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摘要：为了培养合格的技术人才，文章首先阐述了大学物理实验教学的现状，然后提出了大学物理实验中开展探究式学习的课程设计原则，接着以磁悬浮导轨动力学实验为例，论述了探究性学习在大学物理实验教学中的实践。
关键词：探究性学习；大学物理实验教学；试错式引导法
大学物理是与工程技术联系极为紧密的公共基础课程，涉及众多的理工学科和相关的技术应用领域。在各行各业的工程实际中，大学物理的结论、定理和定律得到了非常广泛的应用，构成了解决各领域难题的理论基础[1-2]。现阶段，我国的高科技领域中的高端装备制造、重大土木建筑工程、自然科学研究及航空航天科技都与大学物理原理息息相关。当前，各高端技术领域的激烈竞争，传统产业（如物理、机械、土木、采矿等）和高新技术产业（如量子计算机、量子调控、微机电系统和纳米器件）的发展都需要有科技实验背景的专业人才。然而，目前大学物理实验教学效果欠佳，教学过程中存在各类问题，这极大地限制了高等教育质量的提高，同时不利于合格专业技术人才的培养。因此，根据当代大学物理实验教育的现状，有针对性地开展探究性学习，将有望解决这一难题。
一、大学物理实验教学的现状
作为全校公共基础学科的大学物理实验课程，在理工科本科生的培养大纲中旨在提升学生的创新能力、动手及自主学习能力。我国本科教育规模的急剧扩张，物理、土木、机械、采矿等多学科背景的本科生都需要完成大学物理实验的学习，但是该课程学习、知识应用及社会反馈上仍然存在一些不可忽视的问题。一方面，相当数量的学生难以将所学大学物理实验的方法用于具体的科研应用和后续专业课程学习。笔者从近几届学生的毕业设计和非物理专业的大学生科研训练项目中发现，相当部分学生在实验动手能力上还有较大的欠缺，很难将所学理论物理知识和实验方法用于实际问题的建模与实验中。许多学生反映，跟着教师操作都可以完成，但自己在实验中解决实际问题时，就会感到茫然。另一方面，授课对象存在明显的自主学习能力弱等问题。很多用人单位反映，虽然各院校均开设了实验课程，然而学生缺乏自主性和深入探索的精神。许多专业的研究生导师反映，部分学生专业背景还可以，但是应用知识探索问题的能力不强，甚至一些基本的实验操作都不会。然而，新时代新形势下的高等教育不只要给本科生传授知识，还迫切需要着眼于综合素质的培养和自主学习能力的提高。这些都给大学物理实验的教学实践提出了更高的要求。面对以上教学过程中存在的问题，为了提高教学质量，培养适合实际需要的高素质大学生，笔者尝试采用问题引入、探索求解的探究教学实践，加强学生的自主学习能力的培养，进一步归纳和推广满足专业需要、学生个性化发展的教学方法，将是学生培养的发展趋势，也是值得诸多高校继续探索和尝试的一个方向[3]。
二、大学物理实验中开展探究性学习的课程设计原则
大学物理具有很强的实践性，给学生提供了很多实践机会。在大学物理课程中开展探究性学习，不仅能提高学生自身的责任心、自信心、创新能力和发散思维能力，同时有助于学生综合实验和科学精神的培养。在大学实验课堂中开展探究性学习的教学活动需要遵循一定的设计原则。首先，教师要根据“最近发展区”理论，寻求教学内容与学生之间的结合点，让学生感觉到问题难度恰到好处。这一原则是人类学习知识的一般规律，然而在实践中却对教师提出了很高的要求。它要求教师更充分地了解学习内容，努力找到与学生知识体系的最恰切合点，通过创造条件和方向导向，选取最适合学生们进行探究学习的实验和教学内容，让学生们“努力跳一跳”就可以达到目标。其次，在教学过程中引导学生提问，让学生围绕教学目标，有目的地引用学生进行探究学习。学生开展探究式学习时，要始终围绕着教学内容展开，教师先要鼓励学生去“提问题”，然后引导学生通过实践去回答问题。让学生在探究问题的过程中，立足于本身的知识体系，查缺补漏，利用各种手段主动学习，在学习过程中逐渐体会从迷茫、不知所措，到柳暗花明，最后实现问题的解答，从而体会主动学习的乐趣。再次，教师要充分尊重学生的主体地位，改变教学模式，发挥学生的主观能动性。探究式教学是对传统教学方式的颠覆式改革，它让教师从“灌输者”转变为学生的“伙伴”和“合作者”。教师要尊重学生的主体作用，充分发挥学生的主观能动性。同时，教师也要为探究活动进行设计和组织引导，充分了解学生，保持沟通畅通，引导学生突破思维惯性，积极创新。最后，教师要把握探究方向，选用多种教学方式，在课堂中创造一个积极思考、和谐互动的探究环境[4]。作为一门锻炼学生科学思维的课程，教师在大学物理实验的教学过程中，要实现探究式学习与多种教学方式的结合，充分利用演示文稿、计算机仿真模拟、演示实验等手段。同时，教师要尊重每一位学生，教学过程中学会放手，同时要时时引导学生学习的方向，真正做到使学生在潜移默化中学会学习。
三、探究性学习在大学物理实验教学中的实践
笔者根据探究性学习的课程设计原则和途径，选取了磁悬浮导轨动力学实验开展了探究式学习实践和探索。磁悬浮动力学实验是大学物理实验中非常吸引人的一个实验。磁悬浮是通过给物体施加悬浮磁力，从而使物体处于一个无摩擦、无接触悬浮状态的技术方法。磁悬浮技术在磁悬浮列车等领域具有重要的应用前景和科学价值。该实验使用磁悬浮导轨属于永磁悬浮，使用的磁悬浮小车悬浮的时候不需要任何其他动力支持，实验设备简单易操作，同时可以测量的量非常明确。该实验包含以下四个方面的研究：①测量磁悬浮轨道的阻力加速度af；②探索磁悬浮小车运动中位移s与速度v之间的关系；③测定本地的重力加速度g；④验证牛顿第二定律F=ma。磁悬浮导轨动力学实验所采用的小车上有两个挡光片，两个挡光片之间的距离为5cm，磁悬浮轨道上设有连接光电测量系统的两个光电门，两个光电门之间的距离可通过轨道上的标尺读出。当小车经过第一个光电门时，光电门所连接的测试系统即可测定小车经过第一个光电门时的瞬时速度υ1；当小车到达第二个光电门时，测试系统将记录小车从第一个光电门移动到第二个光电门所需的时间△t2及此时的瞬时速度υ2；我们即可根据测试的速度υ1、υ2和所需时间△t2计算出磁悬浮小车运行的阻力加速度af；进一步，可以利用测量得到的物理量探索位移s与速度υ之间的关系。当把磁悬浮轨道倾斜一定的角度时，阻力加速度将由重力加速度的沿斜面的分量提供，此时我们可以利用测量的物理量，计算本地的重力加速度g。最后，重新将磁悬浮轨道设置水平，利用水平仪进行校准后，将低阻尼的细绳连接到小车上，绕过定滑轮后连接一定数量的砝码；将砝码无速度的释放，此时小车会在细绳的拉动下加速通过两个光电门，根据测试的速度υ1、υ2所需时间△t2、小车的质量m及砝码的重量，即可获得驱动小车的外力F，小车的质量及加速度，从而验证牛顿第二定律的正确性。本实验原理简单，需要学生有较强的实验操作能力，并且根据实验目的设计测量方法和记录数据。因而，本实验特别合适引导学生进行探究式学习。第一，在教学过程中教师要引导学生提问，根据学生已有的力学知识和物理学公式，引导学生设计出测量加速度和速度所需的关键物理量。根据本实验的实验器材设计具体需要的操作。授课中教师可通过引导学生提出问题，进一步利用思维导图得出结论。比如，让学生思考在研究牛顿第二定律的时候是否需要拉动弹簧？原因是什么？在实验操作中，两个光电门之间的距离选择大点好还是小点？让学生引发思考，给出合理的实验设计。第二，试错式引导法。当学生给出不恰当或错误的实验设计时，首先让学生去尝试，不要轻易否定学生的思路，实验结果会给出直观的答案，反映出设计是否合理。比如，有的学生在研究速度和位移关系的实验中，不是通过倾斜轨道的方法而是通过拉动拉手弹簧给小车初速度。学生在整理实验数据的时候就会发现，由于拉动弹簧和松开弹簧的力度难以掌控导致小车没有统一的初速度，实验失败。笔者根据自己的授课经验发现，学生更愿意从自己的失败中探索，通过教师适时的鼓励，他们能够更全面有效地设计出整套实验方案，而这一能力对于学生以后从事科研工作至关重要。第三，发挥学生的主观能动性。当学生通过不断自主思考和反思之后，教师要求学生把实验规范化，总结自己操作过程，形成规范的实验操作和试验记录。但是不规定具体操作内容，只要可以研究物理规律，操作合理即可。本实验的目的是培养学生的主动学习思维和形成规范的实验习惯。笔者在教学过程中分别利用常规教学和探究性学习模式对该实验进行了对比讲授。结果发现常规教学模式效率高，学生们很快完成实验，但是实验完成后很多学生丧失了对该实验的兴趣和热情，学生草草完成实验，提交实验报告。然而，探究性学习模式虽然花费时间较多，但是学生们兴趣高涨，积极踊跃，很多学生提出了非常可行的方法和见解，甚至指出了实验结果成立的条件，并通过分析给出了科学的解释，这极大地促进了学生主动学习的能力。
四、结语
本文针对目前大学物理实验教育的现状，探讨了采取研究性学习的必要性。进一步介绍了在大学物理实验中开展探究性学习的课程设计原则及途径。最后，笔者根据探究性教学的原则，选取磁悬浮导轨动力学实验开展了探究性学习的实践和探索，根据笔者的教学经历，以及学生的后期反馈发现，这种方法能够使促进学生自主学习能力的培养，启迪学生实验科学的实施和操作能力。
参考文献：
[1]刘成岳,陈美霞,李国祥,等.基于能力导向下的大学物理研究性学习模式改革[J].物理通报,2018(6):6-9.
[2]徐志君,施建青.大学物理课程研究性学习模式的构建[J].中国大学教学,2016(4):36-39.
[3]张丽,周娴,潘华锦,等.以问题为牵引构建探究性物理实验课堂[J].中国教育技术装备,2018(8):112-114.
[4]杨端翠.大学物理实验中如何开展探究性学习[J].教育教学论坛,2012(40):250-251.
作者:彭娟 陈培见 单位:中国矿业大学物理学院 中国矿业大学力学与土木工程学院