物理实验教学内容与实践探讨

　　摘要:为了促进教学和科研相辅相成，共同发展，推动物理实验教学发展，需要将科研成果拓展为物理实验教学内容。本教学改革项目从两方面入手，一是在课堂教学中引入最新科学发展前沿内容，二是将高压电晕电场与生物质相互作用引入物理实验课程等。经过3个学期的教学实践发现，将科研成果拓展为实验教学内容，可以更好地吸引学生课堂注意力，激发学习兴趣，增加课堂知识更新率，培养学生在物理实验中寻找科研题目的能力，从而唤醒学生创新意识，提高创新能力，也可对本科生提前进行科研基本素养训练。

　　关键词:科研成果;教学内容;创新实践

　　著名物理学家密立根曾说:“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验，有时一条腿走在前面，有时另一条腿走在前面，但只有两条腿才能前进。”其实对高等教育的发展来说，何尝不也是要靠“教学”和“科研”两条腿来走路，只有这两条腿相辅相成，一起向前，才能推动高等教育的发展。因为教学和科研是高等院校工作中不可分割的两个方面［1］。教学工作是给学生讲授已知的成熟的知识，目前的教学工作已经融合了各种有效的教学手段如翻转课堂、慕课(MOOC)、微课等。通过有效的教学方式把已有的知识讲解明了，使学生对相关知识体系和相应的知识点能把握整体，明了细节，以达到学通、学懂、学会的目的，同时培养学生用已学知识解决实际问题能力，做到学有所用，学为所用;科学研究则是引导学生运用一些科学思维、科学实验、科学方法对未知领域的探索研究，重在培养学生分析解决未知领域问题的科学思维和能力。教学和科研是互相融合、互相促进的关系，正如德国著名学者雅斯贝尔斯所言，尤其重要的是教学要以研究成果为内容，因此教学与研究并重是大学的首要原则［2］。物理学是一门以实验为基础的学科，物理学的实验思想、方法和技术是各学科科学实验的基础，所以物理实验教学是培养创新人才必不可少的组成部分，对学生科学思维、科学实验、科学方法的养成具有重要作用。当前物理学科的迅速发展对物理实验课程的教学提出了新的要求，因此，物理实验内容需要进一步拓展并与最新的科研成果接轨，使最新的科研成果及现代科技渗透到传统的物理实验课程内容之中，将科研成果拓展、融入物理实验课程教学内容之中，激发学生学习物理的兴趣，培养学生创新能力和创新意识，以及用科学思维、科学实验、科学方法解决未知问题能力，这将有助于提高学生综合应用知识的能力、掌握进行科学实验的基本方法，以适应新时代学生的发展要求。为此，近些年，课题组开始将一些科研成果拓展为大学物理实验教学内容，进行系列研究与实践。这方面的教学改革主要从以下两方面入手。

　　1在课堂教学中引入最新科学发展前沿内容

　　大学物理实验中，有些题目比较经典，一直延续了几十年，学生认为这些题目知识比较陈旧，对这些题目的学习兴趣不高。其实可以换个角度考虑问题，因为大学物理实验大部分题目是针对经典物理学中的一些知识内容所设计，不管的物理实验题目多么陈旧，总是可以把实验内容与最新的科学发展前沿领域相联系。既可以让学生觉得实验是有意义的，又可以让学生领略科学研究的进展。

　　1．1磁场分布测量实验中引入科学发展前沿内容

　　在磁场分布测量实验中，给学生介绍我国在合肥建立的强磁场国家中心，特别是强磁场在生物医学中的应用，这就是大家在大学物理实验中认识的磁场的魅力之一。还可以给同学们介绍我国的东方超环，简称EAST。该实验装置是用来实现可控核聚变的。核聚变的燃料是氘和氚，要发生可控制的核聚变反应需要超高温和超高压。大约需要1亿摄氏度。而在如此高的温度下任何固体容器都会化为灰烬。而用来约束这些高温高压的等离子体的物质就是磁场。2016年我国宣布，在全球首次实现了稳定的101．2秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行，等离子体温度达到5000万℃，创造了新的世界纪录，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。这是大学物理实验中认识的磁场的又一魅力。

　　1．2在组合干涉仪实验和固体线膨胀系数测定实验中引入科学发展前沿内容

　　在组合干涉仪实验或固体线膨胀系数测定的实验中，用到了迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊本人也因为这一贡献获得了1907年的诺贝尔物理学奖。2017年，三位来自美国的引力波研究专家雷纳·韦斯、基普·索恩以及巴里·巴里什荣膺当年诺贝尔物理学奖的殊荣，以表彰他们对激光干涉引力波天文台(LIGO)和观测引力波所做出的决定性贡献。LIGO是laserinterferometergravitationalwaveobserv-atory的缩写，是借助于激光干涉仪来聆听来自宇宙深处引力波的大型研究仪器。截至目前，LIGO由两个干涉仪组成，每一个都带有两个4千米长的臂并组成L型，它们分别位于相距3000千米的美国南海岸Livingston和美国西北海岸Hanford。每个臂由直径为1．2米的真空钢管组成。换句话说，LIGO就是一个放大版的迈克尔逊干涉仪。1916年，爱因斯坦提出了广义相对论，他认为任何有质量的物体加速运动都会对周围的时空产生作用，这个作用就是以引力波的形式发生的。三位美国物理学家也因利用改进后放大版的迈克尔逊干涉仪探测到了引力波，从而证明了100年前爱因斯坦广义相对论的正确性。爱因斯坦和他的广义相对论，同学们都是熟悉的，引入这样的科学发展前沿内容可以引起学生对这两个实验题目的兴趣和好奇，而好奇可以推动学生理解背后原理。

　　1．3在熵和热机实验中引入科学发展前沿

　　在热机效率实验中，熵的概念比较抽象难懂，引入了美国宾夕法尼亚大学物理和天文系的几位科学家合作的一个有趣的实验。实验结果在物理学的顶级期刊《物理评论快报》上发表。科学家先将一个直径只有0．474微米“大球”放入梨形容器里。通过长时间多次光学摄影观察，发现到这个大球可以出现在这个容器中任何一处。接下来，又将很多的更小的球(0．084微米)放了进去。这时候，从摄影照片看，大球基本上只能待在边上了。这个结果是如何发生的呢?其实，这样的结果是由于熵力(entropy)的作用。熵是表征体系自由度的一个物理量。容器中的大球、小球都在不停地做随机运动，同时小球也在不停地从各个方向撞击着大球。每一时刻，大球在不同方向上受到的小球撞击一般来说是不一样多的(因为容器是有限大小的)，大球就会因为受力的不同而向某个方向运动。当大球碰到了容器壁的时候，阴影部分面积就减小了，因为大球周围的阴影部分和容器壁的阴影部分面积有了重叠。这说明，小球可以去的地方就变大了一些。那么体系的自由度也就变大了。物理规律说一个封闭的体系总是要趋向于熵最大，也就是熵增加原理，这说明封闭体系更喜欢自由度大的情况。这样一来，大球由于受这个规律的制约就跑到容器边缘上待着。经过教师这样讲解，同学们对熵增加原理就有了较深体会和认识，也增加了大学物理实验的趣味性。

　　2将高压电晕电场与生物质相互作用引入物理实验课程

　　近年来，课题组共承担3项有关高压电场与生物质相互作用的国家自然科学基金项目和5项内蒙古自治区自然科学基金项目。同时还承担2项有关科研与教学促进方面的内蒙古工业大学教学改革项目。在这些项目基金的资助下，教学改革取得了一些成果，在近年将高压电晕电场与生物质相互作用研究取得的系列成果转化为《物理兴趣与创新实验》选修课及《大学生创新实验》课程的一个教学内容，以构建具有综合物理及生物学知识、强化实验技能训练和将基础知识运用于科技前沿研究特点的实验教学模式。这样不仅使教学内容更加新颖，而且也使学生消除了对科研的神秘感，提高了学习积极性，开阔了思路，培养了创新意识。

　　2．1将电场干燥技术拓展为物理实验教学内容

　　高压电场干燥技术［又称为Electrohydrodynamic(EHD)干燥］是一种新型的干燥技术，它是通过将被干燥物料放在下极板上，然后给上极板(平板、针状、线状等不同形状82的电极)加一定幅度的直流或交流高电压，在两电极间形成电晕电场实现物料干燥。日本的浅川1976年就发现了“浅川效应”，即在高压电场下，水的蒸发变得十分活跃，施加电压后水的蒸发速度加快，并认为电场消耗的能量很小［3］。但一直到了20世纪80年代末期这个现象才受到重视，人们逐渐研究起来，并且放到了一个新兴学科里面———电流体动力学［Electrohydrodynamic(EHD)］。本文作者丁昌江教授通过高压电场干燥技术对多种物料进行研究，发现高压电场干燥不但干燥速度快，而且具有能耗低、不污染环境、干燥均匀、物料不升温、还可杀灭细菌的优点，并能很好的保存物料的有效成分［4］。与对流干燥和冷冻干燥相比，该技术具有设备设计简单、造价低、运行费用低等优点［5］。拓展的物理实验教学内容为:对高压电场干燥枸杞过程当中的一些参数(如电压参数、干燥速度、含水量、电极形状等)进行比较细致、系统地统计，得到比较全面地枸杞在高压电场中的干燥特性数据;对干燥后枸杞干制品的一些指标(如颜色、收缩率、复水率等)进行测定，对干制品的品质进行分析，及不同电压参数下品质的比较，找到品质和电压之间的规律。同时，让学生对高压电场干燥技术机制有初步的了解，并鼓励学生探索其他机理解释。

　　2．2将分析电晕放电产生的低温等离子诊断拓展为物理实验教学内容

　　高压电晕电场是指能产生局部电晕放电的电场。在非均匀电场中，电极的尖端处电力线最集中，电场强度也最大。当加上高压后，由于空气游离会在电极附近产生局部放电———电晕放电。近年来，这一技术被拓展应运于生物诱变及转基因［6-9］。近期课题组又申请了专利，国家专利局已授权实用新型专利。多针-板电晕电场可以产生电晕放电，而电晕放电可以使空气电离产生较多低温等离子体，这些等离子体由OH、H2O2、O、N+、N2+、O2-等自由基、活性原子和正负离子组成，这些低温等离子体在电场作用下会被加速而形成离子风，进而与处于电场的物质发生相互作用。作者认为，正是电晕放电才引起生物诱变，所以对电晕放电产生的等离子体进行诊断，揭示不同电场参数下电晕电场中产生的低温等离子体的各种参数，电晕放电所产生的低温等离子体对高压电晕电场诱变效应的贡献率。拓展的物理实验教学内容为:用发射光谱仪测量不同放电时间、不同电压、不同电极间距、不同环境湿度下针板电晕电场所产生等离子体中的物种成分、空间分布、粒子相对密度等多种重要参数，进而让学生了解处于此种电场中的生物体受电晕放电所产生的低温等离子体的影响程度。

　　3结论

　　总之，为了突出“教学”和“科研”两条腿相辅相成走路，推动物理实验教学的发展，尝试了以上两种方法。这样改革将最新的科研成果或项目渗透到传统的物理实验课程内容之中，注重物理学和生物学的交叉，将有助于提高学生综合应用知识的能力。另外，高压电晕电场与生物体相互作用研究是实验中心教师的主要科研方向之一，通过将教师的部分科研成果转化为物理实验教学内容具有一定特色。学生的实验教学内容与科研、工程、社会应用实践密切联系，使学生掌握进行科学实验的基本方法，激发学生学习物理的兴趣，培养学生创新能力和创新意识。

　　作者：宋智青 丁昌江 陈浩 单位：内蒙古工业大学理学院