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時間：2023-03-17 18:13:02
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物理實驗課程是理工科院校的一門重要基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的專門人才上具有舉足輕重的作用。大學(xué)物理實驗中開設(shè)設(shè)計性實驗是近年來我國高等院校教改的方向之一，研究設(shè)計性實驗教學(xué)體系是物理實驗課程改革重要的基本問題。
一、設(shè)計性實驗的特點及目的
設(shè)計性實驗，是在明確實驗?zāi)康牡幕A(chǔ)上，根據(jù)實驗原理和要求，自己選擇適當(dāng)?shù)钠鞑模贫▽嶒灧桨?，求出實驗結(jié)果。實驗過程是圍繞著一個需要解決的問題展開，強調(diào)學(xué)生通過自主參與一些類似于科學(xué)家從事科研的學(xué)習(xí)活動，獲得親身體驗產(chǎn)生積極情感，逐步形成一種在日常學(xué)習(xí)與生活中喜愛質(zhì)疑，樂于探究，努力求知的心理傾向。學(xué)生在實驗研究過程中激活自己各科學(xué)習(xí)中的知識儲存，通過解決實際問題的探索性活動，提高自己綜合應(yīng)用能力。
設(shè)計性實驗的目的是：加強學(xué)生已學(xué)的理論知識和基礎(chǔ)性實驗知識相結(jié)合，并將這些知識靈活應(yīng)用，使學(xué)生體會并掌握實驗設(shè)計的思維方法和分析方法，實驗設(shè)計的基本過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰皠?chuàng)新能力。
二、設(shè)計性實驗教學(xué)體系構(gòu)建的思路
構(gòu)建設(shè)計性實驗教學(xué)體系應(yīng)該把學(xué)生的能力和素質(zhì)培養(yǎng)作為構(gòu)建的指導(dǎo)思想，以便學(xué)生在實驗研究的過程中，通過自己的努力獲取相應(yīng)的物理知識和練就一定的操作技能，又能逐步學(xué)會一套獲取新知識和解決新問題的科學(xué)方法。設(shè)計性實驗教學(xué)體系構(gòu)建的基本思路是：(1)將能力和素質(zhì)培養(yǎng)貫徹始終，為物理實驗教學(xué)目標(biāo)服務(wù)；(2)循序漸進(jìn)；(3)要選擇或設(shè)計內(nèi)容新穎、難易適度的實驗；(4)要立足大學(xué)物理，輻射其它學(xué)科；(5)要把科學(xué)研究能力的培養(yǎng)和物理知識的建構(gòu)統(tǒng)一起來；(6)要把科學(xué)研究與實驗教學(xué)有機結(jié)合起來；充分發(fā)揮設(shè)計性實驗的教育功能。
三、設(shè)計性物理實驗教學(xué)體系
以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和提高綜合素質(zhì)為主線，遵循由易到難、由淺入深、由低到高、循序漸進(jìn)的教學(xué)規(guī)律，按照物理實驗的實施過程和目的要求以及學(xué)生自身個性發(fā)展將研究性物理實驗劃分為以下三個層次。
1.基本設(shè)計性實驗。給定實驗題目與要求，在限定儀器的條件下，擬定實驗方案完成實驗?；驹O(shè)計性實驗特別注意科學(xué)性和趣味性的結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗的基本能力、科學(xué)的思維方式、探究意識和動手能力。采用指定“單任務(wù)教學(xué)”模式，教師起到“指導(dǎo)、幫助”的作用。
(1)基本目的。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識、研究與探索物理規(guī)律的熱情，加深對物理規(guī)律的切身感受，提高動手動腦能力，激勵創(chuàng)新精神。
(2)基本要求。在教師的指導(dǎo)下或自己的獨立研究完成實驗課題，按學(xué)術(shù)論文的形式撰寫設(shè)計性實驗報告，使學(xué)生掌握基本的實驗研究方法。
2.提高型設(shè)計性實驗。給定題目與要求，在給定儀器條件的范圍內(nèi)選擇儀器、擬定二種以上的實驗方案進(jìn)行比較，以較佳的實驗方案完成實驗。實驗原理應(yīng)是學(xué)生在普通物理學(xué)習(xí)中已掌握或稍加補充即可掌握的。他們要從查找文獻(xiàn)資料開始，制定方案，做規(guī)劃，直至完成實驗。
(1)基本目的。培養(yǎng)學(xué)生科研綜合對比研究能力，查閱文獻(xiàn)資料的能力，在實踐中提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。
(2)基本要求。要求這類實驗完成后，進(jìn)行書面總結(jié)和口頭報告交流，讓他們對自己的實驗作介紹，交流在實驗研究的過程以及分析問題和解決問題中的寶貴經(jīng)驗和教訓(xùn)。
3.獨立型設(shè)計性實驗。給定實驗題目，擬定實驗方案、自選儀器完成實驗。側(cè)重于綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，課題涉及的實驗內(nèi)容與方法應(yīng)具有綜合性，學(xué)生選定課題后，教師一般只對課題的意義、背景等情況作些介紹，完全由學(xué)生自己調(diào)研和查閱資料，自己設(shè)計、裝配、調(diào)試實驗裝置，提出實驗方案，完成實驗。
(1)基本目的。在培養(yǎng)了學(xué)生的基本實驗技能和基本的設(shè)計能力后，對部分學(xué)生提出更高的要求，這一階段要求學(xué)生的自主創(chuàng)新，培養(yǎng)他們的科學(xué)研究素質(zhì)。
(2)基本要求。實驗結(jié)束時，每個課題都要寫出研究論文，并進(jìn)行學(xué)術(shù)答辯和交流，部分論文應(yīng)具有創(chuàng)新的成果，其中優(yōu)秀的論文應(yīng)能在正式學(xué)術(shù)刊物或?qū)W術(shù)會議論文集上發(fā)表。
4.設(shè)計性物理實驗教學(xué)體系及內(nèi)容方案。根據(jù)上面的討論，由從簡單到復(fù)雜、從基本到提高的順序把設(shè)計性實驗分為三個主要的類型，對于不同的層次有不同的實驗項目和具體的實驗要求，其中包括學(xué)生選做的實驗個數(shù)、所需的課時數(shù)等，提出設(shè)計性物理實驗教學(xué)體系及內(nèi)容方案如表一。
表一設(shè)計性實驗教學(xué)體系及內(nèi)容
不同的學(xué)校根據(jù)自己的具體情況可以對不同的設(shè)計性實驗類型提出不同的要求，即對基本設(shè)計性實驗、提高型設(shè)計性實驗、獨立型設(shè)計性實驗開設(shè)的個數(shù)和每個實驗所需的學(xué)時給出符合自身實際情況的規(guī)定。根據(jù)我們學(xué)院的情況，選取基本設(shè)計性實驗、提高型設(shè)計性實驗、獨立型設(shè)計性實驗的課題數(shù)目分別為2、2、1個，總學(xué)時為40學(xué)時。
四、設(shè)計性實驗教學(xué)成績評價
客觀、科學(xué)評價設(shè)計性實驗教學(xué)成績，有利于促進(jìn)設(shè)計性實驗教學(xué)的發(fā)展。評價應(yīng)體現(xiàn)在實驗教學(xué)中以學(xué)生為主，教師為輔，顯示學(xué)生個性，相互協(xié)作，有利于學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，充分發(fā)揮學(xué)生的能動性和創(chuàng)造性的宗旨。設(shè)計性實驗教學(xué)成績評價采用雙評模式，把教師的評價和學(xué)生自評結(jié)合起來，改變以往那種只有教師參與的局面。
1.學(xué)生自評。每一個實驗學(xué)生都進(jìn)行自我評價，或是以小組為單位進(jìn)行評價。在評價考核范圍里面除了考核實驗相關(guān)操作技能和實驗的掌握外還將實驗態(tài)度、文獻(xiàn)查閱能力、團(tuán)隊合作精神等都納入考察范圍，充分體現(xiàn)設(shè)計性實驗培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的價值。
2.教師對學(xué)生的評價。教師對學(xué)生的評價與學(xué)生自評同步進(jìn)行，教師通過對學(xué)生的實驗設(shè)計方案的審核，對實驗過程的監(jiān)督，以及實驗結(jié)果的分析，給出一個評價。
對于這兩部分的權(quán)重，不同的學(xué)校，不同的專業(yè)可以進(jìn)行不同的調(diào)整，一般可以采用教師評價占60％，學(xué)生自評占40％的比例來進(jìn)行，對于不同的給分點可以根據(jù)各自情況進(jìn)行界定。
參考文獻(xiàn)：
2大學(xué)物理設(shè)計性實驗體系設(shè)計與實踐研究的內(nèi)容的實施方案
大學(xué)物理設(shè)計性實驗體系設(shè)計與實踐研究的內(nèi)容評價的方案制定包括確立目標(biāo),科學(xué)選擇內(nèi)容、設(shè)計工具、靈活運用實驗方法等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)相互之間既緊密聯(lián)系又相互制約。明確目標(biāo)和內(nèi)容是選擇實驗方法的基礎(chǔ)。籠統(tǒng)或瑣碎的實驗標(biāo)準(zhǔn)將不利于數(shù)據(jù)和資料的收集,而沒有準(zhǔn)確、有效的數(shù)據(jù),就不可能達(dá)成正確的實驗結(jié)論,從而影響實驗的反饋以及最終合理改進(jìn)建議的提出。必須針對不同的實驗項目選取恰當(dāng)?shù)膶嶒灧绞椒椒?并利用反饋意見改進(jìn)實驗設(shè)計,促進(jìn)學(xué)生綜合實驗素質(zhì)的發(fā)展。其最終目標(biāo)是學(xué)生在進(jìn)行實驗活動過程中逐步生成的。必須針對不同的實驗項目選取恰當(dāng)?shù)脑u價方式方法,并利用評價反饋改進(jìn)實驗設(shè)計,促進(jìn)學(xué)生綜合實驗素質(zhì)的發(fā)展。根據(jù)大學(xué)物理設(shè)計性實驗課程的價值追求和課程特點,大學(xué)物理設(shè)計性實驗多維度評價的目標(biāo)包括知識與技能,過程與方法,情感、態(tài)度和價值觀3個維度。2.1收集、分析和處理信息。學(xué)會收集信息的各種基本方法,嘗試運用調(diào)查、考察等方法及利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等基本信息工具；能夠?qū)κ占男畔⒒蛸Y料進(jìn)行初步分析和處理；能夠在團(tuán)隊中進(jìn)行信息交流。2.2問題解決。學(xué)會自主提出問題、制定解決方案,并通過實驗過程驗證方案的合理性；開展問題探究,嘗試探究活動,體驗探究過程；提出問題解決的策略。2.3動手操作。計劃和組織一個實驗項目的實施；嘗試運用已有的儀器設(shè)備或通過改造或自制設(shè)備完成實驗項目；具有基本的信息操控技術(shù)和素質(zhì)。2.4表達(dá)與交流。能夠自主地與指導(dǎo)教師或?qū)＜疫M(jìn)行聯(lián)系,并學(xué)會在實驗中自我管理；能夠以書面和口頭等不同的表達(dá)方式,表述實驗的結(jié)果、體會或思想情感；學(xué)會結(jié)果分享。2.5情感、態(tài)度與價值觀。養(yǎng)成參與意識、服務(wù)意識、合作意識、環(huán)保意識、效率意識、安全意識、科學(xué)精神、創(chuàng)新意識；形成社會責(zé)任感和義務(wù)感,形成負(fù)責(zé)任的工作態(tài)度和生活習(xí)慣。
3大學(xué)物理設(shè)計性實驗體系設(shè)計與實踐研究的內(nèi)容的啟示
3.1在實驗過程中進(jìn)一步認(rèn)識實驗設(shè)計體系的重要性。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)了許多大學(xué)物理設(shè)計性實驗課程實施中的問題,比如指導(dǎo)教師學(xué)科分工的問題、實驗過程中教師的指導(dǎo)問題、實驗過程中資料的規(guī)范性問題、指導(dǎo)教師的培訓(xùn)問題等,這些問題都要在今后的教學(xué)中進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計和落實。3.2實驗指導(dǎo)教師在測評過程中得到培訓(xùn)。在實驗教學(xué)中,教師的指導(dǎo)往往過于寬泛,針對性不強,缺乏具體的指導(dǎo)行為和指導(dǎo)規(guī)范,部分教師不明確自己在指導(dǎo)實驗過程中的具體指導(dǎo)任務(wù)有哪些方面,因此指導(dǎo)方式、指導(dǎo)行為存在著一系列問題。實驗指導(dǎo)教師在評價過程中進(jìn)一步了解了實驗教學(xué)的目標(biāo)和要求,對指導(dǎo)學(xué)生實驗有了更深刻的認(rèn)識。3.3學(xué)生實驗素質(zhì)得到了全面發(fā)展。大學(xué)物理設(shè)計性實驗體系設(shè)計與實踐研究提高了學(xué)生合作意識。在大學(xué)物理設(shè)計性實驗實施過程中,增多了學(xué)生之間的交往合作機會，實驗時，學(xué)生分工合作,在團(tuán)隊中學(xué)會與人相處,發(fā)展協(xié)作素質(zhì)；增強了學(xué)生的自信心，大學(xué)物理設(shè)計性實驗開放的教學(xué)方式；培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的素質(zhì),激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新潛能；同時也激發(fā)了學(xué)生關(guān)注生活的熱情設(shè)計性實驗的開展密切了學(xué)生與指導(dǎo)老師的聯(lián)系,激發(fā)了學(xué)生關(guān)注生活的熱情。
德州市實驗技能考試期間，我跟隨考核小組來到了德城區(qū)的第七個考點德州十中。考試之前，我和十中的實驗室管理員趙紅梅老師轉(zhuǎn)了一下他們的物理儀器室，眾多的器材中有一件引起了我的注意，這是一臺嶄新的浮力原理演示器。趙老師說：“這個儀器自從買來以后就沒用過，不知道該怎么用，畢老師你給看看吧”。趙老師的一句話引起了我的興趣，我摩拳擦掌，決定一探究竟。
我召集了三名監(jiān)考的物理老師和我一起做這個實驗。我們的操作步驟如下（見圖1）：將浮體放在小水箱上端，并對齊位置，使浮體恰好堵住小水箱頂端的開口。先用手壓住浮體，向大水箱中慢慢注水，水的深度約12cm，將手放開，繼續(xù)向大水箱內(nèi)加水，直到水位高出浮體上端10 cm以上。因為小水箱上口與浮體配合良好，漏水很少，小水箱的進(jìn)水孔很小，水滲漏緩慢，浮體還沒有受到向上壓力，只受到水向下的壓力，浮體還不能浮起。水繼續(xù)向小水箱流入，小水箱中的空氣由排氣管不斷地排出。根據(jù)我們的設(shè)想：當(dāng)小水箱充滿水時，浮體就會受到水向上的壓力，向上壓力大于向下壓力，即產(chǎn)生了浮力，浮力大于浮體的重力，浮體就上浮了。小水箱中的水位越來越高，我們認(rèn)為實驗很快就能成功了。正當(dāng)我們要慶祝勝利的時候，浮體突然向上浮起，可這時小水箱中的水位距離頂端開口還有將近2 cm，實驗失敗了。這時我想起趙老師的話，看來問題并沒有那么簡單論文提綱格式。
1、目的
通過對氣球這一物體做出的各種實驗表明，各種在相互作用的時候都會出現(xiàn)壓強內(nèi)外力的出現(xiàn)，就此這些實驗來證明壓強的存在和原理。
2、要求
采用不同的實驗形式，包括簡易到復(fù)雜，微小物體到龐大設(shè)施的實驗，都在說明壓強這一原理的作用和價值，需要我們通過對各種實驗的操作和掌握，能夠比較深刻的了解壓強的原理和作用。
二、高中物理實驗教學(xué)設(shè)計原理
1、演示力可以使物體發(fā)生形變、彈性形變
讓吹進(jìn)氣的氣球放置在桌上，用手掌壓氣球，能看到氣球被壓扁，表明力能夠使物體產(chǎn)生形變；松手后氣球恢復(fù)原狀，表明氣球是在彈性形變。
2．演示壓力的作用效果
a．如圖1，一手手掌平壓在氣球上，另一手用手指頂住氣球，可看到，與手掌接觸的那部分氣球形變較小，而手指頂著的那部分氣球形變明顯，并且用的力越大，形變越明顯。
b．如圖2，把氣球放在釘板上，再把木板放在氣球上，向木板上施加壓力，氣球形變但不會被釘板上的釘刺破，說明壓力的作用效果與受力面積有關(guān)。
3．體驗液體壓強的存在
如圖3，向玻璃管內(nèi)加水，玻璃管底部的氣球膜向下凸出，說明液體對容器的底部有壓強；如圖4，把下部蒙有氣球膜的玻璃管插入水中，橡皮膜向內(nèi)凹，說明液體內(nèi)部有壓強。
4．演示影響液體內(nèi)部壓強的因素
在玻璃管的開口側(cè)面和管底套上彈性較好的氣球膠膜并扎緊，用透明膠管（可用輸液管）加長玻璃管后向管內(nèi)注水，隨著膠管上端的升降，看到液面越高氣球膠膜越凸出，換成不同管徑或液體再做，以說明液體內(nèi)部壓強與高度和液體密度有關(guān)。
5．演示大氣壓的作用
準(zhǔn)備一個吹脹的氣球，一只邊緣平滑的塑料杯（或碗）。先讓氣球表面沾些水，再在塑料杯（碗）里倒?jié)M開水，過一段時間將開水倒掉，接著把塑料杯倒扣在氣球上。等一會兒，摸摸杯子已經(jīng)變得很冷了，拿起氣球再翻個身，可見塑料杯掛在氣球下，不會掉下來（可能要多試幾次才能成功）。原因是被開水燙熱的杯中充滿了熱空氣，扣在氣球上以后，杯口被密封，等里面的空氣冷卻了，體積縮小，使杯內(nèi)的空氣壓強小于杯外，在杯外的大氣壓力作用下，杯子被吸附在氣球上。若用手指按壓一下杯子邊沿的球膜，外面的空氣進(jìn)入杯內(nèi)，杯子馬上就脫離氣球了。
6．演示流體壓強與流速的關(guān)系
把氣球懸掛起來，向氣球的一側(cè)吹氣，會發(fā)現(xiàn)氣球向吹氣的一側(cè)靠近，原因是吹氣的一側(cè)氣體流速快，壓強小，另一側(cè)的氣體壓強大故而產(chǎn)生一個壓力差使氣球發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
7．演示大氣壓的存在──吞吐氣球
改進(jìn)“瓶吞雞蛋”實驗。用制取氫氣的啟普發(fā)生器的下部，將小氣球置于瓶口，導(dǎo)氣管連接抽氣機，當(dāng)抽出（或冷卻）瓶內(nèi)氣體時，大氣壓使小氣球被“吞”進(jìn)瓶內(nèi)，再將瓶倒置，向瓶內(nèi)打氣（或加熱瓶內(nèi)氣體），小氣球又被“吐”出。
8．演示反沖現(xiàn)象
將吸管插入氣球口，用細(xì)線把其扎緊，用氣筒給氣球打足氣，用手堵住吸管，讓吸管口朝下，然后放手，會發(fā)現(xiàn)氣球沿直線豎直上升。實驗?zāi)軌蚝芎玫卣f明反沖運動。在這里要注意選用吸管要稍長一些，有利于氣球沿直線上升。
9．演示氣體的體積與壓強和溫度有關(guān)
a．在直玻璃管的下端拴一個氣球，把氣球放入瓶中，并用塞子塞住廣口瓶口。先在氣球內(nèi)充入一定質(zhì)量的氣體，封閉直管，通過彎管向瓶外抽氣，發(fā)現(xiàn)氣球變大；向里打氣時，氣球又會變小。表明一定質(zhì)量的氣體在溫度不變時，壓強減小，體積增大，壓強增大，體積減小。
b．在氣球內(nèi)稍充氣，并把直管封閉，然后把廣口瓶放入熱水中，使瓶內(nèi)受熱，就會發(fā)現(xiàn)氣球變大，從熱水中取出后稍冷卻，就發(fā)現(xiàn)氣球又逐漸地變小。可以說明氣體的體積與溫度有關(guān)。
10．物體的沉浮條件
用一個薄氣球，裝入水，密封好，緩緩放入水中，可以看到氣球在水中的懸??；然后在氣球中裝入酒精，則可以看到氣球在水中的漂浮；最后在氣球中裝入鹽水，則會看到氣球在水中的下沉，能有效說明了液體中物體的沉浮與物體的密度有關(guān)。
11．顯示空氣浮力
將幾個氫氣球掛在彈簧測力計的掛鉤上，氣球靜止時彈簧測力計顯示出相當(dāng)?shù)氖緮?shù)。可以有效地說明空氣浮力作用。
12．演示和分析浮力產(chǎn)生的原因
將可樂瓶去底后倒置，放入小氣球，先按住氣球緩緩加水，到水完全淹沒氣球才能放手，并繼續(xù)加滿水，氣球并不上??；再將整套裝置放入有足夠水位的水槽或大燒杯中，看到小氣球又向上浮出。
13．在空氣中演示浮沉條件與潛水艇原理
取氫氣氣球與空氣球在空中同時釋放，看到一個上浮而另一個下沉，若將二者綁攏則能懸浮于空中任意位置；此時若放出空氣球中的一部分空氣則兩氣球上升，反之若放出氫氣球中的一部分氣體則兩球下降?？捎靡哉f明浮沉條件，還可以分析潛水艇的工作原理。
14．演示星系在遠(yuǎn)離我們而去
此前15年，斯利弗在美國天文學(xué)協(xié)會的一次會議上，公布的觀察結(jié)果是：“一些明亮星云(后來被證實是星系)，既有藍(lán)移的，也有紅移的”；更遠(yuǎn)的弱光星云，“全都展示紅移”(1-P111)。沒有做出任何解釋。哈勃有效地以“宇宙梯”法解決了確定星系距離的問題之后，通過對自己測定的24個河外星系距離的分析，發(fā)現(xiàn)紅移量大致同星系距離成正比，即(λ1-λ0)/(λ2-λ0)＝D1/D2。當(dāng)時普遍認(rèn)為，這個結(jié)果“唯一可能的物理學(xué)解釋便是河外星系都在以正比于它們距離的速度退離我們而去”〔3-P140〕，由此得出的H＝V/D，被稱為哈勃定律。其中H為哈勃常數(shù)，D為星系距離，V為星系退離速度。D和V“都不是可測量的量”(8-P403)。
哈勃定律作為膨脹宇宙論的基礎(chǔ)原典、現(xiàn)代宇宙學(xué)的觀測依據(jù)，存在如下紕漏：1、該定律中既沒有可觀測的物理量，何以能成為“觀測依據(jù)”?又缺乏作為必要條件的觀測數(shù)據(jù)，如何判定其正確?
2、設(shè)星系在t內(nèi)退離距離D=Vt=HDt；依據(jù)哈勃關(guān)系式λ/λ=D/D，λ應(yīng)隨時間線性增加，即該定律成立的必要條件是紅移譜線持續(xù)移動而不是紅移。
3.取H=3×10-2m/s光年，代入λ/λ=D/D=Ht=3×10-2m/s光年·t=10-10/年·t可知，任一星系的λ/λ都將以每年10-10持續(xù)增加。60年代觀測精度(λ/λ～2.5×10-15)已達(dá)這個數(shù)據(jù)的4×104倍，要證明哈勃定律成立，就必須提供對同一星系λ/λ隨時間線性增加的觀測證據(jù)。
近40年來，新理論與新技術(shù)的結(jié)合，相繼發(fā)現(xiàn)了一些不調(diào)和的紅移現(xiàn)象。海爾天文臺的阿普80年代末就宣稱：“我們已知有38個不調(diào)和紅移天體與24個星系相關(guān)聯(lián)。這個數(shù)字之大，不允許我們將它一筆勾銷”(1-P151)。依據(jù)這些佐證，至少在某些情況下，關(guān)于紅移跟膨脹關(guān)聯(lián)的傳統(tǒng)解釋是錯的。
紅移跟運動的關(guān)聯(lián)確實并不具有唯一性。依據(jù)狹義相對論，運動物體發(fā)出的光被靜止者觀測時將發(fā)生頻移，和聲波頻移機理相同，用多普勒效應(yīng)解釋沒有錯。依據(jù)廣義相對論，具有強引力場的靜止物體發(fā)出的光，在引力勢較高處觀測也要紅移。即光的頻移有兩種機制，聲波頻移卻僅有一種，用多普勒頻移解釋光現(xiàn)象就必然會丟失引力頻移機制。通常的解釋是：“引力不能定量解釋星系的普遍紅移，引力效應(yīng)至少不占主導(dǎo)地位”(4-P509)，可以忽略不計；霍金的說法是：“星系的引力場沒有足夠強到對它有明顯的效應(yīng)”(5-P47)。
哈勃宣布宇宙在膨脹時，全世界能夠理解廣義相對論的人寥若晨星，“據(jù)記載，本世紀(jì)20年代初有一位記者告訴愛丁頓，說他聽說世界上只有三個人能理解廣義相對論，愛丁頓停了下，然后回答：我正在想這第三個人是誰”(5-P83)；50年代之前，“廣義相對論大體上是數(shù)學(xué)的一個分支”，60年代之后才“從考察數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)到開始按照物理來思考”(6-P72)；尤為重要的是，這個時期利用穆斯堡爾效應(yīng)在高度差H=22.5m的條件下，“極其精密地測得57Fe的一條γ譜線的紫移，波長相對變化僅有λ/λ≌gH/C2～2.5×10-15，與理論預(yù)告值在誤差范圍內(nèi)符合”(7-P94)。引力頻移被精確地測量出來后，就不得不承認(rèn)“引力是一種極其巨大的力量”(6-P66)。即此不難算出，在地球引力場中γ光子通過22.5m，需時t1=h/C=22.5m/3×108ms-1=7.5×10-8s。
由哈勃關(guān)系λ/λ=D/D=Ht=10-10/年·t；當(dāng)λ/λ～2.5×10-15時，t2=2.5×10-15×3.15×107s/10-10=7.88×102s。
依據(jù)平直而各向同性的宇宙學(xué)原理,當(dāng)λ/λ～2.5×10-15時，引力效應(yīng)/哈勃效應(yīng)=7.88×102s/7.5×10-8s=1.5×1010。很顯然忽略引力效應(yīng)肯定是個重大失誤。
大爆炸——膨脹宇宙論被稱為標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型，存在3個問題：其一、不考慮引力效應(yīng)就不符合現(xiàn)代宇宙學(xué)的定義；其二、40年前就測出的引力頻移比膨脹效應(yīng)大1010數(shù)量級，早已粉碎了“唯一的物理學(xué)解釋”神話；其三、“廣義相對論用時空結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì)來表示引力場”(8-P328)，哈勃當(dāng)時并不理解，用多普勒效應(yīng)解釋紅移屬于以偏概全；時至今日如果仍不考慮引力效應(yīng)，宇宙常數(shù)偏小、退離速度偏大的錯謬，將永遠(yuǎn)不可能得到糾正。
為了確定引力跟紅移的定量關(guān)系，特作如下討論：
一、改變高度差重做穆斯堡爾實驗，依據(jù)兩次測得的數(shù)據(jù)，可以確定：
1、紅移相對變化量跟距離還是距離平方相關(guān)；
2、導(dǎo)出相關(guān)公式，為比較引力貢獻(xiàn)和哈勃貢獻(xiàn)提供依據(jù)。
二、有人認(rèn)為，光在漫長的星際旅途中會受到無數(shù)恒星的影響，其左彎右折必然使紅移量產(chǎn)生較大改變，無法予以判定。其實并非如此，可依據(jù)右圖闡明如下：圖中A為發(fā)光恒星，M、N為兩個恒星，P為太陽；光線AB受它們影響的實際傳播線路為AB、BC、CD、DE、EF；F為地球，F(xiàn)A為依據(jù)經(jīng)驗認(rèn)定的光傳播線路。實際上BC是光在M附近沿能級相同的測地線通過的軌跡，能夠影響紅移的僅為B′C′。即此可得如下推論：
推論1、光無論受多少恒星影響發(fā)生左彎右折，決定紅移或紫移的只有直線距離。
推論2、A使光紅移，F(xiàn)使光紫移，由于M地《M恒，地球的影響可以忽略不計。
推論3、由實驗得出的公式，可以用于定量解釋星系的普遍紅移，同時將成為確證哈勃定律正確與否的判據(jù)。
參考書目
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7、倪光炯等著近代物理上海科技出版社1979年
8、董光璧等著世界物理學(xué)史吉林教育出版社1994年
二、光速不變與波粒二象性
在討論這兩個問題之前，首先需要廊清物理學(xué)理論中的3種觀念。
1、物理學(xué)不研究“物質(zhì)”，正如沒有人能夠講出“水果”是什么滋味一樣，因為二者都是抽象的類概念。實際上物理學(xué)只研究質(zhì)量、電量、能量跟時空的關(guān)系，“物質(zhì)”屬于誤用的哲學(xué)概念。
2、從牛頓那個時代開始，物理學(xué)就分牛頓范式和非牛頓范式，前者研究孤立質(zhì)點運動的規(guī)律，后者探討熱、光、電、磁的本質(zhì)；現(xiàn)在已經(jīng)非常清楚，熱、光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)都是電磁波，統(tǒng)稱為能量。
3、現(xiàn)代物理學(xué)理論可以分為以質(zhì)量計量、用時空描述，以能量計量、用位形描述兩大體系，物理客體理應(yīng)分為質(zhì)量系統(tǒng)和能量系統(tǒng)兩大類。同理粒子物理學(xué)就應(yīng)該分清質(zhì)量子(即費米子)和能量子(即玻色子)，本質(zhì)差異在于有沒有靜質(zhì)量。
據(jù)此，先討論光速不變問題。
所謂的光速不變是一種簡稱，實際所指是光速與光源運動的速度無關(guān)，或曰：光總是各向同性的。依據(jù)“質(zhì)量是慣性的量度”，光子沒有靜質(zhì)量，自然就應(yīng)該與光源的慣性無關(guān)。人們通常表現(xiàn)出的“不理解”，根源在于誤認(rèn)為任何“物質(zhì)”都具有慣性，忘記了慣性只與質(zhì)量相關(guān)，屬于牛頓范式獨霸天下產(chǎn)生的常識性錯誤，不清楚物理客體應(yīng)該分為質(zhì)量系統(tǒng)和能量系統(tǒng)兩大類。
討論光的各向同性，首先必須依據(jù)兩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論確立如下觀念：所謂的宇宙是質(zhì)量體(包括電子、質(zhì)子、原子、分子到其大無比的天球)懸浮在能量海洋(即連續(xù)輻射)中的巨系統(tǒng)。只有當(dāng)能量(子)從質(zhì)量體中放出(或被吸收)時，才表現(xiàn)出一份一份的粒子屬性，被稱為光子；而這種能量(團(tuán))在連續(xù)輻射的海洋中傳播時，則總表現(xiàn)為波。只需要以石塊擲入水中后，水波總是各向同性傳播為類比，就很容易理解光波總是各向同性的道理。
得布羅意提出波粒二象性，至今已有七十余年，開始時說微觀“物質(zhì)”既是粒子又是波，后來改為既不是粒子又不是波；由于實際測量的結(jié)果是：用干涉儀得到衍射圖象，用計數(shù)器記下的是粒子數(shù)，就將微觀粒子的實在性跟意識聯(lián)系起來，認(rèn)為究竟是粒子還是波，由測量者的意識所決定，關(guān)鍵在于選用什么樣的儀器。直到今天波粒二象性依舊是個說不清道不明的謎。
實際上只需要擯棄掉“物質(zhì)”這個誤用的哲學(xué)概念，并承認(rèn)物理客體分質(zhì)量、能量兩個系統(tǒng)，問題即可以迎刃而解。光子的波粒二象性已如前述，只需要將在能量海洋中傳播和由質(zhì)量體吸收(或放出)分開考慮，答案就已經(jīng)非常明確：波屬于能量系統(tǒng)的屬性，而粒子性總跟質(zhì)量系統(tǒng)相關(guān)。
光子屬于能量子，現(xiàn)在討論質(zhì)量子的問題。依據(jù)量子運動的特點，粒子永遠(yuǎn)不會停止運動。按En＝n2h2/8mL2被關(guān)在L＝4A箱內(nèi)的電子(m=me=9.1×10-31kg)，最低能量狀態(tài)(基態(tài))也還有2.3eV能量，通常稱它為電子的動能，又是一種植根于“物質(zhì)”這個誤用概念的常識性錯誤。量子場論承認(rèn)微觀存在分粒子和場，每一種粒子都對應(yīng)著一種場，卻講不清二者之間的關(guān)系究竟如何。只需要將電子放到質(zhì)能兩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論的框架去考察，就不難發(fā)現(xiàn)所謂的電子動能并非屬于電子，而是網(wǎng)絡(luò)態(tài)的能量海洋作用于電子的結(jié)果。任何粒子實際上都處在“樹欲靜而風(fēng)不止”的被動狀態(tài)，傳統(tǒng)將這種能量理解為電子“自能”，是基于質(zhì)、能不分產(chǎn)生的常識性錯誤。試想：空中懸浮的氣球不能靜止的原因在于空中能量分布不均衡，水中木屑的動能亦來自于水，都不屬于氣球和木屑自身所有；即此為類比就不難理解粒子性和波之間的相互關(guān)系。
結(jié)論：所謂的波粒二象性，是使用分別適用于能量或質(zhì)量系統(tǒng)的儀器，檢測由質(zhì)量子和能量子構(gòu)成的復(fù)合態(tài)產(chǎn)生的不同效應(yīng)。
驗證實驗：同時使用干涉儀和計數(shù)器對質(zhì)量子進(jìn)行觀測，當(dāng)光柵的隙縫小于粒子的直徑時，放在光柵背后的計數(shù)器就不會記下粒子數(shù)。理由是通過光柵的只能是能量海洋中傳遞的一列波，具有靜質(zhì)量的粒子將被“濾”掉。
三、絕對時間和相對相間
牛頓將時間分為“自身在那里流”的絕對時間和“可感知的及外界的度量”的相對時間。狹義相對論預(yù)言“動鐘變慢”；廣義相對論預(yù)言“一個鐘所處的引力勢越低(深)，它走得越慢”。通常都說相對論的預(yù)言被證實，說明牛頓的時間觀念是錯的；實際上恰恰相反，即此正好證明了時間確實有絕對和相對之分。
牛頓之前，惠更斯已導(dǎo)出單擺周期公式T＝2π(L/g)1/2，據(jù)此發(fā)明的擺鐘至今仍在使用，其走時快慢與g直接相關(guān)：g越大，T越小，走時讀數(shù)即變大；反之即被稱為變慢。這個結(jié)果為什么正好跟廣義相對論的預(yù)言相反呢?因為物理學(xué)研究的客體分兩個系統(tǒng)：一是由牛頓范式沿襲而來的，用質(zhì)量計量、用時間和空間描述運動的質(zhì)量系統(tǒng)；一是由非牛頓范式沿襲而來的，用能量計量、用位形描述運動的能量系統(tǒng)。擺鐘的讀數(shù)屬于質(zhì)量系統(tǒng)計量的相對時間，可以通過調(diào)節(jié)擺長L使所有的鐘走時一致，其作用直接源于發(fā)條的彈性勢。剛旋緊發(fā)條時走時慢些，發(fā)條松弛時走時即變快。
用原子鐘實測的結(jié)果正好跟廣義相對論預(yù)言一致，這又是為什么呢?由于原子釋放能量子跟它所處環(huán)境的能級直接相關(guān)，而能量子的T即代表該能級的內(nèi)稟時間，由能密梯度g′決定，是無法人為改變的，故而稱之為絕對時間。
如圖所示，行星R從遠(yuǎn)日點N向近日點M運行時，動能(正能)逐漸增大，g亦隨之增大；由M向N運行時，勢能(負(fù)能)逐漸增大，g′亦隨之增大。沿NM方向，正能密梯度g遞增，負(fù)能密梯度g′遞減。原子鐘走時由g′決定，顯示的是絕對時間；擺鐘走時由g決定，顯示的則是相對時間。
小結(jié)：絕對時間是彎曲時空(負(fù)能密梯度決定其曲率)的內(nèi)稟時間，傳統(tǒng)使用的擺鐘“度量”的屬于相對時間。當(dāng)使用人為規(guī)定的時間標(biāo)準(zhǔn)去度量負(fù)能量海的內(nèi)稟時間時，就必然會出現(xiàn)時間變快或變慢的實測結(jié)果。
驗證實驗：將在同一地點校準(zhǔn)的擺鐘和原子鐘各一枚，用氣球帶上高空，依據(jù)電臺播放的校鐘訊號去校鐘時，原子鐘的讀數(shù)要大些(變快)，擺鐘則變慢。
意義：該實驗可以確證：
物理實驗中蘊含著大量素質(zhì)教育的內(nèi)容。我們在物理實驗教學(xué)改革中，以“突出素質(zhì)教育，強化能力培養(yǎng)”為指導(dǎo)思想，充分發(fā)揮實驗課程的素質(zhì)教育功能，將素質(zhì)教育與實驗教學(xué)融為一體，圍繞素質(zhì)教育目標(biāo)，重新審視每個實驗，確立每個實驗素質(zhì)能力培養(yǎng)的具體要求，將素質(zhì)教育落實到每個實驗教學(xué)中，從以下幾方面強化學(xué)生素質(zhì)與能力的培養(yǎng)。
一、科學(xué)實驗思想、科學(xué)實驗方法、科學(xué)實驗精神的培養(yǎng)
在實驗教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)的實驗思想、實驗方法，倡導(dǎo)科學(xué)的實驗精神和實事求是的科學(xué)態(tài)度，重點突出以下幾個方面的教學(xué)。
（1）每個實驗的基本設(shè)計思想。
（2）實驗中用到的科學(xué)實驗方法。常用的科學(xué)實驗方法有控制變量法、對照實驗法和等效替代法等。這些名詞對于學(xué)生可能比較陌生，我們會結(jié)合具體實驗內(nèi)容進(jìn)行講解，變抽象為具體。
（3）基本的實驗測量手段和實驗技能。物理實驗的基本訓(xùn)練目標(biāo)就是讓學(xué)生掌握基本的實驗測量手段和實驗技能。
（4）物理理論與物理實驗的聯(lián)系，物理實驗之間的相互聯(lián)系。每次實驗前我們都會介紹本次實驗的物理原理。例如“磁感應(yīng)強度的測定”，可以結(jié)合電磁感應(yīng)展開教學(xué)，并且引入通電螺線管內(nèi)部磁場的計算公式，學(xué)生通過實驗操作進(jìn)一步深刻理解并驗證該公式。理論與實驗的結(jié)合能起到事半功倍的效果，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。
（5）與實驗相關(guān)的物理實驗史料、物理學(xué)家和發(fā)明過程介紹，在潛移默化中將素質(zhì)教育落到實處。
（6）嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒瀾B(tài)度、規(guī)范的實驗操作、正確的實驗數(shù)據(jù)處理能力。這些科學(xué)工作者的基本素質(zhì)，都應(yīng)該從中學(xué)物理實驗開始培養(yǎng)，為他們今后開展科學(xué)工作打下基礎(chǔ)。
二、獨立實驗?zāi)芰涂茖W(xué)探究能力的培養(yǎng)
充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)其獨立實驗?zāi)芰涂茖W(xué)探究能力，做到在教師引導(dǎo)下資料由學(xué)生查，儀器由學(xué)生看，實驗由學(xué)生做，問題由學(xué)生提，思路由學(xué)生想，疑難由學(xué)生議，錯誤由學(xué)生析。
（1）創(chuàng)設(shè)問題情境。要求每位學(xué)生實驗前認(rèn)真閱讀實驗教材，了解實驗?zāi)康?，理解實驗原理，能夠解決兩個重要問題：做什么？怎么做？針對不同實驗，我們還會創(chuàng)設(shè)一些有特色的問題情境，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，并通過互動了解學(xué)生預(yù)習(xí)情況，以便上課時做到有的放矢。
（2）每個實驗設(shè)有探究性思考題，從理論性探究、實驗性探究、改進(jìn)性探究、拓展性探究、應(yīng)用性探究等方面引導(dǎo)學(xué)生開展實驗探究。
（3）每個實驗配套必要的儀器設(shè)備說明書，倡導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生對實驗故障進(jìn)行自我診斷與排除，培養(yǎng)動手與動腦相結(jié)合的能力。
（4）將內(nèi)部封閉的實驗儀器拆解展示，便于學(xué)生觀察內(nèi)部構(gòu)造，了解工作原理，避免“暗箱操作”。
（5）尊重學(xué)生興趣和個體差異，設(shè)必做與選做實驗，部分實驗設(shè)必做與選做內(nèi)容。學(xué)生可自主選擇，量力而行，以提高素質(zhì)和培養(yǎng)能力為目的，因材施教。
三、實驗設(shè)計能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)
培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，使學(xué)生掌握實驗研究的基本方法，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。
（1）介紹物理實驗在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，拓展學(xué)生知識面和創(chuàng)新思路。
（2）針對每個實驗，提出實驗中存在的問題并分析原因。
（3）針對每個實驗，提出改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)想，或考慮有無其他測量方法或手段。這個要求相對比較高，我們往往先讓學(xué)生尋找一些難度適中的問題進(jìn)行研究。此時多采用研究小組形式，每個小組解決一個問題，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)團(tuán)隊合作精神。
（4）提出實驗所用原理、方法、設(shè)備的應(yīng)用設(shè)想。我們最提倡的一句話就是：學(xué)以致用。不同的學(xué)生，個好不同，往往對同一個實驗所用的原理、方法、設(shè)備有著不同的認(rèn)識。正因為如此，他們會從不同角度提出不同的應(yīng)用設(shè)想。而這些天馬行空的設(shè)想，往往就是創(chuàng)新的開始。
（5）理論聯(lián)系實際，提出解決實際問題的實驗設(shè)想和設(shè)計。學(xué)生在這個過程中學(xué)會實驗設(shè)計，更學(xué)會交流和分享。
（6）指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實驗設(shè)計，提供實驗器材，助優(yōu)秀學(xué)生實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。
（7）改革實驗評價手段，將實驗論文、課程作業(yè)、提問數(shù)量與質(zhì)量、動手能力、實驗設(shè)計等作為評定實驗成績的重要依據(jù)，使整個評價體系更科學(xué)、更合理，而且能促進(jìn)學(xué)生實驗設(shè)計能力和創(chuàng)新能力的提高。
（8）選拔優(yōu)秀學(xué)生參與開放實驗教學(xué)與管理，擔(dān)任實驗科普教育志愿者。
以上是我們在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的一些改革嘗試。實踐表明，物理實驗教學(xué)中強化素質(zhì)與能力的培養(yǎng)，有利于突出實踐性環(huán)節(jié)中的素質(zhì)教育，提高物理實驗教學(xué)的整體品質(zhì)和素質(zhì)教育價值。
設(shè)計性實驗的目的是：加強學(xué)生已學(xué)的理論知識和基礎(chǔ)性實驗知識相結(jié)合，并將這些知識靈活應(yīng)用，使學(xué)生體會并掌握實驗設(shè)計的思維方法和分析方法，實驗設(shè)計的基本過程和方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰皠?chuàng)新能力。
二、設(shè)計性實驗教學(xué)體系構(gòu)建的思路
構(gòu)建設(shè)計性實驗教學(xué)體系應(yīng)該把學(xué)生的能力和素質(zhì)培養(yǎng)作為構(gòu)建的指導(dǎo)思想，以便學(xué)生在實驗研究的過程中，通過自己的努力獲取相應(yīng)的物理知識和練就一定的操作技能，又能逐步學(xué)會一套獲取新知識和解決新問題的科學(xué)方法。設(shè)計性實驗教學(xué)體系構(gòu)建的基本思路是：(1)將能力和素質(zhì)培養(yǎng)貫徹始終，為物理實驗教學(xué)目標(biāo)服務(wù)；(2)循序漸進(jìn)；(3)要選擇或設(shè)計內(nèi)容新穎、難易適度的實驗；(4)要立足大學(xué)物理，輻射其它學(xué)科；(5)要把科學(xué)研究能力的培養(yǎng)和物理知識的建構(gòu)統(tǒng)一起來；(6)要把科學(xué)研究與實驗教學(xué)有機結(jié)合起來；充分發(fā)揮設(shè)計性實驗的教育功能。
三、設(shè)計性物理實驗教學(xué)體系
以培養(yǎng)創(chuàng)新精神和提高綜合素質(zhì)為主線，遵循由易到難、由淺入深、由低到高、循序漸進(jìn)的教學(xué)規(guī)律，按照物理實驗的實施過程和目的要求以及學(xué)生自身個性發(fā)展將研究性物理實驗劃分為以下三個層次。
1.基本設(shè)計性實驗。給定實驗題目與要求，在限定儀器的條件下，擬定實驗方案完成實驗?；驹O(shè)計性實驗特別注意科學(xué)性和趣味性的結(jié)合，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗的基本能力、科學(xué)的思維方式、探究意識和動手能力。采用指定“單任務(wù)教學(xué)”模式，教師起到“指導(dǎo)、幫助”的作用。
(1)基本目的。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識、研究與探索物理規(guī)律的熱情，加深對物理規(guī)律的切身感受，提高動手動腦能力，激勵創(chuàng)新精神。
(2)基本要求。在教師的指導(dǎo)下或自己的獨立研究完成實驗課題，按學(xué)術(shù)論文的形式撰寫設(shè)計性實驗報告，使學(xué)生掌握基本的實驗研究方法。
2.提高型設(shè)計性實驗。給定題目與要求，在給定儀器條件的范圍內(nèi)選擇儀器、擬定二種以上的實驗方案進(jìn)行比較，以較佳的實驗方案完成實驗。實驗原理應(yīng)是學(xué)生在普通物理學(xué)習(xí)中已掌握或稍加補充即可掌握的。他們要從查找文獻(xiàn)資料開始，制定方案，做規(guī)劃，直至完成實驗。
(1)基本目的。培養(yǎng)學(xué)生科研綜合對比研究能力，查閱文獻(xiàn)資料的能力，在實踐中提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。
(2)基本要求。要求這類實驗完成后，進(jìn)行書面總結(jié)和口頭報告交流，讓他們對自己的實驗作介紹，交流在實驗研究的過程以及分析問題和解決問題中的寶貴經(jīng)驗和教訓(xùn)。
3.獨立型設(shè)計性實驗。給定實驗題目，擬定實驗方案、自選儀器完成實驗。側(cè)重于綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，課題涉及的實驗內(nèi)容與方法應(yīng)具有綜合性，學(xué)生選定課題后，教師一般只對課題的意義、背景等情況作些介紹，完全由學(xué)生自己調(diào)研和查閱資料，自己設(shè)計、裝配、調(diào)試實驗裝置，提出實驗方案，完成實驗。
(1)基本目的。在培養(yǎng)了學(xué)生的基本實驗技能和基本的設(shè)計能力后，對部分學(xué)生提出更高的要求，這一階段要求學(xué)生的自主創(chuàng)新，培養(yǎng)他們的科學(xué)研究素質(zhì)。
(2)基本要求。實驗結(jié)束時，每個課題都要寫出研究論文，并進(jìn)行學(xué)術(shù)答辯和交流，部分論文應(yīng)具有創(chuàng)新的成果，其中優(yōu)秀的論文應(yīng)能在正式學(xué)術(shù)刊物或?qū)W術(shù)會議論文集上發(fā)表。
4.設(shè)計性物理實驗教學(xué)體系及內(nèi)容方案。根據(jù)上面的討論，由從簡單到復(fù)雜、從基本到提高的順序把設(shè)計性實驗分為三個主要的類型，對于不同的層次有不同的實驗項目和具體的實驗要求，其中包括學(xué)生選做的實驗個數(shù)、所需的課時數(shù)等，提出設(shè)計性物理實驗教學(xué)體系及內(nèi)容方案如表一。
表一設(shè)計性實驗教學(xué)體系及內(nèi)容
不同的學(xué)校根據(jù)自己的具體情況可以對不同的設(shè)計性實驗類型提出不同的要求，即對基本設(shè)計性實驗、提高型設(shè)計性實驗、獨立型設(shè)計性實驗開設(shè)的個數(shù)和每個實驗所需的學(xué)時給出符合自身實際情況的規(guī)定。根據(jù)我們學(xué)院的情況，選取基本設(shè)計性實驗、提高型設(shè)計性實驗、獨立型設(shè)計性實驗的課題數(shù)目分別為2、2、1個，總學(xué)時為40學(xué)時。
四、設(shè)計性實驗教學(xué)成績評價
客觀、科學(xué)評價設(shè)計性實驗教學(xué)成績，有利于促進(jìn)設(shè)計性實驗教學(xué)的發(fā)展。評價應(yīng)體現(xiàn)在實驗教學(xué)中以學(xué)生為主，教師為輔，顯示學(xué)生個性，相互協(xié)作，有利于學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，充分發(fā)揮學(xué)生的能動性和創(chuàng)造性的宗旨。設(shè)計性實驗教學(xué)成績評價采用雙評模式，把教師的評價和學(xué)生自評結(jié)合起來，改變以往那種只有教師參與的局面。
1.學(xué)生自評。每一個實驗學(xué)生都進(jìn)行自我評價，或是以小組為單位進(jìn)行評價。在評價考核范圍里面除了考核實驗相關(guān)操作技能和實驗的掌握外還將實驗態(tài)度、文獻(xiàn)查閱能力、團(tuán)隊合作精神等都納入考察范圍，充分體現(xiàn)設(shè)計性實驗培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的價值。
2.教師對學(xué)生的評價。教師對學(xué)生的評價與學(xué)生自評同步進(jìn)行，教師通過對學(xué)生的實驗設(shè)計方案的審核，對實驗過程的監(jiān)督，以及實驗結(jié)果的分析，給出一個評價。
對于這兩部分的權(quán)重，不同的學(xué)校，不同的專業(yè)可以進(jìn)行不同的調(diào)整，一般可以采用教師評價占60％，學(xué)生自評占40％的比例來進(jìn)行，對于不同的給分點可以根據(jù)各自情況進(jìn)行界定。
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在大學(xué)物理實驗課教學(xué)過程中，往往只重視物理理論知識的理解，將重心放在大學(xué)生物理知識的獲取與驗證，忽視大學(xué)生實驗實踐能力的培養(yǎng)，偏離了大學(xué)物理實驗課的培養(yǎng)方向和培養(yǎng)目標(biāo)．
1.2實驗教材偏理論性，實驗思想和方法不足
大學(xué)物理實驗教材是大學(xué)物理實驗教學(xué)的基礎(chǔ)工具，直接影響著大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量．但是，目前我國大學(xué)物理實驗教材大多理論性偏強，物理實驗思想和物理實驗方法不能很好的體現(xiàn)．大學(xué)物理實驗更應(yīng)注重物理實驗思想和物理實驗方法的教育．
1.3多以驗證性實驗為主，綜合性設(shè)計性實驗為輔
目前我國各高校開設(shè)的大學(xué)物理實驗多以驗證性實驗為主，驗證性實驗相對于新技術(shù)和新方法運用類型的實驗更容易使學(xué)生感到枯燥無味，課堂氛圍會比較呆板沉悶，不能夠很好地激發(fā)學(xué)生的求知欲望，很大一部分學(xué)生只滿足于測出所需的實驗數(shù)據(jù)，完成格式化的實驗報告．
1.4實驗教學(xué)方法單一，學(xué)生實驗較為被動
目前我國大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)形式相對固定，教學(xué)方法比較單一，忽視各學(xué)科之間的兼容性和互補性．由于教學(xué)形式的固定，教學(xué)方法的單一使大學(xué)生做大學(xué)物理實驗時比較被動消極．
1.5強調(diào)按規(guī)定的實驗步驟操作，忽視靈活性與創(chuàng)新能力培養(yǎng)
大學(xué)物理實驗教學(xué)應(yīng)適應(yīng)時代和科學(xué)發(fā)展的要求，應(yīng)不斷求思、求變和求新，要給大學(xué)生營造和創(chuàng)設(shè)自由發(fā)揮的空間和時間．但是，目前我國大學(xué)物理實驗課程教學(xué)比較強調(diào)按規(guī)定的實驗步驟操作，嚴(yán)重忽視大學(xué)生靈活性與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．
2大學(xué)物理實驗教學(xué)的五維一體改革
基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)大學(xué)物理實驗教學(xué)五維一體綜合改革由大學(xué)物理實驗教學(xué)理念改革維度、大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容改革維度、大學(xué)物理實驗教學(xué)方法改革維度、大學(xué)物理實驗報告改革維度和大學(xué)物理實驗成績評定改革維度這五個維度構(gòu)建形成一個綜合改革體．
2.1大學(xué)物理實驗教學(xué)理念改革
大學(xué)物理實驗教學(xué)要以大學(xué)生為主體，以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為導(dǎo)向，從傳統(tǒng)的學(xué)生接受性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到學(xué)生自主學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)及合作學(xué)習(xí)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，充分激發(fā)大學(xué)生在大學(xué)物理實驗教學(xué)中的主動性和積極性．貫徹以大學(xué)生為主體，以創(chuàng)新人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的大學(xué)物理實驗教學(xué)改革理念，使大學(xué)生能夠?qū)⒋髮W(xué)物理實驗中學(xué)習(xí)到的理論、思想、方法和技能等運用于其專業(yè)領(lǐng)域，并逐步培養(yǎng)大學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力．針對大學(xué)物理實驗教學(xué)中存在的學(xué)生實踐能力培養(yǎng)不足，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和積極性低，探究性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗少，忽視創(chuàng)新能力培養(yǎng)等問題，通過學(xué)習(xí)、反思與討論，提出行之有效的改革方案（其中包括教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實驗報告撰寫及實驗成績評定方式改革等內(nèi)容）．加強對學(xué)生的引導(dǎo)、啟發(fā)和幫助，減少實驗中對學(xué)生思維能力及動手能力的束縛，以提高大學(xué)生做大學(xué)物理實驗的主動性和積極性，提高團(tuán)隊合作意識，開發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力為主要目標(biāo)。
2.2大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容改革
改變目前我國大學(xué)物理實驗仍以驗證性實驗為主，以探究性實驗和設(shè)計性實驗為輔的局面，過多的驗證性實驗會束縛大學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力．大力開發(fā)探究性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗，增加探究性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗的開設(shè)比例，提高綜合性實驗和設(shè)計性實驗的開設(shè)質(zhì)量，使學(xué)生能夠根據(jù)自己的專業(yè)需求及其興趣特長選擇實驗，切實有效地培養(yǎng)大學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力．針對大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容開展調(diào)研，通過座談會、問卷調(diào)查方式向?qū)嶒灲處熀蛯嶒瀸W(xué)生進(jìn)行大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容改革調(diào)研，以更好的設(shè)計并確定適合本校的大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容改革方案．開設(shè)了尊重學(xué)生求知欲和興趣的“基礎(chǔ)實驗，綜合應(yīng)用實驗，設(shè)計研究實驗”課程體系．開設(shè)的壓力傳感器實驗、半導(dǎo)體溫度傳感器實驗、電表的設(shè)計和改裝等綜合性及設(shè)計性實驗改變了學(xué)生實驗熱情不高的狀況，激發(fā)了學(xué)生的興趣和動力．很多學(xué)生還將大學(xué)物理實驗與自己的專業(yè)背景結(jié)合，深入研究探索，在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表與設(shè)計性實驗相關(guān)的研究論文．大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容改革效果顯著．
2.3大學(xué)物理實驗教學(xué)方法改革
目前我國大學(xué)物理實驗教學(xué)更多的采用教師講解→教師演示示范→學(xué)生自己操作→教師總結(jié)點評→學(xué)生完成實驗報告→教師批改實驗報告的教學(xué)流程，教學(xué)方法固定單一，教學(xué)效果不佳，特別不利于學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)．要更多的采用實驗探究法、提問解問法、小組研討法、課題引領(lǐng)法、課內(nèi)課外融合法、師生團(tuán)隊法和設(shè)計創(chuàng)新法等教學(xué)方法，更加靈活多變，具有創(chuàng)新因子，有效地提高大學(xué)物理實驗教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步培養(yǎng)大學(xué)生的探索精神、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力．針對教學(xué)方法也開展了一系列改革．首先，建立了信息平臺，實現(xiàn)了學(xué)生根據(jù)自己的意向自主選擇實驗時間、實驗教師及實驗內(nèi)容；其次，教師實現(xiàn)了網(wǎng)上評定成績、網(wǎng)上教學(xué)質(zhì)量分析；另外，針對創(chuàng)新意識及能力較強，且對科研具有較高熱情的學(xué)生選擇性地開設(shè)與目前科學(xué)研究的前沿課題相關(guān)的研究性演示實驗，向?qū)W生展示更多的學(xué)科前沿實驗內(nèi)容，展示物理實驗的思想和方法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣和科研能力，并為學(xué)生將來走上其專業(yè)相關(guān)的研究領(lǐng)域及研發(fā)崗位培養(yǎng)濃厚的興趣，奠定良好的科研基礎(chǔ)．通過大學(xué)物理實驗教學(xué)改革，切實高效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，以達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新人才的目標(biāo)．
2.4大學(xué)物理實驗報告改革
在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，實驗報告的撰寫是一個重要環(huán)節(jié)，教師能夠通過大學(xué)生撰寫的實驗報告了解學(xué)生的實驗完成情況，實驗報告也是對學(xué)生進(jìn)行實驗成績評定的重要依據(jù)．目前，在大學(xué)物理實驗教學(xué)中所采用的傳統(tǒng)實驗報告書寫格式相對固定，都是格式化的模板，大學(xué)生依次填入實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒炘?、實驗儀器、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)及處理、誤差分析與討論以及對實驗的體會就完成了實驗報告的撰寫．有特色、有創(chuàng)新的實驗報告很難見到，很難體現(xiàn)出學(xué)生的探究與創(chuàng)新，面對雷同的實驗報告，實驗教師也很難給出科學(xué)恰當(dāng)?shù)脑u定成績．要結(jié)合本校的條件和特色，對具體形式不做過多固定要求，不采用格式化的實驗報告模板，采用形式多樣化的開放式實驗報告形式，增加實驗探究、實驗發(fā)現(xiàn)、實驗提問、實驗擴展、實驗改進(jìn)、實驗設(shè)計、實驗綜合和實驗創(chuàng)新等板塊，還可設(shè)置一定比例的按照科技小論文寫作格式與寫作方法來完成實驗報告．目前對于少部分設(shè)計性實驗鼓勵有能力的學(xué)生采用開放式實驗報告．以硅光電池特性研究實驗及核磁共振實驗為例，學(xué)生可以在教師的指導(dǎo)和引導(dǎo)下，根據(jù)自己的興趣提出問題，設(shè)計實驗，并最終以小論文形式完成實驗報告．這和傳統(tǒng)的實驗報告撰寫方式相比，能夠更多地開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力．目前，這種實驗報告完成方式有必要進(jìn)一步推廣擴大，但這必須建立在實驗教師隊伍的素質(zhì)提高和數(shù)量的擴充上．
2.5大學(xué)物理實驗成績評定改革
目前我國多數(shù)高校的大學(xué)物理實驗成績評定一般分為平時成績和實驗成績兩部分，平時成績考核參考出勤、預(yù)習(xí)報告等情況給出成績；實驗成績的評定則根據(jù)實驗操作、實驗原始數(shù)據(jù)記錄和實驗報告撰寫等給出．這往往使大部分學(xué)生忽視探究問題能力的提高．大學(xué)物理實驗成績的評定要增加以下內(nèi)容：（1）要求學(xué)生在預(yù)習(xí)報告中寫出自己對于本實驗的理解，并提出自己思考的問題；（2）實驗中可以4名學(xué)生組成一個實驗小組（每位學(xué)生都有一套完整的實驗儀器和設(shè)備，每位學(xué)生都要完成整個實驗），針對不同實驗，學(xué)生輪流進(jìn)行實驗講解，并進(jìn)行小組討論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、科學(xué)語言的表達(dá)能力以及團(tuán)隊協(xié)作意識．實驗教師根據(jù)學(xué)生參與實驗討論的情況判斷學(xué)生對于實驗的預(yù)習(xí)程度及學(xué)習(xí)積極性，據(jù)此給出相應(yīng)成績；（3）實驗完成后，激勵學(xué)生把實驗改進(jìn)、實驗與自己專業(yè)的聯(lián)系、實際應(yīng)用鏈接、實驗設(shè)計及實驗創(chuàng)新等寫入實驗報告，以增強學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力．目前，已進(jìn)行與實驗教學(xué)體系改革相適應(yīng)的成績評定方式，針對不同層次的實驗采取不同的方式評定成績．基礎(chǔ)實驗仍根據(jù)預(yù)習(xí)、操作和報告三個模塊評定成績；綜合性及設(shè)計性實驗則通過實驗選題、實驗方案設(shè)計、實驗操作、實驗報告或小論文和簡短答辯方式綜合評定實驗成績．這樣既能訓(xùn)練學(xué)生的基本功，打好基礎(chǔ)，又能夠進(jìn)一步滿足不同專業(yè)、不同興趣愛好學(xué)生的需求，有的放矢地進(jìn)行大學(xué)物理實驗教學(xué)．小論文和答辯方式成績評定的進(jìn)一步大范圍推廣也有賴于實驗教師素質(zhì)的提高和數(shù)量的擴充．從實驗教學(xué)模式、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方法、實驗報告撰寫和實驗成績評定方式方面全面進(jìn)行大學(xué)物理實驗教學(xué)改革實踐，并通過反饋信息進(jìn)一步進(jìn)行改革——實踐——再改革的循環(huán)，將大學(xué)物理實驗教學(xué)改革經(jīng)驗進(jìn)行推廣，對其他專業(yè)課實驗課教學(xué)改革起到輻射和推動作用．
傳感器教學(xué)是新課程改革的重要內(nèi)容，結(jié)合新課程改革開展有效的策略研究符合新課程改革的理念。我們認(rèn)為，在傳感器教學(xué)過程中的策略主要包括利用傳感器開展實驗探究，針對中學(xué)物理實驗內(nèi)容開展全面系統(tǒng)的研究，開展中學(xué)物理實驗設(shè)計以及結(jié)合傳感器和中學(xué)物理實驗開展教研活動等幾個方面。有效的策略將會對傳感器與中學(xué)物理實驗整合的研究起到積極的促進(jìn)作用。
一、開展探究教學(xué)——改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式
開展探究教學(xué)策略是指在傳感器與中學(xué)物理實驗整合過程中，以傳感器為操作平臺，以探究為教學(xué)方式的研究策略。實驗探究教學(xué)是指在教師引導(dǎo)下，學(xué)生運用已有的物理知識和技能，通過自己設(shè)計實驗方案、進(jìn)行實驗操作、處理和分析數(shù)據(jù)、解決物理問題和探索結(jié)論的一種教學(xué)模式。實驗探究模式一般包括“提出問題——實驗設(shè)計——實驗探究——獲得結(jié)論”等環(huán)節(jié)和過程[1]。開展物理實驗探究教學(xué)可以改變傳統(tǒng)教學(xué)過程中過于強調(diào)物理知識和技能的傾向，有利于提高學(xué)生實驗的興趣，有利于提高學(xué)生的實驗技能，促進(jìn)學(xué)生積極主動地參與到學(xué)習(xí)過程中來，使之在經(jīng)歷科學(xué)探究的過程中學(xué)會學(xué)習(xí)和思考，逐步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神、參與意識、合作能力、實踐能力和創(chuàng)新能力等。這就要求教師在開展實驗探究教學(xué)的過程中，著力激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)造學(xué)生主動參與的氛圍，充分調(diào)動學(xué)生參與實驗探究教學(xué)的積極性和主動性[2]。
新課程改革之后，實驗探究已經(jīng)成為實現(xiàn)新課程目標(biāo)的重要手段和內(nèi)容。物理實驗探究教學(xué)不僅要求教師具有探究的意識，還要求為教師配備基本的實驗器材和實驗平臺。由于我國缺乏實驗探究的傳統(tǒng)，很多中學(xué)一線教師在開展實驗探究的過程中往往會遇到實驗器材或技術(shù)上的困難，因此，將傳感器應(yīng)用于物理實驗探究教學(xué)是一個行之有效的策略。傳感器能夠精密準(zhǔn)確地探測、感受外界信號，并將之轉(zhuǎn)變成電信號，教學(xué)使用的傳感器具有操作簡便、數(shù)據(jù)圖像準(zhǔn)確清晰的特點，而且品種齊全。我國目前中學(xué)和高校使用的傳感器主要包括美國PASCO公司生產(chǎn)的PASCO傳感器系統(tǒng)和上海朗威DISLab傳感器系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)基本都涵蓋了中學(xué)物理所涉及到的實驗種類和實驗內(nèi)容。將傳感器技術(shù)應(yīng)用于物理實驗探究教學(xué)中，實驗操作簡單方便，可以為學(xué)生和教師開展探究節(jié)省大量時間，學(xué)生不必從實驗器材上考慮實驗的可行性與可操作性，而且實驗數(shù)據(jù)的采集和分析非常精確，圖像清晰，學(xué)生可以集中精力思考實驗探究的方法和思路，為實驗探究設(shè)計方案，完成實驗探究的過程。這也符合實驗探究的真正目的，可以更加有效地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。
以傳感器為平臺開展實驗探究的策略，可以有效地促進(jìn)傳感器與中學(xué)物理實驗整合的有效性，可以有效地改變傳統(tǒng)實驗教學(xué)的方式，學(xué)生不再是一味聽教師講、看教師做，而是要積極主動地猜想、假設(shè)并實驗證明，對實驗的事實加以分析并獲得結(jié)論。這必將有利于學(xué)生物理實驗?zāi)芰Φ奶岣?，促進(jìn)傳感器與中學(xué)物理實驗整合的研究。
二、開展系統(tǒng)研究——使中學(xué)物理教師得以借鑒
傳感器與中學(xué)物理實驗的整合研究已經(jīng)成為物理新課程改革的重要內(nèi)容和理念，是科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)與物理實驗課程整合的重要突破口，對于提高學(xué)生的動手實踐能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)以及創(chuàng)新思維能力有著重要的作用。國外在這方面的研究經(jīng)驗和我國的現(xiàn)實狀況都顯示出我國傳感器與中學(xué)物理實驗整合的做法缺乏系統(tǒng)性，沒能從整體的視角加以研究。
開展系統(tǒng)研究策略是指在將傳感器與中學(xué)物理實驗整合過程中，要有整體的研究思路，結(jié)合義務(wù)教育階段和高中階段的物理實驗要求和設(shè)置，從力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等專題角度開展全面而系統(tǒng)的研究，為中學(xué)物理教師開展傳感器的教學(xué)提供理論指導(dǎo)和借鑒。從已有的研究中發(fā)現(xiàn)，我國現(xiàn)有的整合研究以案例為多，而且實驗的類型多以驗證性實驗或測量性實驗為主，缺乏系統(tǒng)地將傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理實驗的做法。由于中學(xué)階段經(jīng)費有限，很多中學(xué)沒有能力購置傳感器設(shè)備，所以我國的傳感器與實驗整合的研究主要集中在高校，相對系統(tǒng)的研究主要以碩士畢業(yè)論文的形式呈現(xiàn)，中學(xué)一線教師的系統(tǒng)研究相對較少。這在很大程度上限制了中學(xué)物理教師參與傳感器研究的工作，也無法為廣大中學(xué)物理教師提供系統(tǒng)而足夠的示范，無法達(dá)到傳感器應(yīng)用于中學(xué)物理實驗的理想價值。
因此，我們應(yīng)該系統(tǒng)地對傳感器與中學(xué)物理實驗整合加以研究，既結(jié)合案例研究，又要涵蓋中學(xué)物理實驗的整體，將義務(wù)教育和高中教育階段的物理實驗內(nèi)容通過傳感器開展全面的研究，并將研究內(nèi)容和研究成果以適當(dāng)?shù)男问秸故境鰜?，為中學(xué)一線物理教師和高校實驗研究人員提供必要的借鑒和指導(dǎo)。同時，在研究過程中要具有更為廣泛的研究視角，從理論探討到策略分析，從模式建構(gòu)到資源開發(fā)，從實驗設(shè)計到實驗探究等方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)研究的策略要求我們要緊密結(jié)合義務(wù)教育階段和高中階段的物理課程標(biāo)準(zhǔn)和實驗內(nèi)容要求，利用傳感器有針對性地開展全面的實驗設(shè)計與研究，以便為中學(xué)物理教師開展傳感器教學(xué)提供案例觀摩和參考，促進(jìn)傳感器與中學(xué)物理實驗的整合。唯有此才能實現(xiàn)傳感技術(shù)與物理實驗整合的系統(tǒng)化和全面化，才能為中學(xué)物理教師提供更直接、全面的指導(dǎo)。通過系統(tǒng)研究，可以促進(jìn)傳感器技術(shù)在中學(xué)物理教學(xué)中的有效應(yīng)用，使傳感器成為中學(xué)物理實驗教學(xué)中重要而常見的操作平臺。
三、開展實驗設(shè)計——提高實驗設(shè)計與開發(fā)能力
中學(xué)物理實驗的設(shè)計和研究能力是物理實驗教學(xué)的重要目標(biāo)和內(nèi)容，也是傳感器與中學(xué)物理實驗整合的重要策略之一。中學(xué)物理實驗設(shè)計是一種介于基礎(chǔ)教學(xué)實驗和實際科學(xué)實驗之間的、具有對科學(xué)實驗全過程進(jìn)行初步訓(xùn)練的實驗教學(xué)方式，學(xué)生根據(jù)物理實驗原理和要求，運用已學(xué)過的實驗方法，結(jié)合實驗器材，設(shè)計出合理的實驗方案并加以實施的過程[3] 。中學(xué)物理實驗設(shè)計涉及到對物理實驗原理的深刻理解，實驗器材的合理選取，實驗步驟的設(shè)計和安排，實驗操作的合理進(jìn)行，以及實驗數(shù)據(jù)的分析處理、實驗結(jié)論的得出等一系列過程，這些對于學(xué)生創(chuàng)新思維能力、動手操作能力、小組合作和交流能力的培養(yǎng)都有十分重要的作用。
將傳感器系統(tǒng)作為開展實驗設(shè)計的操作和研究平臺，可以有效提高學(xué)生的實驗設(shè)計與研究能力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的發(fā)展。一般的數(shù)字傳感器由計算機接口、傳感器和軟件三部分組成。其中傳感器用來采集數(shù)據(jù)，將各種外界信號轉(zhuǎn)換成電腦可以識別的電信號，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口在電腦軟件中顯示即時的實驗數(shù)據(jù)。運用傳感器開展的實驗設(shè)計，學(xué)生通過自己查閱和搜集資料自行推證有關(guān)理論，自行設(shè)計實驗方案，自行選擇實驗器材，獨立地進(jìn)行操作和測量，對學(xué)生實驗設(shè)計和研究能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有不可估量的作用。
在傳感器與中學(xué)物理實驗整合過程中，教師要盡可能多地為學(xué)生創(chuàng)造開展物理實驗設(shè)計的機會，使學(xué)生在完成中學(xué)物理實驗的過程中感受傳感器的優(yōu)點和科學(xué)技術(shù)的魅力，體會實驗設(shè)計的重要價值。教師要有步驟地引導(dǎo)學(xué)生由易到難地開展實驗設(shè)計，初級階段的實驗設(shè)計題目和內(nèi)容可以完全由教師決定和完成，之后可以是教師跟學(xué)生合作完成，高級階段的實驗設(shè)計則主要由學(xué)生自行完成。教師要鼓勵學(xué)生積極參與實驗方案設(shè)計的過程中來，大膽地提出自己的設(shè)計思想，針對同一物理實驗設(shè)計多種解決方案，鼓勵學(xué)生運用多種證據(jù)對自己的實驗方案進(jìn)行論證，提出完善和改進(jìn)的建議等。
例如，在牛頓第二定律的實驗過程中，我們利用PASCO傳感器對之進(jìn)行了重新設(shè)計和改進(jìn)。傳統(tǒng)的牛頓第二定律實驗是用沙桶帶動小車運動，通過打點計時器在紙帶上打點來分析和研究。但此方法要求沙桶質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，而且打點計時器打點過程對實驗亦有影響。為此，我們在研究過程中利用運動傳感器來分析加速過程的實驗數(shù)據(jù)，并且將沙桶（我們用砝碼代替）自身的加速度問題也考慮進(jìn)去，不再忽略沙桶自身的影響，實驗效果非常準(zhǔn)確[4]，參與的學(xué)生和教師的實驗設(shè)計能力也得到了提升。
四、開展教研活動——促進(jìn)教研意識與能力發(fā)展
在新課程改革背景下，教師的教學(xué)活動與研究活動是密切相關(guān)的，教師已經(jīng)不是傳統(tǒng)的教書匠，一個教師不僅要把書教好，即把知識和技能傳授給學(xué)生，還要教會學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，學(xué)會思考和研究。這就需要教師具備基本的教學(xué)研究意識，在完成知識教學(xué)的同時，要開展一定的教學(xué)研究工作，掌握教學(xué)研究的基本方法，將教學(xué)經(jīng)驗層次的問題升華為更高層次的理論問題，從而提升研究的能力和水平。
在傳感器與中學(xué)物理實驗整合過程中開展教研活動是提高整合層次和水平的重要策略，這不僅有利于教師提升自己的研究能力，還可以更加有效地帶動學(xué)生參與科研過程，提高研究能力。教師要緊密圍繞傳感器與中學(xué)物理實驗教學(xué)有意識地發(fā)掘一些問題，緊密圍繞傳感器與中學(xué)物理實驗的整合研究，保證教研活動的完整性和目標(biāo)的指向性，使這種教研活動成為物理教師改進(jìn)中學(xué)物理實驗手段、提高實驗效率、體會科技發(fā)展、開展實驗探究、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要手段和方式。結(jié)合傳感器與中學(xué)物理實驗開展教學(xué)研究的內(nèi)容比較廣泛，可以從理論上進(jìn)行一些探討。例如，國內(nèi)外傳感器教學(xué)的進(jìn)展和現(xiàn)狀、傳感器的重要性、將傳感器與物理實驗整合的方式方法等。也可以結(jié)合具體的實驗案例開展一定的實驗研究與分析，例如實驗驗證動能定理的研究[5]、單擺的實驗設(shè)計[6]、動量定理的實驗設(shè)計與研究[7]等。在動量定理的實驗研究過程中，我們將不易測量的合外力沖量通過力傳感器測出，將動量的變化用運動傳感器測出，兩者進(jìn)行比較即可分析出沖量和動量變化的關(guān)系。在研究過程中，教師不僅提高了教研的意識和能力，還積極引導(dǎo)學(xué)生參與科學(xué)研究的意識，教給他們基本的研究方法，這對參與研究的學(xué)生起到了積極的引導(dǎo)作用，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)研究能力。通過教研活動的開展，可以促進(jìn)教師專業(yè)能力和學(xué)生科研能力的發(fā)展，為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。
傳感器與中學(xué)物理實驗的整合是物理新課程提倡的重要內(nèi)容和理念，體現(xiàn)了物理課程與科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，也體現(xiàn)了物理課程內(nèi)容的選擇性和前沿性，其整合研究已經(jīng)成為我國中學(xué)物理實驗改革和研究的重要課題。策略更具普遍意義和方法論意義，開展有效的策略研究將會非常有效地促進(jìn)傳感器與中學(xué)物理實驗整合的研究。
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實施素質(zhì)教育的高中物理實驗教學(xué)是面向全體高中學(xué)生,以物理知識教學(xué)為骨干,以科學(xué)素質(zhì)教育為核心的全方位的教學(xué)。本人試從以下幾點通過高中物理實驗教學(xué)過程的特點說明高中物理實驗教學(xué)如何滲透素質(zhì)教育。
一、發(fā)揮學(xué)生的主體作用
在知識經(jīng)濟(jì)條件下,國民素質(zhì)是綜合國力的重要內(nèi)容,特別是國民的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力,將是一個國家和民族發(fā)展和進(jìn)步的靈魂。這種人才培養(yǎng)模式,要求我們在教學(xué)實踐中要重視學(xué)生的思維能力、科學(xué)創(chuàng)新能力、獨立工作能力、自我學(xué)習(xí)能力等綜合能力的培養(yǎng)。
1.讓學(xué)生主動地參與到知識獲取的過程中
素質(zhì)教育的顯著特點就是使受教育者能主動地學(xué)習(xí)、主動地發(fā)展,這就要求高中物理教師在實驗教學(xué)過程當(dāng)中要充分體現(xiàn)學(xué)生的主體作用,要使學(xué)生積極地參與到知識的獲取過程當(dāng)中,從物理現(xiàn)象的展示、實驗現(xiàn)象的發(fā)生開始,就要讓學(xué)生注意觀察、掌握現(xiàn)象的特征,開始認(rèn)真地思考、猜想、判斷等一系列的思維活動,隨即引導(dǎo)學(xué)生動手進(jìn)行實驗,讓他們親身去體會,試著透過現(xiàn)象抓住事物的本質(zhì)。這樣就能夠使學(xué)生自覺、主動地進(jìn)入到知識獲取的過程之中。
2.課堂的時間和空間盡量多讓給學(xué)生
在空間上,教師要主動讓出自己長期以來一直牢牢控制的主導(dǎo)位置,給學(xué)生空間,讓他們?nèi)ニ伎?、討論問題、探索規(guī)律,從而獲取知識。在時間上,一節(jié)課僅有短暫的40分鐘,時間稍縱即逝,教師若放手讓學(xué)生動手實驗、去討論,就不能在規(guī)定的時間內(nèi)完成教學(xué)任務(wù),這顯然是一個矛盾,要解決這個問題,教師就務(wù)必要控制好時間和課堂節(jié)奏,在環(huán)節(jié)安排上一定要科學(xué)合理。
二、發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用
要想在物理實驗課程當(dāng)中更好的將素質(zhì)教育滲透進(jìn)來,教師應(yīng)做到以下幾點:
合理處理好試驗教材,做到詳略得當(dāng),主次分明,本質(zhì)問題要突出強化,主要問題要單刀直入,防止拖泥帶水,在展示學(xué)習(xí)內(nèi)容時要充分、要展示出實用意義;教學(xué)思路要清晰,層次要清楚,過程要流暢,過渡銜接要自然、要精心設(shè)計;學(xué)生的認(rèn)知水平要掌握清楚,實驗設(shè)計要實事求是、切合學(xué)生實際,提問要有技巧;課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)要嚴(yán)謹(jǐn),前面的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)是后面的“鋪墊”,后面的知識應(yīng)是前面的延伸,做到一環(huán)扣一環(huán),環(huán)環(huán)緊扣。
要不斷變換教學(xué)手段和教學(xué)方法,充分發(fā)揮教師的情感作用,以情感調(diào)動學(xué)生的積極性,以情感強化學(xué)生對物理知識的認(rèn)識。對實驗教學(xué)過程當(dāng)中的突發(fā)事件要有所估計,有所準(zhǔn)備,實驗的準(zhǔn)備要十分充分,實驗環(huán)節(jié)必須交待清楚,實驗中必須力求做到成功,實驗現(xiàn)象要讓每位學(xué)生都能觀察到,觀察現(xiàn)象前必須告知觀察方向,下達(dá)好思考任務(wù)。
三、開展課外小實驗活動,培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力
高中物理試驗課本上除演示實驗和學(xué)生實驗外,還根據(jù)不同章節(jié)的知識特點確定了近20個課外小實驗,本人認(rèn)為將其分布在三年內(nèi)完成仍顯不足。為此本人認(rèn)為,可以聯(lián)系有關(guān)章節(jié)知識,另外增補一部分。
如在《動量》一章里可增設(shè)“用自來水觀察反沖運動”;在《電場》一章里可增設(shè)“靜電屏蔽現(xiàn)象的觀察”;在《光的色散》一節(jié)里可增設(shè)“室內(nèi)彩虹形成”等小實驗,平均每月至少有一個可做。還可將這30多個課外小實驗編成序列,按教材的特點分階段以課外實驗興趣小組為中心組織實施,每個小實驗盡量要求學(xué)生獨立設(shè)計,獨立操作,并獨立完成實驗報告。對于難一些的小實驗,教師可給予一定的提示與指導(dǎo),包括實驗原理、所需器材、操作與觀察要領(lǐng)等。
四、開展科技小制作和撰寫科技小論文活動,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力
將教材上與我們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣盥?lián)系較緊的知識做恰當(dāng)?shù)財U展,引導(dǎo)學(xué)生在課外獨立完成科技小制作。如在學(xué)完電路知識后,學(xué)生可去完成“簡易熱得快自控電路設(shè)計與安裝”“節(jié)日閃爍彩燈電路的設(shè)計與安裝”和“多用電表組裝”等;學(xué)完“磁場”后,學(xué)生可去進(jìn)行“指南針制作”等。
生動有趣的科技小制作和小論文撰寫活動,能夠極大地陶冶學(xué)生們的科學(xué)情趣,培養(yǎng)他們獨立思考、獨立創(chuàng)造、獨立幻想的能力,對他們養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度和良好的科學(xué)習(xí)慣打下了堅實的基礎(chǔ),對他們未來獻(xiàn)身科學(xué)的人生道路也有很大的啟迪。
參考文獻(xiàn):
物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科。實驗是物理探究的重要科學(xué)方法，高中物理實驗教學(xué)的改革應(yīng)當(dāng)關(guān)注探究思想的介入，改變將實驗的功能僅歸于驗證理論和培養(yǎng)動作技能的觀點。2003年3月31日教育部頒布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實驗)》，指出高中物理的課程的基本理念是：①在課程目標(biāo)上注重提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng);②在課程結(jié)構(gòu)上重視基礎(chǔ)，體現(xiàn)課程的選擇性;③在課程的設(shè)置上體現(xiàn)時代性、基礎(chǔ)性、選擇性;④在課程實施上注重自主學(xué)習(xí)，提倡教學(xué)方式多樣化;⑤在課程評價上強調(diào)新觀念，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。課程目標(biāo)從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三個維度提出了要求?？茖W(xué)探究被提到前所未有的高度，科學(xué)探究己經(jīng)成為物理課程的基本理念之一，被列入課程目標(biāo)和內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，同時還被作為重要的教學(xué)建議之一。
基于以上原因，在新課程實施的初期，對新課標(biāo)下物理探究性實驗進(jìn)行研究具有一定的理論和實踐意義，可以為課改和新課程的實施提供參考。
1.物理探究性實驗的定義
物理探究性實驗是為了探求物理知識，學(xué)會一定的物理研究方法等而進(jìn)行的涉及提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進(jìn)行實驗與收集證據(jù)、分析與論證、評估、交流與合作等活動。它是物理領(lǐng)域中的科學(xué)探究。在具體的教學(xué)實施過程中，可以涉及科學(xué)探究的某幾個環(huán)節(jié)，也可以是全過程，分別是“部分探究”和“完整探究”。實驗探究現(xiàn)己成為理科教學(xué)的重要標(biāo)志，也是日前一些發(fā)達(dá)國家的中小學(xué)理科教學(xué)的基本教學(xué)手段和學(xué)生活動的主要形式。
2.物理探究性實驗的設(shè)計原則
2.1主體性原則。整個探究性實驗學(xué)習(xí)活動始終要圍繞學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)—選擇—探究—解決問題這個研究活動過程來設(shè)計，以學(xué)生的活動為中心，放手讓學(xué)生自己去研究、探索，把學(xué)習(xí)活動的主動權(quán)交給學(xué)生，教師在其中只起點撥的指導(dǎo)、領(lǐng)路作用。在設(shè)計探究性實驗時，要充分考慮如何激發(fā)學(xué)生對問題情境或探究內(nèi)容的興趣和探究動機，要保證探究活動過程對學(xué)生的開放性，給學(xué)生提供自主探索、自主創(chuàng)造的機會，讓他們各盡所長，充分發(fā)揮。
2.2目標(biāo)的原則。做每個實驗都要有明確的目的，具體到探究的每一步也要有明確的目標(biāo)。這里的目標(biāo)包括知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三方面。當(dāng)然具體到每個探究性實驗，其目標(biāo)可能有所側(cè)重。只有明確了要達(dá)到的目標(biāo)，探究就有正確的方向，學(xué)生就能在探究過程中經(jīng)受住困難或挫折的考驗，從而對探究過程的艱辛與樂趣體驗得更深刻。
2.3科學(xué)性原則。探究性實驗設(shè)計中的實驗原理科學(xué)、裝置合理、操作程序和方法正確，探究性實驗設(shè)計的全過程都科學(xué)、合理，所采用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、方法、步驟等都有一定的理論依據(jù)或?qū)嵺`基礎(chǔ)，得出的實驗結(jié)論就可能是正確的。在整個探究過程中，要著重培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方法，觀察和記錄實驗的方法，以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，這也正是探究性實驗設(shè)計的宗旨。
2.4趣味性原則。探究性實驗的設(shè)計要充分考慮學(xué)生心理特點和認(rèn)知水平，實驗設(shè)計要生動、有趣，能使學(xué)生在進(jìn)行實驗探究時，自始至終保持很高的興趣。
2.5簡約性原則。簡約性是指要用盡可能簡單的實驗方法和實驗裝置，用較少的實驗步驟和器材，在較短時間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的日的。用簡單易行的、合理的實驗設(shè)計，沖淡學(xué)生怕實驗準(zhǔn)備工作麻煩的情緒;用新材料、新工具降低實驗的操作難度。實驗設(shè)計簡約，裝置簡單，操作簡便，節(jié)約時間，整個實驗過程中沒有過多的干擾，學(xué)生將主要精力集中在探究目的上。簡單就是美，恰當(dāng)?shù)膶嶒炘O(shè)計既突出實驗重點，又沒有冗長的實驗步驟。
2.6互動性原則?，F(xiàn)代教育理論指出，教學(xué)過程是師生交往、積極互動、共同發(fā)展的過程，師生互教互學(xué)形成一個真正的“學(xué)習(xí)共同體”。在教學(xué)中，存在著師生間、生生間的交往。交往的基本屬性是互動性和互惠性。信息交流實現(xiàn)了師生互動，相互溝通、相互影響、相互補充，從而達(dá)到了共識、共享、共進(jìn)。
3.新課標(biāo)下高中物理探究性實驗內(nèi)容的選擇
實驗內(nèi)容是實施物理實驗并使教學(xué)效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的根本。物理實驗中蘊藏著極為活躍的因素，隨時會出現(xiàn)許多學(xué)生意想不到的問題，對與活化學(xué)生學(xué)習(xí)的知識和訓(xùn)練思維有很大的好處。在實際選擇內(nèi)容時要考慮到以下幾個問題。
3.1目標(biāo)的全面性。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)在目標(biāo)上主要強調(diào)知識的獲取，包括一些具體的實驗技能。而探究實驗教學(xué)應(yīng)具有更加全面的目標(biāo)，不僅包括知識方面，而且應(yīng)該包括態(tài)度、情感、能力等諸多方面。按照新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求就是知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀這三個維度的要求。課程標(biāo)準(zhǔn)對科學(xué)探究及物理實驗?zāi)芰σ?，即提出問題、猜想和假設(shè)，制定計劃與設(shè)計實驗，進(jìn)行實驗與收集數(shù)據(jù)，分析與論證、評估，以及交流與合作。
3.2內(nèi)容要在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)。所謂“最近發(fā)展區(qū)”，就是學(xué)生獨立解決問題時的實際發(fā)展水平與學(xué)生在教師引導(dǎo)下解決問題時的潛在發(fā)展水平之間的距離。教師的引導(dǎo)應(yīng)高于學(xué)生原有的水平，否則學(xué)生得不到應(yīng)有的發(fā)展;但也不能差異過大，否則會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)失敗，對學(xué)習(xí)失去興趣。
3.3內(nèi)容要貼近生活、貼近社會。很好地聯(lián)系學(xué)生的生活實際和社會實際，可以提高學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生感到物理就在自己身邊，也可以使學(xué)生在知道和理解物理知識的基礎(chǔ)上，能夠清楚所學(xué)的知識能用于做什么和怎么做，同時對物理的本質(zhì)和價值，有一個正確的認(rèn)識。
3.4內(nèi)容要結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)。新課程標(biāo)準(zhǔn)中的實驗可以分成幾類。
第一類是在表述上有“通過實驗，探究……”等字樣的實驗，是一類基本的探究性實驗，是課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了的。這樣的實驗的例子有以下一些：通過實驗，探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系；通過實驗探究決定導(dǎo)線電阻的因素，知道電阻定律；通過實驗，探究單擺的周期與擺長的關(guān)系。
第二類是在表述上有“通過實驗知道……”“通過實驗認(rèn)識……”“通過實驗了解……”“通過實驗理解……”“經(jīng)歷……實驗過程，了解……”等字樣的實驗。這樣的例子有：通過實驗認(rèn)識滑動摩擦、靜摩擦的規(guī)律，能用動摩擦因數(shù)計算摩擦力；通過實驗了解物體的彈性；通過實驗理解光的折射定律；通過實驗知道常見傳感器的工作原理。對于這樣的一類實驗，可以根據(jù)實際需要，把它們設(shè)計成探究性實驗。
有些課程標(biāo)準(zhǔn)上要求“通過實驗演示……”等字樣的實驗，這類實驗，也可根據(jù)情況設(shè)計成探究性實驗，比如：用錄像片或計算機模擬演示以粒子散射實驗。
還有些實驗是不適合被設(shè)計成探究性實驗的，主要是儀器使用、操作訓(xùn)練等類型的實驗。比如：初步了解多用電表的原理；通過實際操作學(xué)會使用多用電表；以多用電表為測量工具，判斷二極管的正負(fù)極，判斷大容量電容器是否斷路或者漏電。
4.展望
新課程的實施勢在必行，科學(xué)探究作為基礎(chǔ)物理課程改革的基本理念，體現(xiàn)在課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方式、學(xué)習(xí)目標(biāo)和課程評價等方面。實驗是物理探究的重要科學(xué)方法，高中物理實驗教學(xué)的改革應(yīng)當(dāng)關(guān)注探究思想的介入，改變將實驗的功能僅歸于驗證理論和培養(yǎng)動作技能的觀點。從這個意義上說，物理探究性實驗教學(xué)的升展是必然趨勢。在新課程標(biāo)準(zhǔn)下如何更好地進(jìn)行物理探究性實驗的教學(xué)，還有很多問題值得探討，比如，如何安排實驗探究的內(nèi)容、時間，如何對物理探究性實驗進(jìn)行評價，如何開發(fā)物理實驗方面的教學(xué)資源比如實驗室資源、教師人力資源，等等。
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