则从大学第三学期开始。我们修改了理科物理实验课的教学计划，安排理科学生从大学一年级第一学期开始与工科二年级学生一起做普通物理实验，使理、工科的学生有机会在同一个实验室里合作实验，有利于不同学科背景的学生相互间交流和影响，有利于思维方式和知识的交叉融合，而且提高了教学资源的利用率。在实验内容安排上，将理科力热、电学实验、部分光学实验、部分近代物理实验和工科普通物理实验加以整合，形成理、工科通修的I、II级物理实验课；更新和整合理科电磁学实验、理科光学实验、理科近代物理实验，使理科物理实验仍然成为一个完整的体系，形成3III、IV、V级物理实验；将理科IV、V级物理实验中的部分实验项目作为公共选修课向非理科学生开放，满足对物理实验有浓厚兴趣的非理科同学的学习要求，为其提供了解现代科学技术与测试手段的基本原理、提高实验技能的机会，同时也使理科物理实验的设备得到较充分的利用（表1列出经过近几年教学研究与改革后确定的V级物理实验设置方案，其中打*号的项目为非物理类专业学生近代物理实验公共选修课实验项目）；开设大学物理仿真实验公共选修课，充分发挥仿真实验软件三维动画和实时仿真的特点，使学生能够较为直观地了解复杂、抽象的实验原理，并可借助仿真实验取得适当扩充实验内容、扩展覆盖面的效果。开设光信息技术实验和传感测试技术实验公共选修实验课，与现代科学技术接轨。表1V级物理实验项目目录序号实验项目1电子电荷e值的测定*2用横振动法测固体在高温下的杨氏模量*3微波光学实验*4微波基础实验*5LiNbO3晶体的音频信号横向电光调制*6夫兰赫兹实验*7光电器件的光谱特性*8核蜕变的统计规律和实物对β射线的吸收*9铁磁共振*10光磁共振11用反射式谐振腔测量微波介质材料的介电常数*12核磁共振*13温度传感技术研究*17电子自旋共振15氢氘光谱*16塞曼效应*：非物理类专业学生近代物理实验公共选修课实验项目3建构I、II级物理实验课的层次化教学体系4在系列化物理实验课程设置中，I、II级物理实验课是理、工科学生的必修课。课程总学时数为60学时，分两学期完成。近几年我们对I、II级物理实验课进行了力度大范围广的改革和整合：1）重新整合实验内容，建构层次化教学体系彻底打破过去按力、热、电、光等学科设置实验项目的界限，依据教学目标，实验难易程度和对学生的实验知识、技能的要求，将课程分为三个层次：（I）基础实验，（II）应用物理实验和设计实验，（III）综合性实验。三个层次的实验不是截然分开，而是具有一定的重叠与交叉，形成了从低到高，从接受知识到培养综合能力，逐层提高的新的层次化课程体系。其中，基础实验主要为基本物理量的测量、基本实验仪器的使用、基本实验技能和基本测量方法的学习训练与误差分析等；应用物理实验和设计实验涉及到力、热、电、光等物理技术的一些应用和小型设计实验；综合性实验则是以现代物理实验技术为主，涉及到多方面的应用技术。新的I、II级物理实验课实验项目设置方案是基于以下三方面的要求：⑴所选实验的物理思想要鲜明；⑵实验内容、测试手段要有时代气息；⑶适当加大综合实验的比重。例如，由我校教师根据自己科研工作中所使用的仪器开发的“直流溅射法制备金属薄膜”、“金属薄膜电阻率的测量”、“磁性薄膜的磁电阻测量”、“金属薄膜生长过程中薄膜电阻的动态监测”等实验，使学生在普通物理实验阶段就接触到了当今材料科学领域中的重要领域之一--薄膜材料领域中的薄膜材料制备技术和电学、磁学性质测量技术，向同学们提供了一个了解和进入薄膜材料科学研究领域的机会。高温超导材料电特性测试实验综合了温度测量、小电阻四端法测量等实验内容，把普通物理实验的温度范围一下子扩展到了液氮温度（77K），同时使学生在实验中接触到了当前科研领域中的热点问题。在霍尔效应实验中去除了电位差计，改用目前科研与生产中广泛应用的数字表测电压，使普通物理实验技术与科研及生产实际更紧密地结合。而良导体热导率实验不仅使同学们了解和掌握了一种利用热波来测量良导体热导率的新方法，还采用了计算机采集数据，使普通物理实验更具有现代化气息。表2给出了目前的I、II级物理实验课程实验项目设置方案。除了实验项目分层设置外，在每一个实验的内容要求上也分为基本要求和提高选作要求，实现因材施教。5表2I、II级物理实验课程实验项目设置方案实验项目名称所属层次学时数误差理论及数据处理（含长度、质量测量）I6转动惯量测量（含长度、质量、时间测量）I、II3弹簧振子（作图法、归纳法，扩充振动模式研究等内容）I、II6材料杨氏模量的测定I、II3空气比热容比测定II3基本电学仪器使用（电阻、电流、电压、PN结特性测量）I、II、III6电桥及使用（单双臂）II3用分光仪测波长和棱镜最小偏向角II6霍尔效应II3设计性实验III6示波器的使用II3迈克尔逊干涉II3全息照相II3夫兰克—赫兹实验III3单色仪的使用II、III3实物对β射线吸收规律及核衰变统计规律II、III3导热系数的测定（良导体、不良导体）III6高温超导体的电性测量III5声速测量III3光电效应II5传感器实验II6薄膜电阻率测量III3薄膜几何厚度的测量III3薄膜磁电阻测量III3薄膜制备及生长实时监测III32）转变教学理念，突出研究性学习在教学过程当中，我们注意转变教学理念，注意从“知识传授型”转向“能力培养型”，除了在III、IV、V级物理实验中加强研究型教学以外，我们特别探索了在涉及到2000多人的入门级物理实验--I、6II级物理实验课中如何拓展普通物理实验教学的功能，如何从预习、课堂实验到学期成绩考核等环节一致地加强学生自主性、研究性学习的问题，形成了一套可操作性较强的做法，使入门级物理实验在创新型人才培养中充分发挥作用。我们采取了如下一些具体做法：（1）改变预习要求，将学生定位为实验设计者。我们把每一个具体的实验项目都视为一个载体，通过这一载体，不仅要使学生熟悉基本实验仪器、基本实验方法，熟悉数据采集、处理、分析和表达的方法，同时要培养学生的观察能力、思维能力、分析能力和综合能力。为了将预习环节做到位，我们要求学生把自己定位于实验设计者的位置，在课前要根据讲义中提供的资料、相关文献以及网上提供的有关仪器信息，搞清楚要解决的问题，拟好自己的实验方案和实验步骤。课堂上，教师除了简单讲解注意事项外，要和每个同学就其要解决的问题和实验方案进行讨论，对存在的问题提出修正和建议。这种方式促使学生从一开始就成为整个实验过程的主体，他必须在课前没有教师帮助的情况下，借助已有的资料信息，经过较为深入的思考，独立自主地提出要解决的问题和解决问题的初步方案，而不再能够像过去一样根据老师课堂的讲解被动地完成实验。通过一对一的讨论，教师既能够督促检查学生课前的探究性自主学习的效果，还可以根据学生的具体情况有针对性的提出建议。（2）倡导探究性自主学习，加强讨论环节。除了在预习环节倡导探究性自主学习和加强讨论以外，我们还在课堂实验过程和实验数据检查环节加强了引导和讨论。我们注意在课堂教学过程当中，把科学研究的各个元素渗透进来，注意引导学生进行探究式的工作，学习改变实验条件看结果或现象变化的研究方法，通过实验结果和数据的分析，让学生自己得出结论。例如，在迈克尔逊干涉实验当中，实验讲义要求学生数1000根条纹，有学生提出测100根条纹行不行，教师当即引导该同学作了不同条纹数目对于测量误差的影响的研究；在全息照相实验中，有的同学对实验室给出的曝光时间提出疑问，有的同学对怎样调节光路才能获得效果良好的全息像有浓厚的兴趣，有的同学很想知道多次曝光会产生什么结果，教师就引导同学对自己的问题设计出实验方案，并提供一定的耗材支持，让同学们通过实验自己找出答案；在夫兰赫兹实验中，要求把炉温控制在一定温度范围，有同学提出炉温如果不在指定的范围对实验现象和实验结果会有什么影响，教师就引导学生测