第25卷第3期 物理实验 Vol 25 No. 3 2005年3月 PHYSICS EXPERIMEN TA TION Mar.,2005 将近代物理内容加入“大平台”普通物理实验 苏卫锋乐永康 (复旦大学物理系,上海200433) 摘要:介绍了将近代物理内容加入“大平台”普通物理实验的具体情况 关键词:普通物理实验;近代物理实验;教学方法 中图分类号:642.423文献标识码B文章编号:1005-4642(2005)03-0023-03 引言 验的基本原理和实验方法,使他们明白每个实验 的重点及难点而“大平台”普通物理实验学时 为了更好地培养出全面高素质的人才,我校少不可能专门安排讲课时间.同时,为了让学生 于2002年秋开始实行了“大平台”教学.所谓“大能做尽量多的实验,又不能以减少实验次数来换 平台”就是把数学、物理、化学、生物、医学等各科取单个实验的充裕学时.这样,实验教材及选题 的一年级学生都放在同一个教学平台上,按照统问题、实验内容及要求、实验仪器的选取、如何带 的课程设置进行教学 好实验和如何考核学生就成了我们面临的最大问 事实上,从2000年秋季开始,我系就已率先题 开始在普通物理实验中加入近代物理实验内容 了虽然当时困难重重譬如没有对外系低年级2实践 学生开设近代物理实验的经验、没有现成的教材2.1实验教材及选题 等,但经过不懈地努力我们还是取得了一定的教 实验的选题非常重要,一个好的实验既能激 学效果.同学们对近代物理实验表现出了极大的发学生的学习兴趣,又能让学生学到尽量多的知 兴趣,觉得近代物理实验阔展了他们的知识面使识.起初我们选了量子论实验和X光实验,后来 他们了解了更多、更新的实验方法和手段 又加入了超导磁悬浮实验.本学期,因为主要面 由此,在2002年秋,“大平台”普通物理实验对医学院的学生,所以我们又选了核磁共振实验 开设时,我们就加入了近代物理内容,但问题依然实验选好了,教材问题便突出了,本来近代物理实 很多.首先是学时问题,原先近代物理实验只对验涉及到的理论就比较难,再加上教授的对象是 有2个学期实验课的院系开设,每周3学时,共大一学生,必须得改写教材,让这些深奥的理论能 36周,而现在是对所有的理工科院系开课,每周2被只有高中物理基础的学生看懂.我们把实验原 学时,共18周.其次是学生的理论及实验基础问理尽量写得详尽易懂、尽量避免繁琐的公式推导 题,物理系学生在学习近代物理实验内容之前已把复杂的物理过程用图像来说明.比如核磁共振 经有了一学年的普通物理理论知识基础及半学年实验中共振条件以及共振信号的获取,用图像可 的实验基础,而现在学生一进大学就要做近代物以说明(见图1).此外,每个学期末,我们都会向 理实验,也就是说他们只有高中的物理理论及实学生发放调查问卷,征求他们对实验选题及对教 验基础.以前因学时充裕,可以在每轮做近代物材的看法.这样几个学期下来,我们的实验教材 理实验之前安排讲课,向学生讲解将做的近物实终于改好了,并于2003年底得以出版 收稿日期2004-07-19;修改日期2004-11-15 作者简介:苏卫锋(1977-),女,山东菏泽人,助教,学士,研究方向为凝聚态物理 2 01995-2006 Tsinghua Tong/ang Oplical Disc Co, Ltd. All rights reserved
第 25 卷 第 3 期 2005 年 3 月 物 理 实 验 PH YSICS EXPERIMEN TA TION Vol. 25 No. 3 Mar. ,2005 收稿日期 :2004207219 ;修改日期 :2004211215 作者简介 :苏卫锋(1977 - ) ,女 ,山东菏泽人 ,助教 ,学士 ,研究方向为凝聚态物理. 将近代物理内容加入“大平台”普通物理实验 苏卫锋 ,乐永康 (复旦大学 物理系 ,上海 200433) 摘 要 :介绍了将近代物理内容加入“大平台”普通物理实验的具体情况. 关键词 :普通物理实验 ;近代物理实验 ;教学方法 中图分类号 : G642. 423 文献标识码 :B 文章编号 :100524642 (2005) 0320023203 1 引 言 为了更好地培养出全面高素质的人才 ,我校 于 2002 年秋开始实行了“大平台”教学. 所谓“大 平台”就是把数学、物理、化学、生物、医学等各科 的一年级学生都放在同一个教学平台上 ,按照统 一的课程设置进行教学. 事实上 ,从 2000 年秋季开始 ,我系就已率先 开始在普通物理实验中加入近代物理实验内容 了. 虽然当时困难重重 ,譬如没有对外系低年级 学生开设近代物理实验的经验、没有现成的教材 等 ,但经过不懈地努力 ,我们还是取得了一定的教 学效果. 同学们对近代物理实验表现出了极大的 兴趣 ,觉得近代物理实验阔展了他们的知识面 ,使 他们了解了更多、更新的实验方法和手段. 由此 ,在 2002 年秋“, 大平台”普通物理实验 开设时 ,我们就加入了近代物理内容 ,但问题依然 很多. 首先是学时问题 ,原先近代物理实验只对 有 2 个学期实验课的院系开设 ,每周 3 学时 ,共 36 周 ,而现在是对所有的理工科院系开课 ,每周 2 学时 ,共 18 周. 其次是学生的理论及实验基础问 题 ,物理系学生在学习近代物理实验内容之前已 经有了一学年的普通物理理论知识基础及半学年 的实验基础 ,而现在学生一进大学就要做近代物 理实验 ,也就是说他们只有高中的物理理论及实 验基础. 以前因学时充裕 ,可以在每轮做近代物 理实验之前安排讲课 ,向学生讲解将做的近物实 验的基本原理和实验方法 ,使他们明白每个实验 的重点及难点. 而“大平台”普通物理实验学时 少 ,不可能专门安排讲课时间. 同时 ,为了让学生 能做尽量多的实验 ,又不能以减少实验次数来换 取单个实验的充裕学时. 这样 ,实验教材及选题 问题、实验内容及要求、实验仪器的选取、如何带 好实验和如何考核学生就成了我们面临的最大问 题. 2 实 践 2. 1 实验教材及选题 实验的选题非常重要 ,一个好的实验既能激 发学生的学习兴趣 ,又能让学生学到尽量多的知 识. 起初 ,我们选了量子论实验和 X 光实验 ,后来 又加入了超导磁悬浮实验. 本学期 ,因为主要面 对医学院的学生 ,所以我们又选了核磁共振实验. 实验选好了 ,教材问题便突出了 ,本来近代物理实 验涉及到的理论就比较难 ,再加上教授的对象是 大一学生 ,必须得改写教材 ,让这些深奥的理论能 被只有高中物理基础的学生看懂. 我们把实验原 理尽量写得详尽易懂、尽量避免繁琐的公式推导 , 把复杂的物理过程用图像来说明. 比如核磁共振 实验中共振条件以及共振信号的获取 ,用图像可 以说明(见图 1) . 此外 ,每个学期末 ,我们都会向 学生发放调查问卷 ,征求他们对实验选题及对教 材的看法. 这样几个学期下来 ,我们的实验教材 终于改好了 ,并于 2003 年底得以出版. © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验 第25卷 看计算器内部的构造……这样极大地激发了学生 磁感应强度 的学习兴趣.为了让学生了解X光在其他方面的 hH删: 应用,我们还安排了用X光对NaCl晶面间距分 边限振荡 析这一实验内容 2.4如何指导实验 示波器波形 A∧AA 尽管对实验教材进行了很大的改编,实验内 (a)无共振 (b)有共振 容也由于学生的基础不同分为必做和选做2个部 分,但在指导实验时依然存在一些问题.近代物 图1核磁共振实验中有无共振的比较 理实验的知识量很大,虽然我们对教材做了多次 22实验内容及要求 改编,仍有部分同学不能很好的理解原理或到实 因为每次实验只有2个学时,再加上面临的 验室之后不知该怎么做.于是我们在每个实验台 是只有高中物理基础的学生,我们把实验要求主上都放了告示牌,把该实验中的一些注意事项列 要放在了对基本物理概念的理解和实验的观察 在上面.我们又针对问题比较多的量子论实验和 核磁共振实验做了幻灯片,介绍了有关该实验的 上.希望学生通过实验教学,能进一步加深对近 背景知识,讲解实验原理力求物理图像清晰,介绍 代物理一些概念的理解,明白近代物理与经典物 该实验方法在其他地方的应用,并且把实验中易 理的不同,并且能初步掌握和了解近代物理实验 遇到的一些问题列出来启发学生思考.实验只有 中常用的一些方法,对一些实验现象能给予简单 2个课时,所以不可能讲很长时间;1位教师同时 解释.同时又由于学生来自不同的院系物理基指导3个实验不可能同时对这3个实验进行讲 础参差不齐,我们把实验内容分为必做和选做2 解.比如这个学期,近代物理方面我们开设了量 个部分,这样既能照顾到大多数学生,又可以满足子论、X光和核磁共振这3个实验其中量子论 少数基础较好学生的学习需要.在必做内容部实验的第一个内容是观察电子与氖原子相互碰撞 分,一般都设有对实验现象的观察这一内容提高时的发光现象该内容一般同学做起来都不会有 学生对实验现象的观察能力,培养学生养成在实什么问题:x光实验同学在看完讲义和告示牌之 验过程中清晰详尽记录实验现象的好习惯 后一般也没有什么大的问题;核磁共振实验因为 2.3实验仪器的选取 实验原理比较深奥,对于如何判断共振信号很多 鉴于实验要求有所改变实验仪器也尽可能同学也有点不知所措.所以,安排选量子论和x 的进行了更新或改进,如量子论实验,以前用的光实验的同学先开始做实验,教师与做核磁共振 是充氫的碰撞管需要测量数据很多(六七十个),实验的同学先进行沟通,了解问题所在,讲解时间 而且还需要自己动手接线,显然这样的实验内容般由选该实验的同学多少和对该实验的理解程 在2个学时内很难完成所以我们改用了充氖的度而定.一般用几分钟先讲解实验原理、实验过 碰撞管使需要测量的数据少了(二三十个),且由程,再让学生开始实验.然后再去面向选做量子 于采用的碰撞管是透明的,并且采用了平板型电论实验的同学,此时他们已经初步做了第一个实 极,在实验中可以看到氖原子退激时发出的红光验内容教师根据同学们的反映和实验中存在的 采用这样的仪器,可以让学生直观地“看到”原子一些问题讲解该实验.最后再根据具体情况讲解 能量的量子化.每年的例行体检使学生对ⅹ光透ⅹ光实验.例如核磁共振实验我们把改变频率 视这个名词都不陌生,并且对x光充满了好奇.时氢核从不共振到开始共振再到不共振的物理过 X光是如何产生的?透视像的强度跟什么参量有程做成动画,让学生更加直观地理解这一复杂的 关?通过做ⅹ光实验,这些问题便可以迎刃而物理现象,加深对共振条件的理解.因为这学期 解.我们选用的X光机仪器的面板大部分用铅玻主要面对医学院的学生,我们又去医院拍摄核磁 璃制成,既能挡住ⅹ射线,又可以让学生很清楚共振的录像片和数码照片,供学生观看.一方面 地看到仪器内部的构造.实验时同学可以自己带让学生开阔了眼界,另一面又促进了学生对该实 样品做Ⅹ光的透视,看看笔袋里装了些什么,看验的学习.又比如量子论实验,我们首先询问学 2 01995-2006 Tsinghna Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
图 1 核磁共振实验中有无共振的比较 2. 2 实验内容及要求 因为每次实验只有 2 个学时 ,再加上面临的 是只有高中物理基础的学生 ,我们把实验要求主 要放在了对基本物理概念的理解和实验的观察 上. 希望学生通过实验教学 ,能进一步加深对近 代物理一些概念的理解 ,明白近代物理与经典物 理的不同 ,并且能初步掌握和了解近代物理实验 中常用的一些方法 ,对一些实验现象能给予简单 解释. 同时又由于学生来自不同的院系 ,物理基 础参差不齐 ,我们把实验内容分为必做和选做 2 个部分 ,这样既能照顾到大多数学生 ,又可以满足 少数基础较好学生的学习需要. 在必做内容部 分 ,一般都设有对实验现象的观察这一内容 ,提高 学生对实验现象的观察能力 ,培养学生养成在实 验过程中清晰详尽记录实验现象的好习惯. 2. 3 实验仪器的选取 鉴于实验要求有所改变 ,实验仪器也尽可能 的进行了更新或改进. 如量子论实验 ,以前用的 是充氩的碰撞管 ,需要测量数据很多(六七十个) , 而且还需要自己动手接线 ,显然这样的实验内容 在 2 个学时内很难完成. 所以我们改用了充氖的 碰撞管 ,使需要测量的数据少了(二三十个) ,且由 于采用的碰撞管是透明的 ,并且采用了平板型电 极 ,在实验中可以看到氖原子退激时发出的红光. 采用这样的仪器 ,可以让学生直观地“看到”原子 能量的量子化. 每年的例行体检使学生对 X 光透 视这个名词都不陌生 ,并且对 X 光充满了好奇. X 光是如何产生的 ? 透视像的强度跟什么参量有 关 ? 通过做 X 光实验 ,这些问题便可以迎刃而 解. 我们选用的 X 光机仪器的面板大部分用铅玻 璃制成 ,既能挡住 X 射线 ,又可以让学生很清楚 地看到仪器内部的构造. 实验时同学可以自己带 样品做 X 光的透视 ,看看笔袋里装了些什么 ,看 看计算器内部的构造 ……这样极大地激发了学生 的学习兴趣. 为了让学生了解 X 光在其他方面的 应用 ,我们还安排了用 X 光对 NaCl 晶面间距分 析这一实验内容. 2. 4 如何指导实验 尽管对实验教材进行了很大的改编 ,实验内 容也由于学生的基础不同分为必做和选做 2 个部 分 ,但在指导实验时依然存在一些问题. 近代物 理实验的知识量很大 ,虽然我们对教材做了多次 改编 ,仍有部分同学不能很好的理解原理或到实 验室之后不知该怎么做. 于是我们在每个实验台 上都放了告示牌 ,把该实验中的一些注意事项列 在上面. 我们又针对问题比较多的量子论实验和 核磁共振实验做了幻灯片 ,介绍了有关该实验的 背景知识 ,讲解实验原理力求物理图像清晰 ,介绍 该实验方法在其他地方的应用 ,并且把实验中易 遇到的一些问题列出来启发学生思考. 实验只有 2 个课时 ,所以不可能讲很长时间 ;1 位教师同时 指导 3 个实验 ,不可能同时对这 3 个实验进行讲 解. 比如这个学期 ,近代物理方面我们开设了量 子论、X 光和核磁共振这 3 个实验. 其中量子论 实验的第一个内容是观察电子与氖原子相互碰撞 时的发光现象 ,该内容一般同学做起来都不会有 什么问题 ;X 光实验 ,同学在看完讲义和告示牌之 后一般也没有什么大的问题 ;核磁共振实验因为 实验原理比较深奥 ,对于如何判断共振信号很多 同学也有点不知所措. 所以 ,安排选量子论和 X 光实验的同学先开始做实验 ,教师与做核磁共振 实验的同学先进行沟通 ,了解问题所在 ,讲解时间 一般由选该实验的同学多少和对该实验的理解程 度而定. 一般用几分钟先讲解实验原理、实验过 程 ,再让学生开始实验. 然后再去面向选做量子 论实验的同学 ,此时他们已经初步做了第一个实 验内容 ,教师根据同学们的反映和实验中存在的 一些问题讲解该实验. 最后再根据具体情况讲解 X 光实验. 例如核磁共振实验 ,我们把改变频率 时氢核从不共振到开始共振再到不共振的物理过 程做成动画 ,让学生更加直观地理解这一复杂的 物理现象 ,加深对共振条件的理解. 因为这学期 主要面对医学院的学生 ,我们又去医院拍摄核磁 共振的录像片和数码照片 ,供学生观看. 一方面 让学生开阔了眼界 ,另一面又促进了学生对该实 验的学习. 又比如量子论实验 ,我们首先询问学 42 物 理 实 验 第 25 卷 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第3期 苏卫锋等:将近代物理内容加入“大平台“普通物理实验 生对实验现象的观察,问他们看到了什么?有几每学期都要开实验,为保证每个学期考试题目不 个发光区,什么颜色、什么形状、发光区会不会移重复,我们要求每位教师每个学期给每个实验出 动、在什么情况下发光区会移动?因为中学的实2道新题目,这样逐渐地建立了题库,丰富了教学 验教学中往往只强调实验数据的重要性而轻视实资源 验现象的记录,所以很多同学并不能很好地回答 上述问题,他们的实验记录一般非常简单,只记录3结束语 了诸如“有发光出现”这短短几个字,实验条件、具 自2002年秋以来,将近代物理内容加入“大 体现象一概没写.这时,教师就要向他们强调记平台”普通物理实验有4个学期,已有4000多名 录实验现象的重要性以及要思考为何会有该现象学生做了这些实验.通过每学期末的调查问卷反 产生.通过对实验线路的讲解让学生明白各个电馈我们看到:在同学们对实验兴趣以及实验收获 场的作用,并且向同学介绍该实验中的一些方法的排名中近代物理实验都位居前列有很多同学 在其他实验中的应用.比如减速电场在低能电子希望能再增加一些近代物理实验内容和课时,还 衍射装置中的应用.此外还把由于操作不当而出有同学在做过核磁共振实验后这样写道:“这次实 现的实验现象(实验中应避免此现象发生)拍下来验是我做过实验中最难的一次,光实验原理就超 让同学看,并让他们思考之所以出现该现象的原级复杂,实际操作起来更是困难,但这次实验真是 因 受益良多,因为核磁共振是近代物理学重要的 2.5如何考核学生 环,更使得在医学领域中有重大突破.如:人体核 指导好实验固然重要,但如何公平、公正、全磁共振断层扫描仪.总之,虽然这次实验很具挑 面的衡量学生的学习成果也同样举足轻重.我们战性,但我还是尽自己最大努力完成了.”看到学 的期末成绩由平时成绩和期末考试2部分组成生对实验的肯定我们感到非常的欣慰,但同时我 平时成绩就是学生的实验报告成绩,其中包括实们也明白,这只是一个开始.我们希望以后能把 验预习、实验操作和数据处理及实验结论.但平更多的近代物理内容引入普通物理实验,针对学 时成绩往往拉不开差距,有时也未必能真实反映生的需要开设更多、更好的实验 学生的能力.这样一来期末考试就尤为重要,所 以我们在出题时就要动一番脑筋.由于学生多 参考文献 每学期约有1000人,我们没有办法考实验的具[1]沈元华基础物理实验教学的“与时俱进”—复旦 体操作,只能以笔试的形式来进行实验课的考核 大学物理实验课程改革介绍].大学物理,2002 在出题时就要注意把实验理论与具体操作相结 21(12):42~44 合,把实验中学生遇到的问题、看到的现象以及实[2】苏卫锋沈元华关于在外系普通物理实验中加入 验报告中经常出现的错误总结出来,以考试的形 近代物理内容的探讨与实践J].物理实验,2003 23(6增刊):28~30 式反馈给学生,看他们的掌握情况.此外,又因为 Adding modern physics to general platform physics experiments SU Wei-feng, LE Yong- kang Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China) Abstract: The teaching methods and contents about adding modern physics to general platform phy sics experiments are introduced Key words: physics experiment modern physics experiment; teaching met hod 2 01995-2006 Tsinghua Tong/ang Oplical Disc Co, Ltd. All rights reserved
生对实验现象的观察 ,问他们看到了什么 ? 有几 个发光区 ,什么颜色、什么形状、发光区会不会移 动、在什么情况下发光区会移动 ? 因为中学的实 验教学中往往只强调实验数据的重要性而轻视实 验现象的记录 ,所以很多同学并不能很好地回答 上述问题 ,他们的实验记录一般非常简单 ,只记录 了诸如“有发光出现”这短短几个字 ,实验条件、具 体现象一概没写. 这时 ,教师就要向他们强调记 录实验现象的重要性以及要思考为何会有该现象 产生. 通过对实验线路的讲解让学生明白各个电 场的作用 ,并且向同学介绍该实验中的一些方法 在其他实验中的应用. 比如减速电场在低能电子 衍射装置中的应用. 此外还把由于操作不当而出 现的实验现象(实验中应避免此现象发生) 拍下来 让同学看 ,并让他们思考之所以出现该现象的原 因. 2. 5 如何考核学生 指导好实验固然重要 ,但如何公平、公正、全 面的衡量学生的学习成果也同样举足轻重. 我们 的期末成绩由平时成绩和期末考试 2 部分组成. 平时成绩就是学生的实验报告成绩 ,其中包括实 验预习、实验操作和数据处理及实验结论. 但平 时成绩往往拉不开差距 ,有时也未必能真实反映 学生的能力. 这样一来期末考试就尤为重要 ,所 以我们在出题时就要动一番脑筋. 由于学生多 , 每学期约有 1 000 人 ,我们没有办法考实验的具 体操作 ,只能以笔试的形式来进行实验课的考核. 在出题时就要注意把实验理论与具体操作相结 合 ,把实验中学生遇到的问题、看到的现象以及实 验报告中经常出现的错误总结出来 ,以考试的形 式反馈给学生 ,看他们的掌握情况. 此外 ,又因为 每学期都要开实验 ,为保证每个学期考试题目不 重复 ,我们要求每位教师每个学期给每个实验出 2 道新题目 ,这样逐渐地建立了题库 ,丰富了教学 资源. 3 结束语 自 2002 年秋以来 ,将近代物理内容加入“大 平台”普通物理实验有 4 个学期 ,已有 4 000 多名 学生做了这些实验. 通过每学期末的调查问卷反 馈我们看到 :在同学们对实验兴趣以及实验收获 的排名中近代物理实验都位居前列. 有很多同学 希望能再增加一些近代物理实验内容和课时 ,还 有同学在做过核磁共振实验后这样写道“: 这次实 验是我做过实验中最难的一次 ,光实验原理就超 级复杂 ,实际操作起来更是困难 ,但这次实验真是 受益良多 ,因为核磁共振是近代物理学重要的一 环 ,更使得在医学领域中有重大突破. 如 :人体核 磁共振断层扫描仪. 总之 ,虽然这次实验很具挑 战性 ,但我还是尽自己最大努力完成了. ”看到学 生对实验的肯定我们感到非常的欣慰 ,但同时我 们也明白 ,这只是一个开始. 我们希望以后能把 更多的近代物理内容引入普通物理实验 ,针对学 生的需要开设更多、更好的实验. 参考文献 : [1 ] 沈元华. 基础物理实验教学的“与时俱进”———复旦 大学物理实验课程改革介绍[J ]. 大学物理 ,2002 , 21 (12) :42～44. [2 ] 苏卫锋 ,沈元华. 关于在外系普通物理实验中加入 近代物理内容的探讨与实践[J ]. 物理实验 ,2003 , 23 (6 增刊) :28～30. Adding modern physics to general platform physics experiments SU Wei2feng , L E Yong2kang (Department of Physics , Fudan University , Shanghai 200433 , China) Abstract : The teaching met hods and contents about adding modern p hysics to general platform p hysics experiments are introduced. Key words : p hysics experiment ; modern p hysics experiment ; teaching met hod 第 3 期 苏卫锋 ,等 :将近代物理内容加入“大平台”普通物理实验 52 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved