時間：2023-02-28 15:52:54
序論：在您撰寫靜電場的描繪實驗報告時，參考他人的優秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
【實驗目的】
1.學習用模擬法測繪靜電場的原理和方法。
2.加深對電場強度和電位要領的理解。
3.用作圖法處理數據。
【實驗儀器】
靜電場描繪儀、靜電場描繪儀信號源、導線、數字電壓表、電極、同步探針、坐標紙等。
【實驗原理】
在一些科學研究和生產實踐中，往往需要了解帶電體周圍靜電場的分布情況。一般來說帶電體的形狀比較復雜，很難用理論方法進行計算。用實驗手段直接研究或測繪靜電場通常也很困難。因為儀表(或其探測頭)放入靜電場，總要使被測場原有分布狀態發生畸變;除靜電式儀表之外的一般磁電式儀表是不能用于靜電場的直接測量，因為靜電場中不會有電流流過，對這些儀表不起作用。所以，人們常用“模擬法”間接測繪靜電場分布。
1、模擬的理論依據
模擬法在科學實驗中有極廣泛的應用，其本質上是用一種易于實現、便于測量的物理狀態或過程的研究，以代替不易實現、不便測量的狀態或過程的研究。 為了克服直接測量靜電場的困難，我們可以仿造一個與靜電場分布完全一樣的電流場，用容易直接測量的電流場模擬靜電場。
靜電場與穩恒電流場本是兩種不同場，但是它們兩者之間在一定條件下具有相似的空間分布，即兩場遵守的規律在形式上相似。它們都可以引入電位U，而且電場強度E=-U/l;它們都遵守高斯定理:對靜電場，電場強度在無源區域內滿足以下積分關系
∮E·ds = 0 ∮E·d l = 0
對于穩恒電流場，電流密度矢量J在無源區域內也滿足類似的積分關系
∮J·ds = 0 ∮J·d l = 0
由此可見，E和J在各自區域中滿足同樣的數學規律。若穩恒電流空間均勻充滿了電導率為σ的不良導體，不良導體內的電場強度E′與電流密度矢量J之間遵循歐姆定律
J=σE′
因而，E和E′在各自的區域中也滿足同樣的數學規律。在相同邊界條件下，由電動力學的理論可以嚴格證明：像這樣具有相同邊界條件的相同方程，其解也相同。因此，我們可以用穩恒電流場來模擬靜電場。也就是說靜電場的電力線和等勢線與穩恒電流場的電流密度矢量和等位線具有相似線的分布，所以測定出穩恒電流場的電位分布也就求得了與它相似的靜電場的電場分布。
2、模擬條件
模擬方法的使用有一定條件和范圍，不能隨意推廣，否則將會得到荒謬的結論。用穩流電場模擬靜電場的條件可歸納為幾點：
(1)穩流場中電極形狀應與被模擬的靜電場的帶電體幾何形狀相同。
(2)穩流場中的導電介質應是不良導體且電阻率分布均勻，并滿足σ
才能保證電流場中的電極(良導體)的表面也近似是一個等位面。
(3)模擬所用電極系統與被模擬電極系統的邊界條件相同。
3、同軸圓柱形電纜的靜電場
利用穩恒電流的電場和相應的靜電場其空間形成一致性，則只要保證電極形狀一定，電極電位不變，空間介質均勻，在任何一個考察點，均應有U穩恒=U靜電，或E穩恒電極≥σ導電質=E靜電。下面
圖 1
以同軸圓柱形電纜的“靜電場”和相應的模擬場—“穩恒電流場”來討論這種等效性。如圖10(a)所示，在真空中有一半徑a的長圓柱導體A和一個內徑b的長圓筒導體B，它們同軸放置，分別帶等量異號電荷。由高斯定理可知，在垂直于軸線上的任何一個截面S內，有均勻分布輻射狀電力線，這是一個與坐標Z無關的二維場。在二維場中電場強度E正平行于xy平面，其等位面為一簇同軸圓柱面。因此，只需研究任一垂直橫截面上的電場分布即可。
距軸心O半徑為r處(圖1(b))的各點電場強度為
E 20r
式中λ為A(或B)的電荷線密度。其電位為
UrUaEdrUaarr1n (1) 20a
Ua 201na若rb時，Ub = 0則有
代入式(1)得 UrUa
距中心r 處場強為 Er1n(b/r) (2) 1n(b/a)UadUr1 (3) dr1n(b/a)r
其中A、B間不是真空，而是充滿一種均勻的不良導體，且A和B分別與電流的正負極相連，見圖2同軸電纜模擬電極間形成徑向電流，建立一個穩恒電流場Er?？梢宰C明不良導體中的電場強度Er與原真空中的靜電場Er是相同的。
4、同軸圓柱形電級間的電流場
取厚為t的圓柱形同軸不良導體片來研究，材料的電阻率為ρ則半徑r的圓周到半徑為(r+dr)的圓周之間的不良導體薄塊的電阻為
dRdr (4) 2tr
半徑r到b之間的圓柱片電阻為
Rrbbdrb1n (5) r2tr2tr
由此可知半徑a到b之間圓柱片的電阻為
(a)
圖2 同軸電纜模擬電極 Rabb1n (6) 2ta
若設U0 = 0，則徑向電流為
IUa2tUa (7) Rab1n(b/a)
1n(b/r) (8) 1n(b/a)距中心r處的電位為 UrIRrbUa
則穩恒電流場Er′為
UadUr1Er (9) dr1n(b/a)r
可見式(2)與式(8)具有相同形式，說明穩恒電流場與靜電場的電位分布函數完全相同。即柱面之間的電位Ur與1nr均為直線關系。并且(Ur/Ua)相對電位僅是坐標的函數，與電場電位的絕對值無關。顯而易見，穩恒電流的電場E′與靜電場E的分布也是相同的。因為EdUrdUrE (10) drdr
實際上，并不是每種帶電體的靜電場及模擬場的電位分布函數都能計算出來，只有在σ分布均勻幾種形狀對稱規則的特殊帶電體的場分布才能用理論嚴格計算。上面只是通過一個特例，證明了用穩恒電流場模擬靜電場的可行性。
5、電場的測繪方法
由(10)式可知，場強E在數值上等于電位梯度，方向指向電位降落的方向?？紤]到E是矢量，U是標量，從實驗測量來講，測量電位比測定場強容易實現，所以可先測繪等位線，然后根據電力線與等位線正交原理，畫出電力線。這樣就可由等位線的間距，電力線的疏密和指向，將抽象的電場形象地反映出來。
靜電場描繪儀(包括水槽、雙層固定支架、同步探針等)，如圖3所示，支架采用雙層式結構，上層放記錄紙，下層放帶電極水槽。并將電極引線接出到外接線柱上，電極間有電導率遠小于電極且各向均勻的導電介質水。接通交流電源就可進行實驗。在導電玻璃和記錄紙上方各有一探針，通過金屬探針臂把兩探針固定在同一手柄座上，兩探針始終保持在同一鉛垂線上。移動手柄座時，可保證兩探針的運動軌跡是一樣的。由水槽上方的穿梭針找到待測點后，按一下記錄紙上方的探針，在記錄紙上留下一個對應的標記。移動同步探針在水槽中找出若干電位相同的點，由此即可描繪出等位線。
使用方法：
(1)接線
靜電場測試儀信號源的輸出接線柱與電極接線柱相連，將探針架放好，并使探
針下探頭置于放有電極的水槽中，開啟開關，指示燈亮，有數字顯示。電壓表示值圖3 K為電場中某點對負極的電壓值。
(2)測量
調節靜電場測試儀電源前面板上電壓調節旋鈕，將開關K打在電源電壓上，電表顯示所加的電壓值，單位為伏特，一般調到10V，便于運算。然后將開關打在測量，橫移動探針架，數顯示表示值隨著運動而變化，從而測出每條等位線上的幾個電壓相等的點。
(3)記錄
在描繪架上鋪平坐標紙，用螺釘夾住，當電壓表顯示讀數認為需要記錄時，輕輕按下記錄紙上的探針并在坐標紙上，記錄電壓，為實驗清楚快捷，每等位線不少于8個點，然后用光滑曲線連接即可。
【實驗內容】
1、長直同軸圓柱面電極間的電位分布
(1)將電極水槽中加入適量的水，然后把它放在上層靜電場描繪儀的下層;
(2)按圖連接好電路，電壓表及探針聯合使用。
(3)把坐標紙放在靜電場描繪儀的上層，并用四個螺釘夾好。
(4)調節靜電場描繪儀的電源(大約10V)。
(5)移動探針座使探針在水中緩慢移動，用數字電壓表測量電位差，找到等位點時按下坐標紙上的標記指針，做出標記。分別作出6V、5 V、4 V、3 V、2V的五條等位線，每條等位點不得少于8個。
(6)根據等位點描繪等位線，并標出每條等位線的電位。
(7)根據電力線和等位線垂直的提點，描繪被模擬空間中的電力線。
2、不規則電極間電位分布
(1)將水槽中的電極更換成兩圓柱面型。
(2)重復內容一中的操作，分別作出8V、7 V、6V、5 V、4 V、3 V、2V的7條等位線。
【數據記錄與處理】
1、同軸圓柱面型電極間電位分布
(1)根據等位點描繪被模擬空間中的等位線。
(2)根據電力線和等位線垂直的提點，畫出被模擬空間中的電力線。 (3)測量每條電位線的半徑計算對應的電位理論值，并與實驗值比較計算相對誤差，將數據填入以下表格。
表：Ua V a mm b mm
(1)根據等位點描繪被模擬空間中的等位線。
(2)根據電力線和等位線垂直的提點，畫出被模擬空間中的電力線。 注意：將圖線粘貼在實驗報告上
【思考題】
(1)用模擬法測的電位分布是否與靜電場的電位分布一樣?
(2)如果實驗時電源電壓有效值不穩定，那么是否會改變電力線和等位線的分布?為什么?
(3)試從你測繪的等位線和電力線分布圖，分析何處電場強度較強，何處電場強度較弱。
【注意事項】
(1)水槽由有機玻璃制成的，實驗時要輕拿輕放，以免破碎。
(2)水層厚度要保持一致，即水槽要水平放置，以保證導電介質的均勻性，且水不要過多也不要過少，水面要到達探針但不要淹沒電極。
關鍵詞： “用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”實驗 描繪電場等勢線實驗演示器 靈敏電流計 改造
高中二年級物理的學生實驗“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”，在實驗中有的班級的學生對靈敏電流計損壞很嚴重，如何避免這種情況呢？我對靈敏電流計損壞的原因進行了深入的分析，終于找出了這個問題的主要原因：描繪電場等勢線實驗演示器的設計有一個小小的不合理的地方。后來我對所有的描繪電場等勢線實驗演示器進行了一個小改造，學生的實驗使用情況表明：靈敏電流計得到了很好的保護。下面介紹一下我的做法。
先介紹一下這個實驗。這個實驗的目的是用描跡法描繪電場中平面上的等勢線。其原理與方法是：直接描繪靜電場中的等勢線是比較困難的，但由于穩恒電流場遵從的規律在形式上和靜電場相似，因此可以利用導電紙中的恒定電流場模擬真空中的靜電場。具體的做法是將和靜電場中帶電體相同形狀的電極，按帶電導體的分布位置放在均勻的導電物質中，導電物質應是導電率不大的不良導體（導電紙）。在電極上加上一定電壓（直流6伏）以后，導電物質中將形成穩定的電流場。實驗中確定等勢點的根據：當兩點電勢相等時，連接該兩點間的導線上就無電流通過，否則將有電流從高電勢點流向低電勢點。所以當在電流場中與導電紙接觸的兩探針尖端的電勢差為零時，與探針相連的電流計中通過的電流強度為零，從而可以通過探針找出電流場中的等勢點，并依據等勢點描出等勢線。這個實驗將要用到的實驗器材有：1.靈敏電流計；2.導電紙一張；3.直流6伏的電源；4.電極一對連導線；5.電鍵一只；6.描繪電場等勢線實驗演示器；7.復寫紙一張；8.白紙一張；9.導線兩對。其實驗步驟如下：
（1）在描繪電場等勢線實驗演示器上按順序鋪上白紙、復寫紙、導電紙各一張。
（2）在導電紙上壓上電極，接好電路。
（3）畫兩電極間的連線作為基準線，在基準線上大至分成六等分，得到五個基準點。
（4）合上開關后，將一個探針固定壓在一個基準點，另一個探針在基準線的兩側移動，觀察電流表的指示，當移到某點電流計示數為零時，此點即為基準點的等勢點，稍用力將這點的位置復印到白紙上。如此在基準線的兩側各找5―7個等勢點。
（5）換上另一個基準點后繼續找該基準點的等勢點，直到所有基準點都在基準線兩側找到5―7個等勢點為止。
（6）取出白紙，沿各個基準點的等勢點連成平滑的等勢線，并依據等勢線繪出若干條電力線。
從整個實驗看，實驗過程中必需注意：
（1）導電紙有導電物質的一面應該向上，這樣電路才能保證暢通。
（2）在探測與某一基準點電勢相等的其它各點時，與該基準點相接觸的探針要固定不動，這樣電勢才能保證不變。
（3）一根探針固定不動，另一根探針的跨度不要太大，以免兩探針間的電勢差太大而燒壞靈敏電流計；絕不允許將兩探針分別同時觸到兩電極或兩接線柱，因為兩電極及兩接線柱間的電勢差很大，這樣會立刻導致靈敏電流計燒毀。
從整個實驗來看，最容易損壞的儀器是靈敏電流計。靈敏電流計的量程是很小的，其測量范圍為-300微安―0―+300微安，兩檔壓降分別為30毫伏和750毫伏，允許通過的電流是很小的，稍大的電流、電壓都可以使其燒毀。如何保護好靈敏電流計是這個實驗要切實注意的問題。實驗表明，將兩探針分別同時觸到兩電極是靈敏電流計被燒毀的主要原因。所以教師要在學生別強調第三點注意事項，講清楚道理并要求學生切記。
教師強調了注意事項，學生對儀器的損壞會減少，但還是難免會有個別學生將兩探針分別同時觸到兩電極而使靈敏電流計被燒毀。如何杜絕這種現象發生呢？當我們細心地觀察整個實驗電路及儀器，就會發現描繪電場等勢線實驗演示器正面的兩個電極及兩接線柱的側面是的。當給描繪電場等勢線實驗演示器接上直流6伏的電源時，兩個電極及兩接線柱的側面都帶上6伏的直流電，遠遠超過靈敏電流計的最大壓降750毫伏，所以只要將兩探針分別同時觸到兩電極或兩接線柱，靈敏電流計馬上就會被燒壞。第一次做這個實驗的學生心里總有一些慌張，操作實驗時對教師強調的問題也容易忘記；或者有個別學生根本就沒有聽課，做實驗時就亂來一通。這些情況都可能導致有學生將兩探針分別同時觸到兩電極或兩接線柱而使靈敏電流計燒毀。對于這種情況，要想出一個辦法：即使學生將兩探針分別同時觸到兩電極或兩接線柱也不會使靈敏電流計燒毀。所以必須對描繪電場等勢線實驗演示器進行改進。描繪電場等勢線實驗演示器的兩個電極及兩接線柱的側面是的，當接上電源時是通電的。只要在兩個電極及兩接線柱的側面涂上一層油漆，當學生將兩探針分別同時觸到兩電極或兩接線柱時，油漆的絕緣作用會使兩探針不再帶電，就能保護靈敏電流計。
我對描繪電場等勢線實驗演示器中設計不合理的地方進行了小小的改造，使“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”實驗更易成功，儀器得到了更好的保護。
參考文獻：
新課標背景下的物理課堂要體現學生的自主性學習，其奧秘在于“師生角色的轉換”，變學生的被動學為學生課堂上的主動參與。讓學生親身去經歷知識的形成過程，在歡快的課堂氛圍中學會學習，學以致用。物理本身是一門以實驗為基礎的學科，物理的很多定理或定律來源于實驗，一個物理實驗就是一個物理情景。
在平時的物理教學中，把知識還原成生活之中的小實驗，在生活中體會物理知識。在實驗的過程當中，我們要讓學生自己探索知識的形成過程，利用貼近生活的實驗來激活學生的出現思維，激發學生的創造力。在實驗設置的過程中，如何讓學生親身參與？根據幾年的教學實踐，筆者在實驗改進上進行了大膽的嘗試，收到了很好的效果。它不僅能激發學生學習物理的興趣，充分調動學生的積極性，而且能幫助我們突破一些教學中的重、難點，從而實現學生對知識的真正掌握，并且靈活應用。
1 超重與失重
在講“超重與失重”一節中，對于完全失重的處理，筆者對原有實驗進行了改進，全新設計一個小實驗。主要器材有一個空礦泉水瓶（底端帶洞）、一桶水。實驗過程如下：
1）把礦泉水瓶中裝滿水，然后讓水瓶正立在空中，觀察水流動情況。仍然把礦泉水瓶裝滿水，下面放上水桶，讓水瓶正立在空中自由下落。在做實驗之前先讓學生猜測實驗現象，學生發揮想象力，答案五花八門。在學生猜測之后，由學生代表站在板凳上親自演示實驗。
2）通過實驗讓學生提出問題與討論：當瓶中裝滿水，瓶靜立在空中時，為什么水會流出？當瓶中裝滿水在空中自由下落時，瓶和水處于什么運動狀態？這種狀態下物體的加速度是多大？根據物體的運動，請分析瓶的受力情況？水和瓶之間還有擠壓嗎？
學生通過討論進行小結：當物體向下的加速度為g時，且物體與接觸面的壓力為零時，這種現象屬于完全失重。
教師質疑隨后質疑：怎樣驗證你們的結論呢？
3）學生討論并展示成果：學生利用上述實驗器材分別把水瓶上拋和平拋。
本知識環節的講授采用改進實驗進行教學，把一個抽象的物理概念用一個簡單的物理小實驗進行探究，最終學生得出科學的結論。這種方式教學首先讓學生先產生興趣，造成懸念，積極探索，使學生始終處于一種興奮狀態。進而研究“完全失重”的形成過程。這樣教學，學生對于完全失重的概念的理解達到記憶并強化的過程。
2 電磁式等勢線描繪器描繪等勢線
2.1 實驗原理
直接描繪靜電場的等勢線比較困難，利用恒定電流的電場模擬靜電場通過電磁手段用描跡法畫出電場中平面上的等勢線。
2.2 創新點
1）引入可控電磁探針和畫板，受幼兒畫板的啟發，用畫寫板取代白紙復寫紙來呈現等勢點，可控電磁探針用來尋找等勢點，可控電磁探針主要有兩部分構成，連接紅色粗線的鐵芯也就是探針和連接紅藍細線帶觸點開關的線圈構成。線圈接直流電源，鐵芯連線接靈敏電流計，找到等勢點后接通觸點開關，電磁探針產生磁場在畫寫板上留下一點即對應模擬靜電場中的等勢點，接下來斷開電磁探針電源，繼續尋找下一等勢點，重復前面操作。
2）引入彈壓式接線柱，提高器材安全度和降低實驗準備難度。原裝置是柱狀接線柱，每做完一次需拆卸一次，配件很小易失，器材易損。實驗所需三種紙都需打孔套到接線柱上，打孔時孔間距和孔的大小都需認真處理否則影響實驗效果，造成實驗前準備工作難度大。彈壓式接線柱是在豎直鏍桿上套一彈簧，實驗中調節螺帽就可以改變接觸點位置和接觸緊密程度，實驗完畢旋松螺帽彈簧將接觸片輕松彈起就能取下實驗結果，這樣省去了拆卸環節避免了零配件的丟失保障器材安全，并且實驗用紙或其它材料也不必再打孔處理，降低了實驗準備難度。
3）打破原實驗材料限制，能利用日常生活中常見材料完成實驗，激發學生實驗興趣。原有實驗必須用碳粉導電紙，它對學生來說很是陌生的一種材料，對實驗易產生的畏懼心理，不利于激發學生探究興趣，這種紙不易買到價格也相對較貴。改用畫寫板后，利用畫寫板耐濕的特點可用浸過蘇打液的潮濕狀態的棉布或厚牛皮紙等替代導電紙，學生用平時看得見摸得著的材料自制導電紙，增加實驗的趣味性，激發學生學習興趣。
4）低成本無污染。原有實驗每做一次要耗費白紙一張，導電紙最多用兩三次就不能再用，復寫紙比導電紙稍耐用一些，但也需要頻繁更換，如做學生實驗耗材量很大，累積起來實驗成本較高，產生的實驗廢物多而且大多只能被焚燒處理產生有害氣體污染大氣。利用畫寫板和電磁探針作圖，可反復使用，投入低，不會產生實驗垃圾，符合低碳環保的理念。
5）可描繪多種情況等勢線分布。原器材因接線柱限制只能描繪等量異種點電荷等勢線分布，改進后的器材可描繪帶電平行板間的電場，或非勻強場等。
2.3 使用方法：以描繪正負點電荷靜電場等勢線分布為例
1）將畫寫板和浸過蘇打液的導電布鋪好連接電路，電壓直流10 v—14 v，閉合開關產生模擬靜電場。普通探針和電磁探針上粗導線連接靈敏電流計，電磁探針尾端紅藍導線接學生電源，本探針經試驗直流 6 v效果最佳，在導電紙上取五個基準點，用電磁探針依次描出基準點位置，普通探針對準第一個基準點電磁探針在導電紙上輕輕移動在基準點附近尋找等勢點，找到后將電磁探針開關閉合產生磁場在畫寫板上留下點跡，按此方法依次尋找等勢點完成實驗。
2）將彈壓式接線柱旋松，釋放彈片，取下畫寫板，將等勢點用畫寫筆用平滑曲線連接，正負點電荷靜電場等勢線分布就完成了。
3）觀察完畢后，用畫寫板上的磁條掃過畫寫板清除實驗痕跡，整理器材實驗完畢。
2.4 實驗器的優點
1）電磁式等勢線描繪器材料易尋、成本低廉、制作簡單，易于操作，實驗現象明顯，不會產生實驗廢物。
2）沖破原實驗的局限性，可描繪多種電場，既可用于教師示教，也可讓學生自制上探究性實驗課，激發學生制作和研究興趣。
3 驗證動量守恒實驗的改進
驗證動量守恒定律實驗是高中物理課程的重要實驗，按照教科書物理第二冊的實驗裝置進行實驗，把斜槽固定在桌子邊緣，在地面鋪上白紙復寫紙，小球從斜槽上端滾下落到復寫紙上，在白紙上留下落點痕跡，然后對落點及相關數據進行處理，驗證碰撞前后動量是否守恒。用此裝置在實際操作時，有以下缺點：斜槽裝置不穩易滑動，不能確保入射小球從同一高度滾下及碰撞前后兩小球做平拋運動；小球從斜槽滾下落到地面上滿地跑，有時落到桌斗里，學生到處找球，浪費大量的時間；白紙直接放在地面上容易錯位；小球落點分散，用圓規找落點誤差大，精度低；整個實驗耗時較長。為此我們對原裝置加以改進。
1）實驗時用凹槽接小球。避免做實驗時，學生到處找球，節省了大量的時間。
2）斜槽安裝支架，保證了斜槽的穩定性，一次調整，多次使用，斜槽上端附電磁鐵，保證了入射小球從同一高度無初速度釋放。末端鑲嵌水平儀，保證了碰撞前后小球做平拋運動。
3）用帶中孔的透明同心圓片找圓心比圓規方便快捷，且提高了精度。
4）不用刻度尺測長度，而用B4紙，在上面畫出的刻度直接讀出水平拋出距離并形成報告單，使實驗測量與實驗報告一體化。
關鍵詞：數理方程實驗；教學改革；數學建模
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）48-0035-03
一、引言
數學物理方程是人們對一些物理規律、物理過程和物理狀態進行研究后歸結出來的一些偏微分方程，是微積分學產生以后，在實踐中產生并且不斷向前發展的教學分支之一[1]。數理方程教學的直接目標是幫助學生掌握必要的數學知識和工具，為后續專業基礎課和專業課作準備；其長遠目標是訓練學生的數學思維及運用數學工具解決實際問題的能力[2]。但該課程被公認為“老師難教、學生難學、作業難做”[3]，而且隨著近幾年新技術的發展與變化，各高校為了適應寬口徑科技人才培養的需要，將這門課的課時進行了進一步壓縮。因此，要保持教學內容和提高教學質量，任課教師迫切需要對教學手段進行改革。通過對數理方程以往教學情況的實際調研來看，學生們對這門課普遍感覺畏懼、難以產生興趣。產生這種情緒的原因主要有兩點：（1）數學推導很長、很多，例題比較抽象，過于陳舊，容易讓人乏味。（2）不知道數理方程課對其專業學習到底有何作用，因此不愿多花精力，想混及格就行[3]。我們教研組經過研究和討論認為，沒有學不好或學不會的知識，只是學生的主觀能動性還沒有得到充分挖掘。因此，我們讓學生自由組合成三人小組，指導他們結合專業方向設計能夠用數理方程中三類典型偏微分方程進行數學建模的實際物理或者專業實驗，然后進行相關物理量的測量、分析，同時進行數學模型的理論計算和計算機軟件仿真等工作，并將其實驗報告作為平時分重要參考。經過近兩屆學生的實踐發現，該課程的通過率得到了極大提高，學生的反映也很積極，甚至讓人驚喜，有些學生據此進一步參加了數學建模比賽、物理實驗創新競賽、大學生創新訓練計劃等，取得了良好的教學效益。
二、數理方程實驗教學的目的、特點和作用
開授數理方程實驗課的目的就是引導學生以研究、分析、解決實際問題為導向，全面掌握數理方程這門課所包含的數學建模、數學分析、求解方法等，并培養學生實際動手實驗能力和應用計算機解決相關專業問題的能力。相對于傳統數理方程教學而言，數理方程實驗教學有三個新特點：（1）傳統數理方程的教學形式是以教師為中心，以課堂教學為中心；而數理方程實驗則更多地強調以學生為中心，以課外實踐為中心。（2）傳統的數理方程教學追求理論的完整性、步驟的連貫性，繁雜冗長的數學推理不可避免；而數理方程實驗針對具體問題進行數學建模和求解，研究目標明確，因而可以通過簡明實踐來理解理論。（3）每個數理方程實驗的內容具有相對的獨立性，可以將數學、物理、專業知識、計算機應用等眾多不同的領域結合起來，并借此介紹一些目前科學技術前沿廣泛運用的知識，如非線性方程、小波變換、積分方程等。數理方程實驗要求將實際物理實驗（或者專業實驗）、數學建模，以及計算機仿真三者融為一體，最后形成實驗報告。因此數理方程實驗教學具有以下三個方面的作用。
1.激發了學生的主觀能動性。在數理方程實驗中，學生們需要尋找滿足波動方程、輸運方程或者恒定場方程的實例，并進行設計性實驗，因此學習過程中分工合作、共同探討的氣氛得以形成。通過實驗測量、計算、仿真過程中逐步取得的成功，學生們對數理方程的學習興趣極大地提高；通過將復雜難懂的物理、工程問題直觀地顯示于物理現象或精美圖表，學生們更喜歡主動地去研究、計算機編程計算專業課中的各種問題。
2.促進了學生的自學、編程和書面表達等多方面能力的提高，真正提高了學生的動手、動腦能力。因為要編程求解數理方程，首先要理解、掌握相關數學知識，這就迫使他們查閱、學習相關資料，并下意識地對教師所講解的數學知識產生強烈關注，畢竟“社會需要是科技發展的最大動力”。而撰寫實驗報告對于培養學生的書面表達能力、邏輯思維能力很有助益。通過將實驗測量數據與理論計算結果、計算機仿真結果進行比較，學生們更加感性地接受了理論指導實踐，實踐拓展理論的研究思路。
3.培養了學生的專業素養和創新意識。通信、電子類專業一般都會開設《高頻電路基礎》、《微波技術與天線》、《電磁場傳輸理論》等課程，因此在引入三類典型二階線性偏微分方程、講解“分離變量法”、“格林函數法”及特殊函數時，都盡量以這些課程中的問題為模型，然后讓學生利用專業實驗室的儀器設計實驗，再結合數學建模的思想去完成數理方程實驗。這樣不僅可以讓學生學習專業課時輕松自如，還會刺激他們思考實驗過程中碰到的各種問題。
三、數理方程實驗示例
通過近幾年的積累，我們得到了很多以三類典型偏微分方程：波動方程、輸運方程和恒定場方程為數學模型的物理實驗和專業實驗的案例，下面分別介紹一二。
1.波動方程實驗示例。《微波技術與天線》是通信、電子類專業的必修課，該課程中對于微波電路的分析主要有兩種方法：（1）場分析的方法；（2）“路”分析的方法[4]。這兩種方法都可以作為數理方程實驗的案例，例如均勻傳輸線方程即可以作為波動方程應用的典型案例。均勻傳輸線（如圖1）可等效為具有分布參數的電路，因此可用“路”的分析方法建立傳輸線方程，并導出傳輸線方程的解。通過應用Kirchhoff電壓定律和Kirchhoff電流定律，可推導出均勻傳輸線中電壓和電流所滿足的方程。
■=Ri（z，t）+L■■=Gi（z，t）+C■ （1）
這是均勻傳輸線方程，也稱電報方程。對于時諧電壓和電流，可用復振幅表示為u（z，t）=Re[U（z，t）ejωt]，i（z，t）=Re[I（z，t）ejωt]，將它們帶入式（1）并消元，即可得時諧傳輸線波動方程：
■-γ2U（z）=0■-γ2I（z）=0 （1）
其中γ=■稱為傳播常數，若R≈G≈0，式（2）即為理想傳輸線中電壓、電流的一維波動方程。
在這個實驗當中，若此理想輸線無限長，并已知其初始電壓和初始電流分布，則可根據式（1）求出電壓和電流的“初始位移φ（z）”、“初始速度ψ（z）”，代入D’Alembert公式：
u（z，t）=■[φ（z+at）+φ（z-at）]+■■ψ（ξ）dξ （3）
可求得傳輸線上電壓和電流的傳播情況。
若理想傳輸線是有限長度，實驗中就可引入邊界條件。如終端短路，則V|z=l，為電壓場量的Dirichlet齊次邊界條件，再由式（1）第二式可得Iz|z=l=0，為電流場量的Neumann齊次邊界條件；如終端開路，則I|z=l=0，為電流場量的Dirichlet齊次邊界條件，再由式（1）的第一式可得Vz|z=l=0，為電壓場量的Neumann齊次邊界條件。應用高等數學中二階常微分方程的解法即可得式（2）的通解：
U（z）=A1e-γz+A2eγz=0I（z）=■（A1e-γz-A2eγz） （4）
其中，Z■=■稱為特性阻抗，然后再根據邊界條件求得電壓和電流的分布。
有條件的高?？捎镁W絡分析儀、50Ω微帶線、50Ω BNC連接線、開路負載、短路負載、高阻微波同軸檢測探頭等進行相關實驗測量，我們還可以借助電子電路仿真軟件Multisim或者安捷倫公司的Advanced design system進行上述微波電路的仿真，具體實驗和仿真可參考文獻[5-7]。最后要求將數學模型求解的結果、實驗測量結果、仿真軟件計算結果放在同一表格或者同一張圖中進行比較，這樣可以得到一份很好的數理方程與專業知識相結合的實驗報告。
另外，兩端固定均勻弦的微小橫振動問題是所有數理方程教材的經典例題，我們可以用兩端固定的橡皮筋進行振動模擬，然后數碼攝像機進行拍攝紀錄，通過計算機處理得到其橡皮筋任意一點在任意時刻的位移，并與Matlab編程計算結果進行比較。還有，通過在水槽中用試管滴水得到二維水波振蕩，用數碼相機連拍功能獲取不同時刻水波振動狀態，可與理論計算結果進行比較。學生通過這些實驗不僅理解了方程的含義、求解方法，還學會了如何用這些實驗來測量弦的密度、波的傳播速度等重要物理參量。
2.輸運方程實驗示例。半導體物理學、化學和生物學中許多問題都可歸集為反應擴散方程（或稱輸運方程）問題，在諸多重要物理參數測量方面有很多應用，如氣體、液體擴散系數的測量等。目前很多學校都能開展“測定氣體導熱系數”物理實驗，所需儀器主要有FB-202型氣體導熱系數測定儀、溫度計、氣壓計等。其物理模型為：在圓柱形容器內的沿軸線方向上有一根溫度恒為T1的鎢絲（如圖2），容器內壁的溫度近似為室溫T2（T1>T2），鎢絲的半徑為r1，鎢絲長為L，容器的半徑為r2，由于T1>T2，容器中的待測氣體必然形成一個沿徑向分布的溫度梯度，由于熱傳導，鎢絲溫度下降，本實驗用熱線恒溫自動控制系統來維持鎢絲溫度恒為T1。如對其進行數學建模，得其輸運方程方程模型：
■-■Δu（■，t）=f（■，t） （5）
其中u為溫度分布，c為氣體比熱容，ρ為氣體密度，k即為所求熱傳導系數。由于每秒鐘氣體熱傳導所耗散的熱量就等于維持鎢絲的溫度恒為T1時所消耗的電功率，所以圓柱形容器中氣體的溫度分布保持為一個穩定的徑向分布的溫度場，
■+■■+■■=0 r1
然后用分離變量法求解此數學定解問題，得u（r）=（T1-T2）Inr/In（r1/r2）。學生以三人為一小組做實驗，記錄實驗數據，再用Matlab或Origin進行數據處理，然后與理論模型計算值進行比較，最后進行誤差分析，完成實驗報告。通過此實驗學生不僅掌握了如何測量氣體的熱傳導系數，加深了對輸運方程的理解，還學會了如何使用數據處理軟件，對學生今后的學習很有裨益。
3.恒定場方程實驗示例。一般高校的普通物理實驗室都開設靜電場描繪實驗，使用實驗儀器有：AC-12靜電場描繪電源、靜電場描繪儀等（如圖3（a）所示）。以同心水槽中電位分布為研究對象，可得二維極坐標系下Laplace方程定解問題：
Δu=0， a≤r≤bu|■=V1，u|■=V2 （7）
學生可用分離變量法求得其理論解，還可以用Comsol、Matlab等仿真軟件比較容易的得到其電位分布圖，再通過與實驗中打點得到的電位分布圖進行比較（圖3（b）），從而直觀、深刻地理解物理原型、數學模型，并至少掌握了一種計算機仿真軟件的應用。此實驗中根據不同電極形狀的水槽，還可讓學生在不同坐標系下（如雙曲坐標系、直角坐標系）進行分離變量法，從而對Sturm-Liuville本征值問題有更深刻的認識。
總的來說，數理方程實驗的完成首先需要教師指導學生學習、掌握相關數學知識和求解方法，然后引導學生進行相關物理、或者專業實驗的設計、測量，并根據物理規律分析這些實驗的物理原型，建立起數學模型，再由學生自己進行計算機編程計算或利用現有商業軟件進行仿真，最后通過觀察、比較數學模型理論結果、實驗測量數據和計算機軟件仿真結果，進行總結，完成數理方程實驗報告。
在科學技術快速發展的今天，教師在傳授一門課的基本知識的同時，應比以往任何時候更注重傳授學習和研究這門課程的方法，完成由引導式學習到自主學習的根本性轉變[8]。通過一年來數理方程實驗教學的探索和實踐，我們發現數理方程實驗課能夠利用學?，F有教學儀器和設備，將物理知識、專業知識、數學知識，以及計算機應用結合在一起，實現“教學、實踐、科研”三位一體[9]的教學模式。學生們通過課題式的研究覺得的數理方程是很有用的一門課，能夠學以致用，縮短了書本理論到專業應用的距離，該課程的通過率相應地也得到了極大提高。有很多同學通過設計數理方程實驗得到啟發，進一步參加了數模競賽、物理實驗創新競賽、大學生創新訓練計劃等各類比賽，取得了良好的教學效益。另外，我們認為數理方程實驗反過來對物理實驗、專業課程實驗設計也有借鑒意義。
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設計性實驗介于基礎性實驗與實際科學實驗之間，是在學生完成一定數量的基礎性、驗證性及綜合性實驗之后，對實驗的全過程進行科學訓練的實驗課題。實驗課題一般由實驗中心綜合考慮教師的意見后提出，由實驗室為學生提供實驗條件。學生根據實驗課題研究的內容，自行搜集并閱讀相關的參考資料，綜合比較各種實驗方法實施的可能性、適用條件、實驗的準確程度，根據實驗室提供的實驗條件，推證理論，選擇相對完善的實驗方案。實驗方案確定之后，應根據實驗方案的原理和實驗精度要求，選擇測量誤差較小的測量方法。應綜合考慮分辨率、準確度、量程和價格四因素，根據誤差的等作用原理選擇合理、配套的測量儀器。在測量中，要確定最有利的條件，選擇合理的數據處理方法，分析各種誤差產生的原因，從數據中判斷系統誤差是否存在，尋求減小或消除實驗系統誤差的方法，以提高實驗質量，如進行“簡諧振動的研究”、“設計和組裝熱敏電阻溫度計”、“測定平行電流間的磁場力”、“球坑法測定薄層厚度”、“導熱系數的智能測量”等設計要求較高的實驗。這樣，按照實驗內容分成不同的階段，構建從易到難、從基礎性實驗到綜合設計性實驗、從實驗知識和技能的學習到科學思維訓練和創新能力培養的大學物理實驗教學課程新體系，以滿足不同專業、不同知識基礎學生的需要，使優秀人才得到更大的發展空間。
在當今新技術迅速發展的時代，物理實驗課程應該是被新技術、新手段不斷改造、不斷填充的開放系統，是不斷改革、不斷發展的動態教學體系。要使物理實驗教學與科學技術的發展相適應，做到與時俱進，教師在實驗教學中應把握課程前沿，有意識地增加一些應用性或涉及現代高新技術的實驗項目，如太陽能電池技術、傳感器技術、計算機智能檢測、光纖技術、共振技術、光學信息處理技術、微弱信號檢測技術、光譜技術、混沌、納米材料和薄膜制備技術等與現代科學技術相融合的知識和內容，增加與“諾貝爾物理獎”相關的實驗項目，使現代科學技術研究成果滲透到傳統的物理實驗課程內容中，及時反映學科最新進展，激發學生對實驗課程的興趣和科研熱情，培養他們的科學思維能力和創新能力。
物理實驗與其他自然科學相互滲透，有了越來越多的交叉點。物理實驗課程不僅是理工科學生進行后續科學實驗訓練的重要基礎，也是許多非物理類專業學生的必修課程之一，而這部分學生群體應該引起我們的關注。為了體現因材施教的原則，對于跨專業的學生應開設一些與其所學專業相關的實驗項目，這些體現物理理論在其他專業應用的實驗項目，能使學生在物理實驗中充分感受到物理科學在實際工作和生活中的應用，培養學生學以致用的思想，調動其學習熱情，激發其求知欲望。
例如，偏光顯微鏡部分的實驗教學是地質專業的特有實驗教學內容，但地質專業課上側重的是與鏡頭材料性能相關的光的偏振知識，很少涉及顯微鏡的工作原理及組裝等教學內容。所以，在對地質專業學生進行偏光顯微鏡組裝的教學實踐中，可以把專業課和實驗課強調的重點加以整合，在傳統顯微鏡組裝實驗的基礎上，結合光線的偏振原理，對內容進行加深和擴展，增加組裝偏光顯微鏡的實驗教學內容。對于環境科學專業而言，應根據其專業特點，增加環境噪聲的測量實驗，使學生在進行基本實驗操作技能訓練的同時，加深對環境專業相關理論的理解，為后續的環境專業課程學習奠定扎實的基礎。再如，滲流場與電場具有相似性，在油田開發專業的學生做振蕩電路實驗時，可以啟發學生利用該電路模擬油田的產液變化。
二、實施多樣化教學，提高學生的科研素養
（一）設立廢舊儀器實驗室
廢舊儀器實驗室能夠實現廢物再利用，是一種變廢為寶的措施。應充分利用實驗室提供的物質和空間資源，集中已老化報廢但部分部件仍能正常使用的已淘汰廢舊設備，配以儀器的使用說明或者搜集到的相關圖片、文字資料，收集各類廢舊家電、工具、儀器設備、配件等，再配備計算機，設立廢舊儀器實驗室。廢舊儀器實驗室是物理實驗愛好者的樂園，學生通過仔細研讀儀器使用說明書、圖片或者利用網絡資源查閱文字資料，面對實物了解儀器的構造、基本原理和使用方法，這不僅有利于學生對教材內容的真正理解，而且有助于培養學生的自學能力、動手能力。教師可以向學生展示以往破壞性操作的后果或進行實地演示，讓學生明白規范化操作的必要性，為學生在以后的實驗操作中養成良好的操作習慣打下基礎。學生還可以自行設計小制作，動手拆卸出廢舊家電、儀器設備中的有用部分，對各部分進行組裝。雖然小制作的功能還不夠完善，制作也很粗糙，但學生在親自動手、動腦的活動中體驗到學習的興趣、成功的快樂，這樣的體驗能使學生終身受益。在學習過程中，學生還可以對儀器進行維修，成為實驗室工作的小助手，激發學生的學習興趣，使其感覺學有所用。在廢舊儀器實驗室，學生通過對儀器改進的方案進行驗證，以檢驗改進方案實施的可行性，培養創新思維。廢舊儀器實驗室還可以為實驗課程中未能順利完成操作的學生提供再一次學習的機會，使他們學會排除實驗中的故障，對實驗有更深刻的認識。
（二）開設公選課
高校應以素質教育為目的，以物理廢舊實驗室和物理演示實驗室為基地，對全體在校學生包括文科學生開設《大學物理演示實驗》、《物理實驗發展史》、《物理現象探索》等公選課程，供學生選修?？梢灾攸c關注物理實驗發展史中對物理學的發展、人類的進步起到關鍵作用的重要實驗，如赫茲的電磁波實驗、楊氏雙縫干涉實驗、盧瑟福的粒子散射實驗、密里根的油滴實驗等，討論這些實驗在物理學發展進程中的歷史重要性、嚴謹的實驗思想以及別具匠心的設計理念。教師在講課過程中可以引入名人案例，利用榜樣的力量感染學生，用科學的世界觀武裝學生，使學生明確物理實驗的意義，并在回溯物理發展歷史過程中的著名實驗時得到人生的啟示。應開放物理廢舊實驗室和物理演示實驗教學基地，讓學生親自動手操作儀器，仔細觀察物理現象并進行思考，使其加深對物理世界的感性認識，強化對物理概念、物理規律的理解，體會到實驗思想的嚴謹、實驗設計的巧妙，培養其理性思維方式，提高其創新能力和科學觀察能力。
（三）開展多媒體課件制作競賽
大學生的電腦操作能力普遍較強，想象力豐富，思維活躍，具有很大的智力潛能和實驗學習的主動性，這有助于教師轉換思想，接受新的理念、方法，從而提高教學質量?？梢試L試由學院牽頭、物理實驗室負責、學生會組織，選聘相關專家和學生代表為評委，在實驗課的中期或后期，開展物理實驗多媒體課件制作競賽。物理實驗室應在學期前期安排好競賽時間、與物理實驗項目相關的實驗選題、評選規則等實施方案，方便學生早做準備，學生則以自愿報名的形式參與。為了鼓勵學生積極參賽，除適當的物質獎勵外，還可以在期末實驗考核和綜合測評中對獲獎學生給予不同程度的加分獎勵。參賽學生必須在實驗課前、課中和課后做大量充分、細致的工作：課前要認真預習，明確實驗目的、實驗思想和重要儀器的使用方法，必要時查閱資料，做到思路清晰；課中要認真操作，熟練掌握基本操作規則，準確記錄原始數據，及時發現實驗中可能遇到的故障，并分析原因、找出排除故障的方法；課后要認真進行測量數據處理，并就如何減小實驗誤差進行討論，對實驗疑點、相關知識進行拓展學習。開展多媒體課件制作競賽，能夠充分發揮學生的想象力及創新能力，為學生搭建一個展示自我、勇于創新的平臺。
（四）引導學生參與實驗研究和科研活動
俗語說“：授人以魚，不如授人以漁。”進行物理實驗教學，不僅要讓學生了解實驗應該如何做，還要知道為什么這樣做，更要思考可以做什么。教師在實驗課教學過程中，要積極引導學生結合物理實驗課程項目，應用先進的實驗方法、實驗技術和手段，主動參與物理實驗研究和實驗室科研項目，在學習物理實驗基本理論、獲得科學操作技能的同時，有效培養其創造性思維和科學實踐能力。實驗研究包括物理實驗方案的改進與設計方法討論、異常實驗現象的產生因素及改進措施分析、實驗儀器的改進和維修方法的探討、實驗故障的產生原因及排除故障的方法研究、實驗數據處理方法及實驗誤差分析、實驗失敗的原因及解決辦法研究等。
例如，在“靜電場模擬”實驗中，傳統的靜電場描繪儀是以導電紙或水作為兩電極間的電介質，大多使用雙層結構的描繪儀，采用等臂記錄法來描繪，用數字電壓表觀測等電位點，這種設計存在缺陷，不能很好地描繪靜電場，學生反映實驗誤差太大。教師可以引導學生查閱資料，綜合利用物理、化學知識多方位地進行設計、改進，提出可行的改進意見，并用實驗進行驗證。在“分光儀的調整和使用及三棱鏡折射率的測定”、“用光柵測光波波長”、“用分光計進行光譜定性分析”等實驗中，分光計作為這些實驗的重要儀器，經過不斷演變和改進，設計更加科學，結構也更加精密、復雜，其使用和調整都有嚴格的規范要求，這對于初次接觸分光計的學生來說是嚴格的考驗。部分學生在調整分光計時，對載物臺調平的操作雖花費了大量時間，仍不能達到很好的調平效果。
教師可以適時組織“分光儀載物臺快速調平法”的討論，引導和鼓勵學生積極思考和解決這個問題。這樣的討論能夠激發學生探究問題的興趣，并鼓勵優秀學生脫穎而出。另外，教師可以積極組織并有意識地引導學生結合所學專業和個人興趣，積極參與教師和實驗室的科研項目，以增加師生間的交流，激發學生的學習熱情，為其自我能力的提升提供平臺。例如，機械和電子專業是集機械、電子技術、信息處理、計算機等技術為一體，以計算機應用為特色的綜合性學科，這種機電一體化應用的專業特色可以應用到實驗儀器的設計和制作中，實現實驗儀器的更新改造。計算機科學與技術專業的學生具有扎實的理論基礎、較強的程序設計和軟件開發能力，可以參與實驗軟件、實驗教學軟件的開發和應用等研究，以培養學生的綜合實踐能力和創新能力，滿足學生學以致用的成就感。
三、利用現代教學手段，提高實驗教學質量
應改變傳統的黑板加粉筆的教學模式，以適當的黑板板書為輔助，利用現代教學手段，制作穿插圖片、動畫、音視頻、虛擬現實等材料的高質量多媒體課件，建立網絡教學資源庫，引進網絡仿真實驗，實現物理實驗教學的信息化和網絡化，豐富教學內容，增加實驗教學的趣味性，培養學生主動參與、主動探索、主動思考的能力。尤其是對于利用常規方法進行圖形和數據處理比較困難的部分實驗項目，利用計算機進行處理就比較容易完成。利用CAI教學課件作為輔助教學工具，可以將復雜的圖表、實物圖、電路圖等通過圖像、聲音、動畫、影像等形式形象地展示出來。仿真實驗可以利用計算機技術把實驗原理的理解、實驗儀器的結構、實驗的教學內容、實驗報告的書寫、教師的指導和學生的操作活動有機地結合起來，將一些因實驗室客觀條件限制還未開出的實驗項目，通過模擬物理實驗在計算機上完成，其效果甚至好于實際實驗的效果，能方便學生自己安排時間進行預習、操作及復習。現代化的實驗教學還能促使學生在校園網上反復查閱教師課件等教學資料，以提高實驗效果，并對一些疑難問題及實驗方法、技術和儀器改進方面的想法在網上隨時與教師進行交流和討論，教師要鼓勵學生提出改進性建議，設計出科學合理的方案，培養學生的科研能力。教師還可以利用校園網絡及時公布學生每次實驗的評定情況，使學生及時了解自己的實驗成績和存在的問題，如果需要，可以隨時預約重做實驗。
四、實行開放式教學，強化因材施教
實行全方位、多層次的開放式實驗教學，不只局限于時間和空間的開放，更重要的是教學內容、方法和手段的開放，是觀念意識的開放。開放性實驗室可以實現對外聯網，給教師和學生帶來極大的方便。
（一）有助于體現以人為本的原則
學生登錄校園網的網上選課系統，根據教務處對實驗的課程安排，結合自身的實驗基礎、興趣愛好和所修專業的特點，可以自主選擇實驗時間和實驗題目。這體現了以人為本、因材施教、因人而異的原則，滿足了不同需求、不同層次、不同專業學生的要求，有效推進了數字化校園建設。在物理實驗室開放教學的模式下，學生可以有目的地選擇與專業相適應的物理實驗，通過物理實驗充分感受到物理科學在實際工作和生活中的應用，培養學以致用的思想意識。開放的物理實驗室使學生在時間和空間上有了更大的靈活性，為學生安排學習時間、制定學習計劃和發展方向帶來極大的便利，符合當今社會所倡導的自主化、人性化管理理念，對實驗教學管理工作的信息化、網絡化建設具有促進作用。
（二）有助于學生完成課前預習和數據處理
開放的實驗可以將實驗教學內容的預習和數據處理的環節安排到實驗室課上完成。與理論課相比，實驗課的一個重要特點是要求學生能夠多思考、多分析，獨立完成實驗操作，所以，明確實驗任務、了解儀器的結構功能及操作要領、掌握誤差來源及減小誤差的方法等實驗前的預習工作尤為重要。但是，傳統的實驗前預習只限于對實驗教材的閱讀及撰寫預習實驗報告，學生從教材上生澀的專業術語、模糊不清的儀器結構圖中感覺實驗內容枯燥乏味或看不懂，只能盲目地抄襲實驗講義，以應對教師的課前檢查，這樣不僅浪費了學生的時間和精力，不會對實驗教學有所裨益，而且會影響學生對實驗的興趣。讓學生進入實驗室面對實驗儀器有針對性地進行實驗前預習，可以使難以理解的內容變得生動、易懂，學生的興趣大增，預習質量明顯提高，避免了以往實驗前預習的諸多弊病。學生可以在課堂上進行數據處理，教師可以當堂進行批改點評，對實驗報告中出現的問題及時加以糾正，不斷總結教學經驗，調整和完善課堂教學內容，探索適當的教學方式。
（三）有助于培養學生的創造性思維
開放的實驗室可以彌補課堂教學時間的不足，為實驗課內不能順利完成實驗或實驗失敗的學生提供完成實驗或者重新實驗的機會。在開放實驗室的時間內，學生還可以做一些難度較大或者感興趣的實驗項目，充分發揮自身潛能，培養獨立思考、積極探索、不斷創新的精神和永不滿足、追求卓越的態度。例如，在“拉脫法測定液體的表面張力系數”的實驗中，有些學生在完成實驗測定后，希望探索溫度對液體表面張力系數的影響、液體表面張力系數與液體中所含雜質濃度的關系。學生通過查閱大量文獻，設計實驗方案，在課余時間進行實驗，充分發揮實驗設備的潛力，以最少的投資發揮最大的效益，使課內實驗與課外開放實驗有機結合起來，滿足學生求知和創新的欲望。開放式教學模式可以為學生主動學習和個性發展創造良好的外部環境，滿足其求知、探索和創新的欲望，側重于創新精神與能力的培養，體現以人為本的教學理念，可以有效解決當前實驗教學中存在的問題。
五、完善實驗考核制度，保證教學效果
實驗考核是檢驗實驗教學效果的重要手段，是實驗教學改革的基本組成部分，也是實驗教學工作的重要環節。完善的考核制度能夠客觀反映學生的理論知識水平、操作技能，科學評定學生的綜合實踐能力，培養學生嚴謹的治學態度、實事求是的工作作風和開拓創新、不斷探索的精神。針對學生不注重平時的實驗操作過程，抄襲、修改或編造數據的不良作風，對學生的實驗課程成績可采用“課程總評成績100％＝平時成績60％＋期末實驗操作測試成績40％”的折算方式來進行評價。在總評成績中，平時成績比例要加大，目的是鼓勵學生重視平時的實驗，以提高實驗操作水平。平時成績涉及的評定因素較多，包括出勤、實驗預習情況、實驗操作完成情況、實驗結果和實驗報告質量等，教師要善于觀察，做好平時的實驗記錄，做到客觀公正、實事求是。另外，教師還要考察學生是否能獨立地排除實驗故障，課堂提問、課堂討論、提交作業及工作態度等情況都可以用來綜合考察學生，評定學生的學習情況。其中，實驗操作及動手能力是學生實驗過程的關鍵，教師要進行巡視考察。對于學生的實驗報告，要考察實驗數據的真實性、數據處理方法、誤差的計算、實驗結果的誤差及分析、異?，F象的解釋等。
為了對學生的實驗教學進行更全面的考核，突出對學生實驗操作技能的考核力度，教師不能只看實驗報告，要杜絕抄襲報告的現象。具體的做法是，在學期期末，教師選取一些以實驗基本操作技能為考核重點的題目，學生隨機抽取題目后，經過30分鐘的準備工作，在規定的時間內獨立完成實驗操作，回答實驗涉及的問題，并當場完成實驗報告的撰寫。教師要在學生的操作過程中進行巡視，觀察學生實驗操作的規范性和熟練程度以及數據記錄、實驗結果處理、解決問題方法、臺面整潔與否等實驗習慣。對于綜合性、設計性、應用性實驗項目，尤其是涉及物理知識與學生所學專業相關的項目，要通過考察設計實驗方案、撰寫實驗論文等方式進行綜合考核。對于在多媒體課件制作競賽中獲獎以及在實驗研究和科研活動中表現突出的學生，可以在期末實驗操作測試和期末綜合測評中給予不同程度的加分獎勵?？傊瑧粩嗤晟茖嶒灴己酥贫?，促使學生在研究中勤于觀察思考，善于發現問題、分析問題和解決問題，激發學生進行實驗研究的積極性、主動性和自覺性，進一步提高學生的綜合素質，實現創造性思維和創新能力的培養。
六、結束語
關鍵詞：獨立學院；物理實驗；人才培養；教學改革
高等教育高度發達的今天，獨立學院如雨后春筍般異軍突起，旨在培養本科應用型人才，辦大眾教育而非精英教育。培養社會廣泛需要的、有專長的、較高層次的應用型人才則成為獨立學院的首要任務。大學物理實驗是高等學校教育體系的重要組成部分，對提高學生的實驗動手能力，培養學生獨立思考，發現問題解決問題能力，創新能力和實踐能力有著其他課程的不可替代性。對于以培養應用型人才為主要目標的獨立學院的大學生來說，大學物理實驗課對工科學生無疑是一門重要的、必修的基礎實驗課。然而由于各工科專業方向不同，大學物理實驗項目繁多，涉及面廣，基礎實驗課的學時有限，全面的學學物理實驗課程實驗內容就比較困難。
1．針對不同專業知識點的需要選擇不同的實驗項目，使大學物理實驗課和后續的專業技術基礎課、專業課的實踐教學環節有機的結合
我院是一所以應用型人才培養為主的獨立學院，工科專業按大的方向可分為：計算機與生物工程兩大類。具體專業有計算機應用、電子信息工程、信息與計算機科學、計算機科學與技術、電子科學與技術、生物工程、化學工程與工藝、食品科學與工程、食品質量與安全、食品營養與檢測、食品加工技術、食品生物技術和生物技術與應用。目前，我院的大學物理實驗只考慮實驗課輪次循環方便，教學內容和模式是：工科各專業學生學完誤差理論后，統一從力學、熱學、電磁學、光學實驗各選幾個實驗項目，然后按實驗項目的難易分成基本物理量的測量與儀器使用性實驗、綜合性物理量測量、簡單設計性實驗三個模塊，分三級梯度授課。在實驗課的過程中我們發現不同專業的學生對不同的實驗項目反應不同，電子信息工程專業、電子科學與技術專業的學生對電磁學實驗興趣很濃，實驗也很認真，而對力、熱學的一些實驗項目如：拉伸法測金屬絲楊氏彈性模量、剛體轉動慣量的測定等則不太感興趣，實驗也常常敷衍了事。反之，生物工程、食品科學與工程專業的學生則對電磁學的一些實驗項目如：靜電場描繪、磁場強度的測定等表示不可理解。并且經常有學生問這個實驗和他們學的專業有什么聯系。
面對這種情況，筆者認為我們應對各專業的知識結構，包括專業技術基礎課、專業課設置情況以及實踐教學環節的內容進行研究，在學院物理實驗室現有的實驗裝備條件下，同時能夠保持物理課程的特點的基礎上篩選盡可能與專業方向靠攏的必修實驗項目，對物理實驗教學內容進行改革。具體做法是針對不同專業知識點的需要，選擇不同的實驗項目。生物工程類專業后續課程需要的力、熱學、光學的知識較多，從基本物理量的測量與儀器使用性實驗開始就盡可能的選擇力、熱學、光學的實驗項目如：楊氏彈性模量測定、物體密度測定、等厚干涉、分光計的調整與三棱鏡折射率測量、偏振光的觀察與應用等。而計算機類專業實驗項目的選擇則緊緊圍繞電磁學、近代物理實驗項目展開，如：電橋測電阻、示波器的使用、靜電場描繪、普朗克常數測定等，然后再把所選實驗項目分成基本物理量的測量與基本儀器使用性實驗、基本實驗技能訓練性實驗、綜合和設計性實驗，實施三級物理實驗教學模式。
2．同一實驗項目不同專業選擇不同的實驗方法，使大學物理實驗課既結合專業應用又滿足物理學的基本需要
大學物理實驗課作為工科學校大學生進校的第一門科學實驗課程不僅肩負著讓學生受到嚴格的、系統的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧，培養學生嚴謹的科學思維能力和創新精神、培養學生理論聯系實際、分析和解決實際問題的能力的使命，同時也是使學生通過大學物理實驗對物理概念理解的深化，了解物理概念和規律產生的科學技術背景及其歷史性的貢獻的必要手段。因此僅僅從后續的專業技術基礎課、專業課及其實踐教學環節應用角度去設置大學物理實驗的教學內容和實驗項目顯然是不夠的，為了使學生既能夠比較全面的掌握大學物理實驗所涉及的物理學概念和教學內容，達到系統的實驗技能訓練，掌握科學實驗的基本知識、方法和技巧的要求，又能夠和學生自己所學專業有機結合，我們應采取同一實驗項目對不同專業選擇不同的實驗方法。例如：金屬揚氏彈性模量測定對于生物工程類專業的學生直接選用傳統的光杠桿尺讀望遠鏡法進行測量，而對于需要熟練掌握示波器、函數信號發生器計算機類專業的學生采用金屬動態揚氏模量實驗儀進行實驗。
3．引入高新技術，賦予大學物理實驗課以現代氣息
高新技術的發展，科技信息的激增和知識更新的加快促使高等教育向更加重視素質教育的方向發展，獨立學院的目標是培養高級應用型人才，要培養高級應用型人才，就必須使工程技術人才培養的第一個環節――大學物理實驗課和現代科學技術接軌。大學物理實驗只有和現代科學技術接軌才能激發學生的學習積極性和熱情，也才能使現代科技進步的成果滲透到傳統的經典課程內容之中，例如計算機技術、光學信息處理技術、傳感器技術、仿真技術、光譜技術等在大學物理實驗課程內容中都已經涉及，把這些先進的技術引入到大學物理實驗課教學中，不僅能激發學生的學習積極性和熱情，同時，從物理實驗的設計思想、物理實驗方法、儀器的設計原理、結構及其應用等方面拓寬了學生的知識面，培養了他們的綜合實驗能力。這就要求我們必須改變和調整傳統的教學方法和手段，同時有先進的儀器設備和較為充足的經費保障。
4．建立開放實驗室，營造多元化教學環境，實行以綜合能力判定學生成績的考核方法
職業教育的培養目標不僅是使學主懂得某一專業的基礎理論與基本知識，而且更重要的是要培養他們具有某一崗位群所需要的生產操作和組織能力，善于將技術意圖或工程圖紙轉化為物質實體，并能在生產現場進行技術指導和組織管理，解決生產中的實際問題。高職畢業生是一種專業理論夠用、生產技術操作熟練的組織能力強的復合型人才。針對學生未來發展的需要，物理課要注重培養學生的科技創新能力。通過豐富多彩的科技活動，可以擴大學生視野、增長知識，培養他們動手動腦的能力，發展個性，增進身心健康，使他們得到全面和諧的發展，為社會提供合格人才。
物理是一門歷史悠久的自然學科。隨著科技的發展、社會的進步，物理已滲入到人類生活的各個領域。尤其在現代科學技術高速發展的今天，培養學生科技創新能力，提高學生對科學技術是第一生產力的認識，物理教學起著至關重要的作用。以下從幾方面談談在教學中所進行的培養學生創新能力的探索和體會。
2.在物理課堂教學中滲透創新能力培養
課堂教學是教師傳播物理知識的主要陣地，也是學生獲取物理知識的主要途徑。加強科技創新能力培養必須從課堂教學做起，充分發揮課堂教學的主渠道作用。
2.1 強調物理與日常生活的關系
物理是一門實用性很強的科學，與工農業生產、日常生活有著極為密切的聯系。在教學中結合具體的教學內容，緊密聯系生產和生活實際，突出知識的實用性。例如“雜技表演時演員為什么能成功完成各種驚險動作”等一系列問題，引入“物體的平衡”一節課題的教學，在研究了物體的平衡即平衡條件后，對生活中的許多有關現象就可以理解了。體育運動中的許多項目都要利用到平衡。橋梁、起重機、建筑物都要保持平衡，所以設計時要分析各部分受力情況，根據平衡條件進行計算以便確定幾何尺寸或選擇適當的材料。很多同學對體育運動熟悉和愛好。因此還應結合力學知識，分析和計算推鉛球的水平射程與初速度的關系；利用動量定理認識接籃球時減少沖擊力的方法；利用運動定律、靜摩擦力、力的分解、合成和轉動力矩等多方面知識分析拔河能取勝的關鍵。物理知識與生活現象恰當的結合。能提高學生對物理學習的興趣。物理知識、物理規律本身就是對自然現象的總結和抽象。通過這些知識的介紹，使學生更加認識到科學知識在日常生活中的地位和作用，從而更加激發學生主動觀察、探究身邊所發生的各種現象，樹立愛科學、學科學的良好品質。
2.2 在課堂中加強實驗教學
物理學科本身就是一門實驗科學，加強實驗教學，有助于培養學生的觀察能力、實驗能力、科學思維能力、實事求是的科學態度、團隊合作意識、創新意識和創造能力。加強學生實驗教學主要從以下幾方面入手。
2.2.1 利用實驗課加強對學生實驗能力的培養
要使每次實驗都能較好地完成預計的任務，關鍵在于師生思想上的準備和現場指導。凡是學生對要進行的實驗目的要求明確，對所用儀器性能了解，對實驗原理和操作步驟清楚，實驗課的收獲就比較大。為此，每次實驗前，師生一起對實驗的有關問題進行討論研究，確定實驗方案，估計可能會出現的問題和解決辦法，堅決克服實驗的盲目性。當然，在操作過程中，常常還會出現一些學生在預習時想不到的問題。如在描繪靜電場等勢線的實驗中，有的學生找等勢點時幾次都見到檢流計的指針往同一個方向偏轉。這時啟發他們能否找到使檢流計指針向相反方向偏轉的點？組內同學經過研究判斷出大致位置，并用事實證實這次推斷，進而再確定出檢流計指針無偏轉點的位置，順利地完成實驗。在實踐過程中，如果發現了問題，總是要求學生要在動手的同時，充分動腦，啟發他們自己動手排除故障，教師絕不包辦代替。
2.2.2 增加自我設計、改進的實驗
實驗教學的任務之一是要培養學生實驗設計的能力，根據確定的目的任務，讓學生獨立設計實驗，這對學生是一種很好的鍛煉。每章學習都安排一些這樣的實驗內容。在“測定電源電動勢和內電阻”的實驗時，沒有讓學生完全按照教材給出的方案按部就班地做，而是把實驗目的要求講清楚以后，讓每個學生根據所學的知識，設計一種或幾種實驗電路，并把自己的設計原理、實驗步驟、實驗記錄表格、注意事項都寫出來，在實驗前各抒己見，然后按自己正確的設計進行試驗。這樣，學生實驗的積極性很高。又如在研究牛頓運動定律等實驗時，購置的儀器與教材上寫的不同，先讓學生們觀察儀器的構造，然后共同討論如何應用該裝置完成實驗任務。由于是經過學生思考后設計出的方案，他們做起實驗來更興奮和認真。
2.2.3 把一部分演示實驗改為學生實驗
課堂演示實驗對課堂教學有著重要的作用。但由于有些演示儀器比較小，不容易使教室內每個同學都看清楚實驗現象，為了提高實驗觀察的效果，使學生加深對知識的理解，也為了增加學生動手的機會，教師克服了儀器不足和時間緊張的困難，設法將原來作為演示的一些實驗改為學生分組實驗，如靜電、導體的電荷分布、靜電屏蔽，用驗電器觀察電場線、自感現象、光的反射、折射、全反射、棱鏡，等等。
2.2.4 要求學生完成實驗報告
在此過程中要求學生根據實驗操作得到的數據，運用定理或公式，利用數學手段進行數據處理和數據分析，最后得出物理結論。從而培養學生嚴肅認真、實事求是的科學態度和獨立分析問題、解決問題的能力。實驗教學是提高學生綜合能力特別是創造能力的有效途徑。
2.3 注重介紹物理發展史和科技新成果
在教學過程中，根據具體的教學內容，選用適當的物理學史材料，例如“伽利略的自由落體實驗”、“法拉第的電磁感應定律”、“愛因斯坦創立相對論”等，不失時機地對學生進行物理學史教育。通過物理學發展史和科學家生平介紹，啟示學生要有為科學獻身的精神，要有堅韌不拔的意志和頑強拼搏的勇氣，立志要高攀和進取，從而激發學生科技創新的勇氣。同時，在教學中有意識地介紹我國建設科研的新成就，介紹物理學在生產、科技領域中的運用，使學生認識到所學的知識確實有用，如講到振動時介紹超聲波在工程技術中的應用（超聲波清洗、超聲波探傷、海底深度測量）；講到圓周運動時，介紹地球衛星及應用，天體物理學的一些知識，講到靜電場時，介紹靜電的應用（除塵、噴漆、復?。┖头乐轨o電危害的方法；學到電磁波的傳送和接收時，介紹利用電磁波定位、測量、導航、傳遞圖像、遙控等；講到材料的電阻率時，介紹世界上關于超導體的研究情況及我國在這一競爭中的最新成果；學到光學知識時，介紹光導纖維在醫學和光通訊技術以及天文學上的應用；介紹光電管在自動控制中的作用；介紹激光的性能和應用，如利用激光單色性好進行激光通訊、等離子測試，利用它的能量集性用于打孔、焊接、切割及醫學上用做手術刀，利用相干性好可作光源進行全息照相，等等。我的體會是教學中的這些結合，不僅可以使嚴密科學的教材內容變得有血有肉，富有趣味，便于記憶，而且可以擴大學生的知識面，激發他們強烈的求知欲。同時指出祖國建設對五年制職業學生的殷切期望，激勵學生奮發上進，增強歷史責任感。使學生受到良好的科技創新意識的教育。
3.在物理課外活動中滲透創新能力培養
物理課外活動也是加強對學生進行創新能力培養的重要陣地。與課堂教學相比，課外活動具有更大的靈活性和選擇性。
3.1 開展科技小制作
根據學校的實際情況，積極組織學生開展科技小制作活動，首先著手編寫科技活動的輔導材料，該材料共涉及41個研究參考課題，包括力學（如力的相互作用小車、模擬火箭等）；熱學（如自制孔明燈等）；電學（如把音樂生日卡改門鈴、火災報警器等）；光學（如簡易幻燈機、自制萬花筒等）多個部分。將自然科學知識由淺到深；涉及傳統課題和目前的熱門課題等眾多方向；目的是使學生關注身邊的現象，養成科學的分析問題解決問題的習慣，不僅培養學生動手、動腦的能力，更重要的是培養學生的科學素質。教師將輔導材料編輯成冊，目的是努力做到編寫的內容有系統性、綜合性和可操作性。其次，向學生介紹古今中外科技小發明。將古今中外科技小發明的構思、原理及作用介紹給學生，這對每個學生不僅是一個學習的過程，同時還能培養學生的創造欲望，啟迪學生的創造思路。之后學生開始進行材料的采購，制造設計，方法的改進等工作。教師要求學生不僅要完成科技小制作，還要撰寫科技小論文。因此要求學生自學，通過學習使學生學會怎樣寫科技小論文，寫哪些方面的內容，啟發學生觀察周圍事物，觀察自然界中的各種現象，發現和揭示其奧秘，寫出有價值的科技小論文。我們認為科學教育不僅僅是傳授知識、掌握技能，更主要的是培養學生的科學方法和科學能力。只有在具備豐富的科學知識和技能的同時，學生才能逐步形成嚴謹的科學態度和高尚的科學道德修養。我們確定了以普及科技基礎知識、緊密聯系社會生活、樹立科學態度、養成科學品質為目標的科技教育，通過各種有效途徑，向學生介紹科學知識，發展學生科技創新的技能。
3.2 指導學生閱讀科普讀物
根據學生的知識基礎，指導學生閱讀有關的科普讀物，如指導學生到閱覽室去瀏覽《我們愛科學》中的科普文章，借閱《數理化科學演義》等科普讀物，使學生更多地了解科技知識和科技發展的新動向，增加學生的科技知識，并組織“實用物理知識競賽”，以調動學生學習、讀書的積極性，使學生掌握更多的科學文化知識，培養學生的科技閱讀能力。
3.3 舉辦科普知識演講
回顧100年來特別是愛因斯坦發表《相對論》以來，物理學對科學技術、人類社會、經濟等諸多方面的貢獻，為喚醒人們對物理學的重視，聯合國教科文組織，專門設定國際物理年。作為物理教師我們有義不容辭的責任。我們在學生中開展“物理學的貢獻”演講活動，目的在于使學生認識到科技知識與社會發展、生產、生活緊密聯系在一起。在舉辦科技演講時，要求學生認真選擇材料，或根據有關資料撰寫講稿，根據平時收集的材料，集中學習。學生通過收集軍事科學、航天技術、通信技術、空間技術、科學家的事例與貢獻等材料，將搜集的資料在班上進行專題介紹，或利用板報介紹科普知識及物理知識的應用。通過這些活動，加強對學生進行思想品德教育和科學素質教育。
4.結束語
