学生主导型物理实验与学生综合能力培养的实践探索市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

学生主导型物理试验与学生综合能力培养学生主导型物理试验与学生综合能力培养实践探索实践探索1南京大学物理学院 高文莉7月 青海 西宁第1页n综合能力是一个比较宽泛概念，包含研究(创新）能力，表示能力，沟通能力和领导力等,从学生培养角度看，研究能力是极其主要一个方面，其主要包含两部分：n 一、提出问题能力n 二、处理问题能力n现在大学教育偏重于后者，即学生知识贮备、分析问题、处理问题能力。n物理试验也是这么，从形式看，物理试验能够分为以下三类：2试验教学一些思索现实状况与目标第2页n一，基础和综合试验，普通给学生试验内容、试验方法、试验仪器，让学生按要求完成，这主要培养学生基本试验方法、仪器使用和动手能力等。n二，设计性试验，给学生试验要求，一定范围给定试验仪器，由学生自己思索怎样完成试验任务，这能够培养学生综合利用所学知识能力。n三，研究性试验，老师给学生一个想法或一个方向，由学生自己准备器材、探索试验方法，让学生学习和体会用试验方法研究物理现象和规律，进而建立新物理概念，同时形成良好科学素养和科学研究协作精神。3试验教学一些思索现实状况与目标第3页n从这些试验看，有一点是相同，就是试验题目或问题起源于教材、试验室和老师，学生自主完成空间上有所不一样，基本上属于分析问题和处理问题能力培养范围。n让学生能够发觉问题、提出问题这在当今高校人才培养已经开始重视，是学生研究（创新）能力一个主要方面。n著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道在首届“创新中国论坛”上指出“要创新，需学问；只学答，非学问。要创新，需学问；问愈透，创更新。”4第4页卡文迪许试验室（英国剑桥大学物理系）卡文迪许试验室（英国剑桥大学物理系）集集科科研研教教学学于于一一身身，大大学学试试验验室室典典范范，是是诺贝尔奖得主摇篮诺贝尔奖得主摇篮(28(28位诺贝尔奖得主位诺贝尔奖得主)麦克斯韦麦克斯韦(1831-1879)(1831-1879)James Clerk MaxwellJames Clerk Maxwell 第第一一任任试试验验室室主主任任麦麦克克斯斯韦韦就就学学生生试试验验有有自自己己独独特特主主张张：“试试验验教教育育价价值值，往往往往与与仪仪器器复复杂杂性性成成反反比比，学学生生用用自自制制仪仪器器，即即使使经经常常出出毛毛病病，但但他他们们却却会会比比用用仔仔细细调调整整好好仪仪器器，学学到到更更多多东东西西。”即即使使质质朴朴，但但这这种种理理念念形形成成了了卡卡文文迪迪许许试试验验室室试试验验教教学学精华。精华。卡文迪许试验室启示第5页n基础与创新不矛盾。传统教学不等于按部就班，卡文迪许教学试验室就是创新培养经典。n创新不是发觉前所未有新事物，而是学习发觉新事物能力。创新不神秘，有系统性方法，是能够训练。n做研究是一个态度和方法，是理论联络实际，综合利用知识能力，不是只有前沿尖端才有“课题”。从小学生到博士生都能够做研究。n研究（创新）型人才：要能发觉问题，处理问题，综合、灵活地利用知识，以科研方式进行试验，甚至在知识体系不完备情况下进行探索，做出了解与判断。试验教学一些思索创新理念第6页试验教学一些思索关于方法n学习过程是演绎还是归纳？推理还是实证？知行还是行知？n发觉过程和学习过程有时候是相反。学习过程也要部分颠覆逻辑次序。n做法：将课程从理论先于试验演绎式逻辑体系解放出来，发展学生归纳式学习能力与经验，要求学生在知识体系不完备情况下，经过自学或探索了解物理现象，培养跳跃式学习能力。模拟科学发觉过程。第7页 课程设置与四个培养阶段试验基本能力培养试验基本能力培养 大学物理试验大学物理试验 （一）、（一）、（二）（二）创新研究意识培养创新研究意识培养 大学物理试验（三）大学物理试验（三）学生主导型研究性物理试验学生主导型研究性物理试验综合试验能力培养综合试验能力培养近代物理试验（一）、(二)科学研究能力培养科学研究能力培养 近代物理试验研究性试验，物理试验南京大学教学模式探索第8页n“严”指构筑基础阶段，在低年级学生做试验时培养学风端正、思维严谨、操作规范、技能扎实基本素养，接收科学思想和研究方法严格训练。即便在此阶段也提倡“两少”“两多”：少讲解，少示范，多探索，多指导（针对详细同学，因人而异）n“放”是指对高一级学生给予较多自由空间，进行主动探索，引导学生以科研方式进行试验。“在错误中学习，在行动中成长”n“带”主要是请一批高水平学术骨干教师指导试验课题研究，经过言传身教把学生逐步带入科学研究殿堂。试验教学三部曲：“严”“放”“带”第9页n详细说来，把大学二年级下学期开设物理试验在教学模式上进行了改变，将课程分为两个阶段，让学生试验模拟科学研究过程，要求自主完成一个自己提出试验研究课题。n第一阶段，六周时间，学生自主选择并完成感兴趣试验项目，激发兴趣，唤醒好奇心，培养发觉问题能力 详细而言，课程开始时由教师对本课程近30个物理试验给学生逐一简明介绍，让学生从中选择并完成2-3个自己感兴趣基本试验。在此阶段，给予学生较多自由空间，让学生依据试验要求，进行主动探索，引导学生以科研方式进行试验。10学生主导型物理试验主导型物理试验模式探索第10页 开设这几个基本试验目标不但仅是要求学生独立完成试验，更主要是学生要在试验过程中注意观察，寻找并发觉一些自己以为有深入研究价值现象。同时，指导教师除了一些必要注意事项外，尽可能少讲解，少示范，多和学生进行启发性讨论，引导学生去观察、分析、思索，激发学生主动探索意识，唤醒他们好奇心，培养他们发觉问题能力。11学生主导型物理试验主导型物理试验模式探索第11页 n 第二阶段，在第一阶段基础上，学生自己提出并完成课题，在期末参加公开答辩。完成基本试验后，要求学生在此基础上或自己学习生活中发觉问题，提出自己试验研究课题，并设计合理试验方案，自主完成该课题。除此以外，课题也能够是学生理论课程中或平时看文件资料时想到问题，能够是演示物理试验中现象研究，能够是与物理相关来自生活中有兴趣问题研究。对课题，首先明确学生创新课题及试验完成与实际意义上创新要求是不一样，详细说来只要是自己现有认知水平突破即可。一个好课题能够是有新思想、方法、能够是物理知识合理灵活利用、能够是有较多设备和自制器材使用，也能够是若干试验失败总结和结论12学生主导型物理试验主导型物理试验模式探索第12页n 该课程有一支由教授领衔含有学术背景主讲教师队伍。教授们利用自己科研经验给出提议、看法，引导学生体会科学研究过程。考评采取课程论文答辩形式。完成课题过程中，让学生处于主导地位，包含试验课题提出，文件、资料查阅，试验方案设计，试验设备条件准备，试验论文写作以及论文交流和答辩。n这么，经过模拟科学发觉真实过程，引发学生科研兴趣，培养好奇心和观察力以及发觉问题能力，发展学生归纳式学习能力与经验。13学生主导型物理试验主导型物理试验模式探索第13页n从实践情况看，这么教学模式对学生是一个挑战，因为知识和试验条件、器材等局限，选择一个可行并能完成课题学生需要花费较多时间，有时几乎在一个学期中重复探索才能确定一个课题，然后需要用双休日加班加点连续试验，完成课题和课题论文，通常结果可能还是初步，好课题能够在暑期和下个学期进行提炼和完善，这么一个过程，学生们普遍感觉是“痛并高兴着”，而老师和试验室主要提供指导和开放。n我们看到，若干年后，学生对物理试验记得最清楚正是这么一个试验。14第14页学生课题案例我们选择从迈克尔逊干涉仪试验为例。这是一个光学测量试验，在教材上，主要有三个内容：1.测量激光波长2.测量钠光灯双黄光波长差3.测量玻璃折射率。学生从该试验能够拓展出那些课题。15第15页课题1：赔偿板与干涉条纹n迈克尔逊干涉仪中赔偿板作用是赔偿两相干光束因经过分光板次数不一样而引发附加光程差（尤其是对复合光）.做该试验时有意地去掉赔偿板,讨论在单色光照射时产生干涉条纹会发生什么改变？得到如图结果，经过分析和计算机模拟,得到了与试验完全相符结果.16第16页课题2 测量厚透明材料折射率n物理试验课程中，迈克耳逊干涉仪测量玻璃折射率主要是利用出现白光干涉条纹零光程条件由放入玻璃片前后出现白光干涉条纹位置，得到相关光程n测量厚透明固体折射率，用白光调整出干涉条纹难度很大，因为折射率与波长相关，要求待测样品要尽可能薄为处理这局限，提出采取半视场法。n半视场法用激光为光源，在光路中二分之一视场放入平行待测材料后，调整反射镜，视场两边对应干涉条纹出现条纹陷入和涨出，当合成为圆时如图能够得到相关光程差。17第17页课题3 重建蜡烛火焰温度场n空气温度不一样，折射率将发生改变，从折射率改变经过定标能够得到温度分布，选择蜡烛火焰作为试验对象,研究周围温度改变，应用阿贝尔变换法和环带法,对轴对称温度场进行定量计算.计算时经过噪声处理,低通滤波,取得二值化后图像，从而得到温度分布如图。18第18页课题4：空气折射率与压强关系研究 迈克尔逊干涉仪因为样品空间限制，不方便在光路中加入其它仪器。学生自行组建M-Z 干涉仪测量空气在不一样压强下折射率，主要用于测量气体等大面积区域中折射率微小改变.而且光路在研究容器中只经过1 次,这使得该区域光程改变显得很直观。得到下列图压强与折射率关系。然后从经典电介质理论对空气折射率产生原因进行了分析。n压强与折射率对应关系19第19页课题5：测量铝薄膜轴向应力 这也是一个从迈克耳逊干涉仪试验拓展出课题，应力是薄膜制备和生产过程中存在普遍现象,薄膜应力产生原因有2 个方面:一是因为薄膜和基底热膨胀系数不一样而引发,称为热应力;一是因为薄膜生长过程中非平衡性或薄膜特有微观结构引发,称为本征应力，试验采取迈克尔逊干涉仪变形结构（如图）测量其力应变和热应变，对测量结果进行了拟合。20第20页课题6：溶液中溶质扩散研究n这是一个现在没有成功课题。n课题想法：溶液折射率与溶液成份和浓度相关，迈克耳逊干涉仪能测量折射率改变，能够用来进行溶质扩散研究。学生在该课题研究过程中，处理了图像改变获取，而样品盒中三维扩散信息提取困难，自己制备二维扩散样品盒（相当于薄膜），材料平整度、平行度等效果差，使得未能取得预期结果，这么课题我们也给予勉励。21第21页n十多年来，在这么一个试验教学模式探索中，我们看到，即使有些课题最终看起来似乎简单，实际上是同学屡次重复、屡次提炼和修改取得，是付出了大量精力后结果。从统计看每届近300名学生中，有10%左右学生课题有新意，花费时间是远远多于课程给定时间，40%同学比很好地完成了整个过程，20-30%基本上是应付。试验室老师工作量也有比较多付出。22第22页n复杂自然现象及事物是能够被“了解”。在书本上从来表示不出一个公式或推论有多么神奇，因为还未曾用过它去预测自然。看到自己理论模型和试验结果十分吻合，实际上是相当震撼一件事。n小瓶小罐小物件搭建试验系统也能做出大文章。n学生综合能力，包含研究能力，表示能力，沟通能力和领导力等，得到不一样程度提升。学会讨论，倾听和尊重；学会阅读、批判和观赏；学会写作，怎样概括、提炼、陈说、总结；学会表示，掌握时间和要领，简单清楚地传达思想等等。23谈感想与收获：学生获益好奇心与创造力第23页 谢谢！第24页