在物理实验教学中培养大学生的科学精神
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作者:张璇 韩哲 黄洪云
摘要：物理实验课课程是学生进入大学阶段学习的第一门实验课程，是学生进行实验技能训练的开端，本研究把物理学史、哲学思想引入物理实验课程，同时通过应用网络教学平台、开放实验、改革考核方式等变革，以实现物理实验课程培养大学生的创新精神、严谨求实精神、团结协作精神和无私奉献精神。
关键词：物理实验；培养；科学精神
大学物理实验课程是学生在大学阶段学习其他实验课程的基础，在物理实验课程的学习过程中培养用严谨的思维和科学的实验理念解决理论问题，培养学生的实验能力和创新精神，教会学生用科学精神面对未来的学习和挑战。科学精神是一个传统的概念，其内涵概括起来应该有以下几点：一是不断追求真理，勇于超越前人的创新精神；二是尊重客观规律，严谨求实的精神；三是互助友爱，紧密团结的协作精神；四是刻苦钻研，默默付出的奉献精神。科学精神是人们在学习和科学研究活动中必须具有的品质，科学精神也是科学研究活动取得重大突破和成就的精神源泉。
1引入物理学史培养大学生的科学精神
物理学史本身就是一部闪耀着哲学光辉的学科，包含丰富的教育思想和理念的著作，在物理实验课程当中引入物理学史的物理实验课程改革的重要内容，以实现物理学史对学生科学精神培养方面的教育意义和价值。如光电效应实验是近代物理重要的实验项目之一，在讲授此实验时引入光电效应发现的历史背景，一定频率入射光照射金属表面会有光电子逸出，最早是在1887年德国物理学家赫兹发现的，但当时他不能解释的现象是当紫外线照射金属表面更易发生光电效应；哈尔瓦克在1859年做了一系列实验证明了光电子逸出金属表面起作用的是紫外线，且金属表面逸出的肯定是负电荷；在前人工作的基础上德国物理学家勒纳德通过磁偏转法证明了光电效应的重要性质光电子数目随光的强度增加而增加，可是光电子的动能只与光的频率有关，与光的强度无关，并在1905年获得了诺贝尔物理学奖。通过光电效应实验及相关理论的发展过程和不断完善，同学们追求真理，勤奋学习，具备不断超越前人的创新精神。
验证牛顿第二定律的实验中，介绍相关的物理学家牛顿，牛顿虽然不是一名实验者，但他善于思考问题，他像爱因斯坦一样在脑海里进行实验过程，他会非常专注地想一件事情很久，直到得出理想的答案为止，正如牛顿所说：“把问题摆在面前，然后开始等待，一直等到出现第一缕曙光，接着渐渐变得清晰，最后豁然开朗。［1］”一直困扰牛顿的一个问题就是“物体的运动是什么力维持的？”他在伽利略的自由落体运动定律和开普勒的天体运动定律的基础上，集中精力研究、思考，废寝忘食地刻苦钻研，终于在1666年，牛顿创立了牛顿运动三定律，这些定律除了能解释日常生活的许多现象之外，还为微积分的发明和地球引力的发现创造了必要条件，1684年让・皮卡尔精确地计算了地球的半径和质量，在此基础上，牛顿利用物体运动三定律和重力方程式准确计算了行星运动的真实轨迹［2］。
物理学家和物理学史是物理实验教学的一部分，是重要的教学资源，学生通过学习物理学史会更深刻的了解伟大的物理学家伽利略、牛顿、爱因斯坦、居里夫人［3］……，但真正触碰学生精神的是物理学家们的精神，他不屈服于权威，努力探索追求真理，勇于创新，为实证自己的想法紧密合作，严谨求实，他们为了国家的科学研究和社会进步甘愿奉献一切。
通过物理学史的引入和学习，学生会更深刻理解重大科学成就和研究成果的背后，是无数科学家追求真理创新、坚贞不屈的毅力、艰苦卓绝的奋斗。通过物理学史培养大学生不畏惧困难、勇于登攀、渴望真理、严谨求实、通力合作和勇于献身的科学精神。而现在的大学生在学习生活中遇到困难就会生畏，缺乏坚韧不拔的精神和毅力，通过物理学史的学习，使他们增强克服困难的信心和主动学习的精神并激发爱国热情。
2引入哲学思想培养大学生的科学精神
物理实验课程设置的实验项目就是检验相关理论，由于科学技术的不断进步，总会有现有理论不能解释的现象，面对这样的选择我们能做的就是坚持实事求是，如学生做改装电流表的实验时，根据测量改装表的内阻计算分流电阻的阻值，能按照老师的要求正常操作，但测量的实验数据常常有很大误差，要求学生逐一排除实验仪器，找到实验误差所在；实证改装电流表存在问题，误差的根源在于实验用改装表内阻值测量不够精准或分压用电阻箱阻值不够精准，而电阻箱阻值不够精准的原因是由于实验室温度、湿度影响和设备长期闲置。通过具体实例告诉学生要坚持实事求是，尊重客观规律，去追求客观真理。
学生要坚持实事求是的思想去对待物理世界，同时也要让学生深刻意识到物理世界的对立统一，如质量和能量、引力和斥力、波动性和粒子性。同时物理世界充满了相对性，如对不同的参考系物体的运动状态是不一样的，物理定义、规律的相对性，如验证机械能守恒定律，它是动力学中的基本定律，即任何物体系统如无外力做功或外力做功之和为零，系统内又只有保守力做功时，则系统的机械能保持不变。所以学生要学会从不同的角度看问题，看问题的角度不同会得到不同的结论，教会学生在绝对和相对的对立统一关系中了解发展的动力源泉、根本内容和实在过程，并在此基础上严谨求实、开拓创新。
3教学改革培养大学生的科学精神
3.1应用网络教学平台
物理实验课的上课环节分为课前预习、课上实验、课后作业及答疑、结课考核，随着互联网技术的高速发展，把这些高科技教学手段应用到物理实验课的各个环节，可以达到事半功倍的效果。
物理实验上课前要求学生对实验进行充分的预习，并写好预习报告，如果学生预习的参考资料匮乏，预习困难，原因在于对实验中用到的仪器设备一无所知，而且参考课本上实验设备的描述和图片是抽象模糊的，很难达到预习的理想效果，为了解决预习环节遇到的种种问题，我们开通了网络教学平台，在这个平台上传3D视频，学生通过视频了解复杂实验设备的基本结构、工作原理、使用方法、注意事项等，这样学生会对相关实验设备的应用了如指掌，为课上实验做好理论和应用基础，同时学生会心情愉悦、信心满满地去上课，将会取得更好的实验效果和教学效果。
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学生课上实验主要是以操作为主，操作过程中学生会出现问题，操作基本完成后，不会急于告诉学生问题所在，而是以小组形式集中讨论操作过程中出现的问题，要求每个学生各抒己见，并评选最佳小组，以培养学生的团队合作精神和集体荣誉感。讨论结束后，学生发现的问题是否正确，需要自己来验证，要借助于网络平台的仿真实验平台和MOOC平台，学生根据视频演示实验找到自己操作过程中的错误和不当之处，集中总结并纠正，在课上集中改正操作，并获取正确的实验数据，若时间不允许学生纠正或重做实验可以在下次上课之前的开放实验环节完成，所以借助于网络学习平台学生更精准地掌握每个实验和相关实验设备的原理及使用，为以后的实验过程做好理论基础和应用基础，同时培养学生的语言表达能力、团队合作精神、集体荣誉感。
实验项目完成之后，要求学生课后对实验数据进行不同方法的处理、误差计算及相关误差分析，有部分学生也会存在相关问题，要求老师及时指导和解答，此时我们会借助微信公众号，实现了与学生随时通信，及时解决问题，充分利用课余时间，实现翻转课堂。老师除了通过微信平台上传实验教材、实验报告、相关图片等，最重要的是学生在课后实验数据的处理过程中遇到问题，可以通过语音、图片、视频及时与老师和同学交流沟通，老师可以对同学们存在的共性问题集中解答，从而实现老师学生的合作交流，提高学生的严谨求实精神、团结合作精神，同时学生可以通过微信平台随时查阅资料、交流、提问，这样学生能充分利用碎片化的时间和课余时间，使学生能精确掌握所学知识，能及时解决问题，实现翻转课堂，同时增强了学生的自信心和奉献精神。
大学物理实验网络教学平台，除了上传相关实验的理论知识，相关仪器设备的应用及原理的3D视频，MOCC视频，开通微信公众号，加深学生对理论知识和实验的理解，利用平台给学生提出问题、设计相关实验项目，要求学生进行交流、合作；利用平台查阅相关资料，完成问题、加深了学生对所学内容的理解，可以更牢固地掌握基本原理和实验方法；在设计实验中学以致用，课后讨论解决问题，利用碎片化的时间完成课堂反转，提高教学效果和效率，提高学生学习的兴趣，增强他们的自信心和解决问题的能力。
3.2进行开放实验
开放的实验项目主要有两部分，一是课上实验存在问题，通过讨论之后没有纠正，或者实验有项目操作过程比较烦琐，课上时间无法做到游刃有余，比如说分光计实验测定三棱镜的顶角最难的地方就在分光计的调试和使用上，大部分学生经过课下预习和课上实验不能很好地把握，需要课下反复调试，学生熟悉之后会对学生提出新的要求，如分光计课上要求学生测量三棱镜的顶角，开放实验学生更加熟悉分光计的使用之后，要求学生测量三棱镜的折射率，这样的实验项目会定期对学生开放，来解决课上遗留的问题，同时也加深了对实验理论的理解和对实验仪器的熟练使用，以达到更好的学习效果；另一部分是开放设计性实验，由于实验学时和上课时间的限制，每个学期课只开设一个设计性实验，为了培养学生思维和独立解决问题的能力，充分利用实验室资源，在网络教学平台给同学们提出设计性实验的要求，通过小组查阅资料和集体讨论，完成相关的设计性实验项目。目前设计性实验主要在光学平台上完成，实验项目有自组望远镜、测量凸透镜焦距、平行光的产生与检验、偏振光的产生与检验；通过开放实验学生的思维能力、动手能力、解决问题的能力会大幅提升，在此基础上组织学生参加校级物理实验竞赛和省级、国家级的物理实验比赛，每一项比赛都是设计性实验，且由小组合作完成，这正是21世纪高科技信息时代对人才提出的新要求，团结协作精神是时代的需要，我们必须在物理教学倡导与他人合作的科学精神［4］，实行实验室开放，参加各级实验竞赛，鼓励学生根据现有的实验条件进行设计研究，实现团结协作克服困难；同时可利用互联网技术实现不同专业、不同学校间大学生的团结协作，高校学生的相互协作有利于更好地发挥个人才能，更容易取得个人成功。
3.3改革考核方式
物理实验课为考查课，一般考核方式都非常简单，比如写一篇学习心得或完成一份实验报告等，这样限制了学生学习的积极性，所以要提高学生的积极性，要对大学物理实验课程考核方式进行改革。把学生的实验能力、操作能力和解决问题的能力作为主要的考核指标，新的考核方式摒弃掉了一份实验报告来决定学生最终成绩的片面的考核方式。参加考核的学生抽签实验操作，限时完成，当场打分，操作成绩会占总成绩的40%；另外进行的是一个多元化的考核方式，实验中的每个环节都会占考试成绩的一定比例，如预习实验10%、课上操作10%、课上讨论10%、课下数据处理10%、开放实验10%、实验竞赛10%，这样每个环节都不会被忽视，学生也会尽力做最好的自己，提升学生在学习环节中的主体作用，提高了学生实验探索精神、数据处理能力、思维能力、数据分析能力和创新能力。同时考核的好多环节是以小组的形式合作完成的，这样增强了学生互相交流的信心和团队合作精神，这是新时代科学精神的基本要求，为学生将来工作中的合作和交流提供基础保障。
结语
物理学与哲学有着密切相关的关系，物理学曾被称为自然哲学，也就是物理学是哲学的一部分，牛顿运动三定律和万有引力定律都来源于牛顿的哲学巨著《自然哲学的数学原理》［5］；通过物理学史的学习，学生知道许多物理学的新理论与哲学思想有解不开的渊源，同时物理学理论又反作用于相关哲学思想，物理学的发现给哲学思想提供重要论证依据，而哲学则为物理学指明了前进的方向，如能量守恒定律发现的基础是康德哲学，同时能量守恒定律是康德哲学成为辩证唯物主义的重要依据，所以将物理学史和哲学思想引入物理实验课程是由它们之间密切的关系决定的，这样能让学生了解相关物理理论的源头，使学生融会贯通地学习，才能做到应用自如，还能更好地掌握科学知识，从而更加有效地服务人类和社会。物理实验是研究物理理论、定律的重要手段，长期以来物理实验轻视了学生实验操作能力、实验思想、创新思维等各方面能力，重视物理实验教学，研究改革并有效实施合理的物理实验考核方案，对培养学生追求真理不断创新、实事求是不断求证、团结协作无私奉献的时代精神都有重要意x。
参考文献：
［1］浩斯巴雅尔，张建忠.物理学的美学价值及其教育功能［J］.内蒙古师范大学学报，2005.
［2］刘甲珉.论物理学的教育价值［J］.曲阜师范大学学报，2001.
［3］韩汝取，李晓喜，褚艳秋，等.大学物理实验教学模式改革探索与研究［J］.物理通报，2021.
［4］秦立山.翻转课堂在大学物理实验教学中的应用［J］.济南职业学院学报，2020.
［5］解玉鹏，王玉祥，盖啸尘.以能力培养为导向的大学物理实验教学改革［J］.大学物理实验，2021.
基金项目：2021―2022年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目，“新工科背景下大学生物理实验创新能力研究与实践”（项目编号：2021GJJG568）；唐山社科联2022年课题：高校物理学科教学中“立德树人”落实机制探析（编号：TSSKL2022209）
作者简介：张璇（1982―），女，汉族，河北唐山人，本科，实验师，研究方向：物理教育。
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