时间：2022-10-22 02:40:52
序论：在您撰写静电场描绘实验报告时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
【实验目的】
1.学习用模拟法测绘静电场的原理和方法。
2.加深对电场强度和电位要领的理解。
3.用作图法处理数据。
【实验仪器】
静电场描绘仪、静电场描绘仪信号源、导线、数字电压表、电极、同步探针、坐标纸等。
【实验原理】
在一些科学研究和生产实践中，往往需要了解带电体周围静电场的分布情况。一般来说带电体的形状比较复杂，很难用理论方法进行计算。用实验手段直接研究或测绘静电场通常也很困难。因为仪表(或其探测头)放入静电场，总要使被测场原有分布状态发生畸变;除静电式仪表之外的一般磁电式仪表是不能用于静电场的直接测量，因为静电场中不会有电流流过，对这些仪表不起作用。所以，人们常用“模拟法”间接测绘静电场分布。
1、模拟的理论依据
模拟法在科学实验中有极广泛的应用，其本质上是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程的研究，以代替不易实现、不便测量的状态或过程的研究。 为了克服直接测量静电场的困难，我们可以仿造一个与静电场分布完全一样的电流场，用容易直接测量的电流场模拟静电场。
静电场与稳恒电流场本是两种不同场，但是它们两者之间在一定条件下具有相似的空间分布，即两场遵守的规律在形式上相似。它们都可以引入电位U，而且电场强度E=-U/l;它们都遵守高斯定理:对静电场，电场强度在无源区域内满足以下积分关系
∮E·ds = 0 ∮E·d l = 0
对于稳恒电流场，电流密度矢量J在无源区域内也满足类似的积分关系
∮J·ds = 0 ∮J·d l = 0
由此可见，E和J在各自区域中满足同样的数学规律。若稳恒电流空间均匀充满了电导率为σ的不良导体，不良导体内的电场强度E′与电流密度矢量J之间遵循欧姆定律
J=σE′
因而，E和E′在各自的区域中也满足同样的数学规律。在相同边界条件下，由电动力学的理论可以严格证明：像这样具有相同边界条件的相同方程，其解也相同。因此，我们可以用稳恒电流场来模拟静电场。也就是说静电场的电力线和等势线与稳恒电流场的电流密度矢量和等位线具有相似线的分布，所以测定出稳恒电流场的电位分布也就求得了与它相似的静电场的电场分布。
2、模拟条件
模拟方法的使用有一定条件和范围，不能随意推广，否则将会得到荒谬的结论。用稳流电场模拟静电场的条件可归纳为几点：
(1)稳流场中电极形状应与被模拟的静电场的带电体几何形状相同。
(2)稳流场中的导电介质应是不良导体且电阻率分布均匀，并满足σ
才能保证电流场中的电极(良导体)的表面也近似是一个等位面。
(3)模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同。
3、同轴圆柱形电缆的静电场
利用稳恒电流的电场和相应的静电场其空间形成一致性，则只要保证电极形状一定，电极电位不变，空间介质均匀，在任何一个考察点，均应有U稳恒=U静电，或E稳恒电极≥σ导电质=E静电。下面
图 1
以同轴圆柱形电缆的“静电场”和相应的模拟场—“稳恒电流场”来讨论这种等效性。如图10(a)所示，在真空中有一半径a的长圆柱导体A和一个内径b的长圆筒导体B，它们同轴放置，分别带等量异号电荷。由高斯定理可知，在垂直于轴线上的任何一个截面S内，有均匀分布辐射状电力线，这是一个与坐标Z无关的二维场。在二维场中电场强度E正平行于xy平面，其等位面为一簇同轴圆柱面。因此，只需研究任一垂直横截面上的电场分布即可。
距轴心O半径为r处(图1(b))的各点电场强度为
E 20r
式中λ为A(或B)的电荷线密度。其电位为
UrUaEdrUaarr1n (1) 20a
Ua 201na若rb时，Ub = 0则有
代入式(1)得 UrUa
距中心r 处场强为 Er1n(b/r) (2) 1n(b/a)UadUr1 (3) dr1n(b/a)r
其中A、B间不是真空，而是充满一种均匀的不良导体，且A和B分别与电流的正负极相连，见图2同轴电缆模拟电极间形成径向电流，建立一个稳恒电流场Er。可以证明不良导体中的电场强度Er与原真空中的静电场Er是相同的。
4、同轴圆柱形电级间的电流场
取厚为t的圆柱形同轴不良导体片来研究，材料的电阻率为ρ则半径r的圆周到半径为(r+dr)的圆周之间的不良导体薄块的电阻为
dRdr (4) 2tr
半径r到b之间的圆柱片电阻为
Rrbbdrb1n (5) r2tr2tr
由此可知半径a到b之间圆柱片的电阻为
(a)
图2 同轴电缆模拟电极 Rabb1n (6) 2ta
若设U0 = 0，则径向电流为
IUa2tUa (7) Rab1n(b/a)
1n(b/r) (8) 1n(b/a)距中心r处的电位为 UrIRrbUa
则稳恒电流场Er′为
UadUr1Er (9) dr1n(b/a)r
可见式(2)与式(8)具有相同形式，说明稳恒电流场与静电场的电位分布函数完全相同。即柱面之间的电位Ur与1nr均为直线关系。并且(Ur/Ua)相对电位仅是坐标的函数，与电场电位的绝对值无关。显而易见，稳恒电流的电场E′与静电场E的分布也是相同的。因为EdUrdUrE (10) drdr
实际上，并不是每种带电体的静电场及模拟场的电位分布函数都能计算出来，只有在σ分布均匀几种形状对称规则的特殊带电体的场分布才能用理论严格计算。上面只是通过一个特例，证明了用稳恒电流场模拟静电场的可行性。
5、电场的测绘方法
由(10)式可知，场强E在数值上等于电位梯度，方向指向电位降落的方向。考虑到E是矢量，U是标量，从实验测量来讲，测量电位比测定场强容易实现，所以可先测绘等位线，然后根据电力线与等位线正交原理，画出电力线。这样就可由等位线的间距，电力线的疏密和指向，将抽象的电场形象地反映出来。
静电场描绘仪(包括水槽、双层固定支架、同步探针等)，如图3所示，支架采用双层式结构，上层放记录纸，下层放带电极水槽。并将电极引线接出到外接线柱上，电极间有电导率远小于电极且各向均匀的导电介质水。接通交流电源就可进行实验。在导电玻璃和记录纸上方各有一探针，通过金属探针臂把两探针固定在同一手柄座上，两探针始终保持在同一铅垂线上。移动手柄座时，可保证两探针的运动轨迹是一样的。由水槽上方的穿梭针找到待测点后，按一下记录纸上方的探针，在记录纸上留下一个对应的标记。移动同步探针在水槽中找出若干电位相同的点，由此即可描绘出等位线。
使用方法：
(1)接线
静电场测试仪信号源的输出接线柱与电极接线柱相连，将探针架放好，并使探
针下探头置于放有电极的水槽中，开启开关，指示灯亮，有数字显示。电压表示值图3 K为电场中某点对负极的电压值。
(2)测量
调节静电场测试仪电源前面板上电压调节旋钮，将开关K打在电源电压上，电表显示所加的电压值，单位为伏特，一般调到10V，便于运算。然后将开关打在测量，横移动探针架，数显示表示值随着运动而变化，从而测出每条等位线上的几个电压相等的点。
(3)记录
在描绘架上铺平坐标纸，用螺钉夹住，当电压表显示读数认为需要记录时，轻轻按下记录纸上的探针并在坐标纸上，记录电压，为实验清楚快捷，每等位线不少于8个点，然后用光滑曲线连接即可。
【实验内容】
1、长直同轴圆柱面电极间的电位分布
(1)将电极水槽中加入适量的水，然后把它放在上层静电场描绘仪的下层;
(2)按图连接好电路，电压表及探针联合使用。
(3)把坐标纸放在静电场描绘仪的上层，并用四个螺钉夹好。
(4)调节静电场描绘仪的电源(大约10V)。
(5)移动探针座使探针在水中缓慢移动，用数字电压表测量电位差，找到等位点时按下坐标纸上的标记指针，做出标记。分别作出6V、5 V、4 V、3 V、2V的五条等位线，每条等位点不得少于8个。
(6)根据等位点描绘等位线，并标出每条等位线的电位。
(7)根据电力线和等位线垂直的提点，描绘被模拟空间中的电力线。
2、不规则电极间电位分布
(1)将水槽中的电极更换成两圆柱面型。
(2)重复内容一中的操作，分别作出8V、7 V、6V、5 V、4 V、3 V、2V的7条等位线。
【数据记录与处理】
1、同轴圆柱面型电极间电位分布
(1)根据等位点描绘被模拟空间中的等位线。
(2)根据电力线和等位线垂直的提点，画出被模拟空间中的电力线。 (3)测量每条电位线的半径计算对应的电位理论值，并与实验值比较计算相对误差，将数据填入以下表格。
表：Ua V a mm b mm
(1)根据等位点描绘被模拟空间中的等位线。
(2)根据电力线和等位线垂直的提点，画出被模拟空间中的电力线。 注意：将图线粘贴在实验报告上
【思考题】
(1)用模拟法测的电位分布是否与静电场的电位分布一样?
(2)如果实验时电源电压有效值不稳定，那么是否会改变电力线和等位线的分布?为什么?
(3)试从你测绘的等位线和电力线分布图，分析何处电场强度较强，何处电场强度较弱。
【注意事项】
(1)水槽由有机玻璃制成的，实验时要轻拿轻放，以免破碎。
(2)水层厚度要保持一致，即水槽要水平放置，以保证导电介质的均匀性，且水不要过多也不要过少，水面要到达探针但不要淹没电极。
关键词： “用描迹法画出电场中平面上的等势线”实验 描绘电场等势线实验演示器 灵敏电流计 改造
高中二年级物理的学生实验“用描迹法画出电场中平面上的等势线”，在实验中有的班级的学生对灵敏电流计损坏很严重，如何避免这种情况呢？我对灵敏电流计损坏的原因进行了深入的分析，终于找出了这个问题的主要原因：描绘电场等势线实验演示器的设计有一个小小的不合理的地方。后来我对所有的描绘电场等势线实验演示器进行了一个小改造，学生的实验使用情况表明：灵敏电流计得到了很好的保护。下面介绍一下我的做法。
先介绍一下这个实验。这个实验的目的是用描迹法描绘电场中平面上的等势线。其原理与方法是：直接描绘静电场中的等势线是比较困难的，但由于稳恒电流场遵从的规律在形式上和静电场相似，因此可以利用导电纸中的恒定电流场模拟真空中的静电场。具体的做法是将和静电场中带电体相同形状的电极，按带电导体的分布位置放在均匀的导电物质中，导电物质应是导电率不大的不良导体（导电纸）。在电极上加上一定电压（直流6伏）以后，导电物质中将形成稳定的电流场。实验中确定等势点的根据：当两点电势相等时，连接该两点间的导线上就无电流通过，否则将有电流从高电势点流向低电势点。所以当在电流场中与导电纸接触的两探针尖端的电势差为零时，与探针相连的电流计中通过的电流强度为零，从而可以通过探针找出电流场中的等势点，并依据等势点描出等势线。这个实验将要用到的实验器材有：1.灵敏电流计；2.导电纸一张；3.直流6伏的电源；4.电极一对连导线；5.电键一只；6.描绘电场等势线实验演示器；7.复写纸一张；8.白纸一张；9.导线两对。其实验步骤如下：
（1）在描绘电场等势线实验演示器上按顺序铺上白纸、复写纸、导电纸各一张。
（2）在导电纸上压上电极，接好电路。
（3）画两电极间的连线作为基准线，在基准线上大至分成六等分，得到五个基准点。
（4）合上开关后，将一个探针固定压在一个基准点，另一个探针在基准线的两侧移动，观察电流表的指示，当移到某点电流计示数为零时，此点即为基准点的等势点，稍用力将这点的位置复印到白纸上。如此在基准线的两侧各找5―7个等势点。
（5）换上另一个基准点后继续找该基准点的等势点，直到所有基准点都在基准线两侧找到5―7个等势点为止。
（6）取出白纸，沿各个基准点的等势点连成平滑的等势线，并依据等势线绘出若干条电力线。
从整个实验看，实验过程中必需注意：
（1）导电纸有导电物质的一面应该向上，这样电路才能保证畅通。
（2）在探测与某一基准点电势相等的其它各点时，与该基准点相接触的探针要固定不动，这样电势才能保证不变。
（3）一根探针固定不动，另一根探针的跨度不要太大，以免两探针间的电势差太大而烧坏灵敏电流计；绝不允许将两探针分别同时触到两电极或两接线柱，因为两电极及两接线柱间的电势差很大，这样会立刻导致灵敏电流计烧毁。
从整个实验来看，最容易损坏的仪器是灵敏电流计。灵敏电流计的量程是很小的，其测量范围为-300微安―0―+300微安，两档压降分别为30毫伏和750毫伏，允许通过的电流是很小的，稍大的电流、电压都可以使其烧毁。如何保护好灵敏电流计是这个实验要切实注意的问题。实验表明，将两探针分别同时触到两电极是灵敏电流计被烧毁的主要原因。所以教师要在学生别强调第三点注意事项，讲清楚道理并要求学生切记。
教师强调了注意事项，学生对仪器的损坏会减少，但还是难免会有个别学生将两探针分别同时触到两电极而使灵敏电流计被烧毁。如何杜绝这种现象发生呢？当我们细心地观察整个实验电路及仪器，就会发现描绘电场等势线实验演示器正面的两个电极及两接线柱的侧面是的。当给描绘电场等势线实验演示器接上直流6伏的电源时，两个电极及两接线柱的侧面都带上6伏的直流电，远远超过灵敏电流计的最大压降750毫伏，所以只要将两探针分别同时触到两电极或两接线柱，灵敏电流计马上就会被烧坏。第一次做这个实验的学生心里总有一些慌张，操作实验时对教师强调的问题也容易忘记；或者有个别学生根本就没有听课，做实验时就乱来一通。这些情况都可能导致有学生将两探针分别同时触到两电极或两接线柱而使灵敏电流计烧毁。对于这种情况，要想出一个办法：即使学生将两探针分别同时触到两电极或两接线柱也不会使灵敏电流计烧毁。所以必须对描绘电场等势线实验演示器进行改进。描绘电场等势线实验演示器的两个电极及两接线柱的侧面是的，当接上电源时是通电的。只要在两个电极及两接线柱的侧面涂上一层油漆，当学生将两探针分别同时触到两电极或两接线柱时，油漆的绝缘作用会使两探针不再带电，就能保护灵敏电流计。
我对描绘电场等势线实验演示器中设计不合理的地方进行了小小的改造，使“用描迹法画出电场中平面上的等势线”实验更易成功，仪器得到了更好的保护。
参考文献：
新课标背景下的物理课堂要体现学生的自主性学习，其奥秘在于“师生角色的转换”，变学生的被动学为学生课堂上的主动参与。让学生亲身去经历知识的形成过程，在欢快的课堂氛围中学会学习，学以致用。物理本身是一门以实验为基础的学科，物理的很多定理或定律来源于实验，一个物理实验就是一个物理情景。
在平时的物理教学中，把知识还原成生活之中的小实验，在生活中体会物理知识。在实验的过程当中，我们要让学生自己探索知识的形成过程，利用贴近生活的实验来激活学生的出现思维，激发学生的创造力。在实验设置的过程中，如何让学生亲身参与？根据几年的教学实践，笔者在实验改进上进行了大胆的尝试，收到了很好的效果。它不仅能激发学生学习物理的兴趣，充分调动学生的积极性，而且能帮助我们突破一些教学中的重、难点，从而实现学生对知识的真正掌握，并且灵活应用。
1 超重与失重
在讲“超重与失重”一节中，对于完全失重的处理，笔者对原有实验进行了改进，全新设计一个小实验。主要器材有一个空矿泉水瓶（底端带洞）、一桶水。实验过程如下：
1）把矿泉水瓶中装满水，然后让水瓶正立在空中，观察水流动情况。仍然把矿泉水瓶装满水，下面放上水桶，让水瓶正立在空中自由下落。在做实验之前先让学生猜测实验现象，学生发挥想象力，答案五花八门。在学生猜测之后，由学生代表站在板凳上亲自演示实验。
2）通过实验让学生提出问题与讨论：当瓶中装满水，瓶静立在空中时，为什么水会流出？当瓶中装满水在空中自由下落时，瓶和水处于什么运动状态？这种状态下物体的加速度是多大？根据物体的运动，请分析瓶的受力情况？水和瓶之间还有挤压吗？
学生通过讨论进行小结：当物体向下的加速度为g时，且物体与接触面的压力为零时，这种现象属于完全失重。
教师质疑随后质疑：怎样验证你们的结论呢？
3）学生讨论并展示成果：学生利用上述实验器材分别把水瓶上抛和平抛。
本知识环节的讲授采用改进实验进行教学，把一个抽象的物理概念用一个简单的物理小实验进行探究，最终学生得出科学的结论。这种方式教学首先让学生先产生兴趣，造成悬念，积极探索，使学生始终处于一种兴奋状态。进而研究“完全失重”的形成过程。这样教学，学生对于完全失重的概念的理解达到记忆并强化的过程。
2 电磁式等势线描绘器描绘等势线
2.1 实验原理
直接描绘静电场的等势线比较困难，利用恒定电流的电场模拟静电场通过电磁手段用描迹法画出电场中平面上的等势线。
2.2 创新点
1）引入可控电磁探针和画板，受幼儿画板的启发，用画写板取代白纸复写纸来呈现等势点，可控电磁探针用来寻找等势点，可控电磁探针主要有两部分构成，连接红色粗线的铁芯也就是探针和连接红蓝细线带触点开关的线圈构成。线圈接直流电源，铁芯连线接灵敏电流计，找到等势点后接通触点开关，电磁探针产生磁场在画写板上留下一点即对应模拟静电场中的等势点，接下来断开电磁探针电源，继续寻找下一等势点，重复前面操作。
2）引入弹压式接线柱，提高器材安全度和降低实验准备难度。原装置是柱状接线柱，每做完一次需拆卸一次，配件很小易失，器材易损。实验所需三种纸都需打孔套到接线柱上，打孔时孔间距和孔的大小都需认真处理否则影响实验效果，造成实验前准备工作难度大。弹压式接线柱是在竖直镙杆上套一弹簧，实验中调节螺帽就可以改变接触点位置和接触紧密程度，实验完毕旋松螺帽弹簧将接触片轻松弹起就能取下实验结果，这样省去了拆卸环节避免了零配件的丢失保障器材安全，并且实验用纸或其它材料也不必再打孔处理，降低了实验准备难度。
3）打破原实验材料限制，能利用日常生活中常见材料完成实验，激发学生实验兴趣。原有实验必须用碳粉导电纸，它对学生来说很是陌生的一种材料，对实验易产生的畏惧心理，不利于激发学生探究兴趣，这种纸不易买到价格也相对较贵。改用画写板后，利用画写板耐湿的特点可用浸过苏打液的潮湿状态的棉布或厚牛皮纸等替代导电纸，学生用平时看得见摸得着的材料自制导电纸，增加实验的趣味性，激发学生学习兴趣。
4）低成本无污染。原有实验每做一次要耗费白纸一张，导电纸最多用两三次就不能再用，复写纸比导电纸稍耐用一些，但也需要频繁更换，如做学生实验耗材量很大，累积起来实验成本较高，产生的实验废物多而且大多只能被焚烧处理产生有害气体污染大气。利用画写板和电磁探针作图，可反复使用，投入低，不会产生实验垃圾，符合低碳环保的理念。
5）可描绘多种情况等势线分布。原器材因接线柱限制只能描绘等量异种点电荷等势线分布，改进后的器材可描绘带电平行板间的电场，或非匀强场等。
2.3 使用方法：以描绘正负点电荷静电场等势线分布为例
1）将画写板和浸过苏打液的导电布铺好连接电路，电压直流10 v—14 v，闭合开关产生模拟静电场。普通探针和电磁探针上粗导线连接灵敏电流计，电磁探针尾端红蓝导线接学生电源，本探针经试验直流 6 v效果最佳，在导电纸上取五个基准点，用电磁探针依次描出基准点位置，普通探针对准第一个基准点电磁探针在导电纸上轻轻移动在基准点附近寻找等势点，找到后将电磁探针开关闭合产生磁场在画写板上留下点迹，按此方法依次寻找等势点完成实验。
2）将弹压式接线柱旋松，释放弹片，取下画写板，将等势点用画写笔用平滑曲线连接，正负点电荷静电场等势线分布就完成了。
3）观察完毕后，用画写板上的磁条扫过画写板清除实验痕迹，整理器材实验完毕。
2.4 实验器的优点
1）电磁式等势线描绘器材料易寻、成本低廉、制作简单，易于操作，实验现象明显，不会产生实验废物。
2）冲破原实验的局限性，可描绘多种电场，既可用于教师示教，也可让学生自制上探究性实验课，激发学生制作和研究兴趣。
3 验证动量守恒实验的改进
验证动量守恒定律实验是高中物理课程的重要实验，按照教科书物理第二册的实验装置进行实验，把斜槽固定在桌子边缘，在地面铺上白纸复写纸，小球从斜槽上端滚下落到复写纸上，在白纸上留下落点痕迹，然后对落点及相关数据进行处理，验证碰撞前后动量是否守恒。用此装置在实际操作时，有以下缺点：斜槽装置不稳易滑动，不能确保入射小球从同一高度滚下及碰撞前后两小球做平抛运动；小球从斜槽滚下落到地面上满地跑，有时落到桌斗里，学生到处找球，浪费大量的时间；白纸直接放在地面上容易错位；小球落点分散，用圆规找落点误差大，精度低；整个实验耗时较长。为此我们对原装置加以改进。
1）实验时用凹槽接小球。避免做实验时，学生到处找球，节省了大量的时间。
2）斜槽安装支架，保证了斜槽的稳定性，一次调整，多次使用，斜槽上端附电磁铁，保证了入射小球从同一高度无初速度释放。末端镶嵌水平仪，保证了碰撞前后小球做平抛运动。
3）用带中孔的透明同心圆片找圆心比圆规方便快捷，且提高了精度。
4）不用刻度尺测长度，而用B4纸，在上面画出的刻度直接读出水平抛出距离并形成报告单，使实验测量与实验报告一体化。
关键词：数理方程实验；教学改革；数学建模
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）48-0035-03
一、引言
数学物理方程是人们对一些物理规律、物理过程和物理状态进行研究后归结出来的一些偏微分方程，是微积分学产生以后，在实践中产生并且不断向前发展的教学分支之一[1]。数理方程教学的直接目标是帮助学生掌握必要的数学知识和工具，为后续专业基础课和专业课作准备；其长远目标是训练学生的数学思维及运用数学工具解决实际问题的能力[2]。但该课程被公认为“老师难教、学生难学、作业难做”[3]，而且随着近几年新技术的发展与变化，各高校为了适应宽口径科技人才培养的需要，将这门课的课时进行了进一步压缩。因此，要保持教学内容和提高教学质量，任课教师迫切需要对教学手段进行改革。通过对数理方程以往教学情况的实际调研来看，学生们对这门课普遍感觉畏惧、难以产生兴趣。产生这种情绪的原因主要有两点：（1）数学推导很长、很多，例题比较抽象，过于陈旧，容易让人乏味。（2）不知道数理方程课对其专业学习到底有何作用，因此不愿多花精力，想混及格就行[3]。我们教研组经过研究和讨论认为，没有学不好或学不会的知识，只是学生的主观能动性还没有得到充分挖掘。因此，我们让学生自由组合成三人小组，指导他们结合专业方向设计能够用数理方程中三类典型偏微分方程进行数学建模的实际物理或者专业实验，然后进行相关物理量的测量、分析，同时进行数学模型的理论计算和计算机软件仿真等工作，并将其实验报告作为平时分重要参考。经过近两届学生的实践发现，该课程的通过率得到了极大提高，学生的反映也很积极，甚至让人惊喜，有些学生据此进一步参加了数学建模比赛、物理实验创新竞赛、大学生创新训练计划等，取得了良好的教学效益。
二、数理方程实验教学的目的、特点和作用
开授数理方程实验课的目的就是引导学生以研究、分析、解决实际问题为导向，全面掌握数理方程这门课所包含的数学建模、数学分析、求解方法等，并培养学生实际动手实验能力和应用计算机解决相关专业问题的能力。相对于传统数理方程教学而言，数理方程实验教学有三个新特点：（1）传统数理方程的教学形式是以教师为中心，以课堂教学为中心；而数理方程实验则更多地强调以学生为中心，以课外实践为中心。（2）传统的数理方程教学追求理论的完整性、步骤的连贯性，繁杂冗长的数学推理不可避免；而数理方程实验针对具体问题进行数学建模和求解，研究目标明确，因而可以通过简明实践来理解理论。（3）每个数理方程实验的内容具有相对的独立性，可以将数学、物理、专业知识、计算机应用等众多不同的领域结合起来，并借此介绍一些目前科学技术前沿广泛运用的知识，如非线性方程、小波变换、积分方程等。数理方程实验要求将实际物理实验（或者专业实验）、数学建模，以及计算机仿真三者融为一体，最后形成实验报告。因此数理方程实验教学具有以下三个方面的作用。
1.激发了学生的主观能动性。在数理方程实验中，学生们需要寻找满足波动方程、输运方程或者恒定场方程的实例，并进行设计性实验，因此学习过程中分工合作、共同探讨的气氛得以形成。通过实验测量、计算、仿真过程中逐步取得的成功，学生们对数理方程的学习兴趣极大地提高；通过将复杂难懂的物理、工程问题直观地显示于物理现象或精美图表，学生们更喜欢主动地去研究、计算机编程计算专业课中的各种问题。
2.促进了学生的自学、编程和书面表达等多方面能力的提高，真正提高了学生的动手、动脑能力。因为要编程求解数理方程，首先要理解、掌握相关数学知识，这就迫使他们查阅、学习相关资料，并下意识地对教师所讲解的数学知识产生强烈关注，毕竟“社会需要是科技发展的最大动力”。而撰写实验报告对于培养学生的书面表达能力、逻辑思维能力很有助益。通过将实验测量数据与理论计算结果、计算机仿真结果进行比较，学生们更加感性地接受了理论指导实践，实践拓展理论的研究思路。
3.培养了学生的专业素养和创新意识。通信、电子类专业一般都会开设《高频电路基础》、《微波技术与天线》、《电磁场传输理论》等课程，因此在引入三类典型二阶线性偏微分方程、讲解“分离变量法”、“格林函数法”及特殊函数时，都尽量以这些课程中的问题为模型，然后让学生利用专业实验室的仪器设计实验，再结合数学建模的思想去完成数理方程实验。这样不仅可以让学生学习专业课时轻松自如，还会刺激他们思考实验过程中碰到的各种问题。
三、数理方程实验示例
通过近几年的积累，我们得到了很多以三类典型偏微分方程：波动方程、输运方程和恒定场方程为数学模型的物理实验和专业实验的案例，下面分别介绍一二。
1.波动方程实验示例。《微波技术与天线》是通信、电子类专业的必修课，该课程中对于微波电路的分析主要有两种方法：（1）场分析的方法；（2）“路”分析的方法[4]。这两种方法都可以作为数理方程实验的案例，例如均匀传输线方程即可以作为波动方程应用的典型案例。均匀传输线（如图1）可等效为具有分布参数的电路，因此可用“路”的分析方法建立传输线方程，并导出传输线方程的解。通过应用Kirchhoff电压定律和Kirchhoff电流定律，可推导出均匀传输线中电压和电流所满足的方程。
■=Ri（z，t）+L■■=Gi（z，t）+C■ （1）
这是均匀传输线方程，也称电报方程。对于时谐电压和电流，可用复振幅表示为u（z，t）=Re[U（z，t）ejωt]，i（z，t）=Re[I（z，t）ejωt]，将它们带入式（1）并消元，即可得时谐传输线波动方程：
■-γ2U（z）=0■-γ2I（z）=0 （1）
其中γ=■称为传播常数，若R≈G≈0，式（2）即为理想传输线中电压、电流的一维波动方程。
在这个实验当中，若此理想输线无限长，并已知其初始电压和初始电流分布，则可根据式（1）求出电压和电流的“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）
可求得传输线上电压和电流的传播情况。
若理想传输线是有限长度，实验中就可引入边界条件。如终端短路，则V|z=l，为电压场量的Dirichlet齐次边界条件，再由式（1）第二式可得Iz|z=l=0，为电流场量的Neumann齐次边界条件；如终端开路，则I|z=l=0，为电流场量的Dirichlet齐次边界条件，再由式（1）的第一式可得Vz|z=l=0，为电压场量的Neumann齐次边界条件。应用高等数学中二阶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■=■称为特性阻抗，然后再根据边界条件求得电压和电流的分布。
有条件的高校可用网络分析仪、50Ω微带线、50Ω BNC连接线、开路负载、短路负载、高阻微波同轴检测探头等进行相关实验测量，我们还可以借助电子电路仿真软件Multisim或者安捷伦公司的Advanced design system进行上述微波电路的仿真，具体实验和仿真可参考文献[5-7]。最后要求将数学模型求解的结果、实验测量结果、仿真软件计算结果放在同一表格或者同一张图中进行比较，这样可以得到一份很好的数理方程与专业知识相结合的实验报告。
另外，两端固定均匀弦的微小横振动问题是所有数理方程教材的经典例题，我们可以用两端固定的橡皮筋进行振动模拟，然后数码摄像机进行拍摄纪录，通过计算机处理得到其橡皮筋任意一点在任意时刻的位移，并与Matlab编程计算结果进行比较。还有，通过在水槽中用试管滴水得到二维水波振荡，用数码相机连拍功能获取不同时刻水波振动状态，可与理论计算结果进行比较。学生通过这些实验不仅理解了方程的含义、求解方法，还学会了如何用这些实验来测量弦的密度、波的传播速度等重要物理参量。
2.输运方程实验示例。半导体物理学、化学和生物学中许多问题都可归集为反应扩散方程（或称输运方程）问题，在诸多重要物理参数测量方面有很多应用，如气体、液体扩散系数的测量等。目前很多学校都能开展“测定气体导热系数”物理实验，所需仪器主要有FB-202型气体导热系数测定仪、温度计、气压计等。其物理模型为：在圆柱形容器内的沿轴线方向上有一根温度恒为T1的钨丝（如图2），容器内壁的温度近似为室温T2（T1>T2），钨丝的半径为r1，钨丝长为L，容器的半径为r2，由于T1>T2，容器中的待测气体必然形成一个沿径向分布的温度梯度，由于热传导，钨丝温度下降，本实验用热线恒温自动控制系统来维持钨丝温度恒为T1。如对其进行数学建模，得其输运方程方程模型：
■-■Δu（■，t）=f（■，t） （5）
其中u为温度分布，c为气体比热容，ρ为气体密度，k即为所求热传导系数。由于每秒钟气体热传导所耗散的热量就等于维持钨丝的温度恒为T1时所消耗的电功率，所以圆柱形容器中气体的温度分布保持为一个稳定的径向分布的温度场，
■+■■+■■=0 r1
然后用分离变量法求解此数学定解问题，得u（r）=（T1-T2）Inr/In（r1/r2）。学生以三人为一小组做实验，记录实验数据，再用Matlab或Origin进行数据处理，然后与理论模型计算值进行比较，最后进行误差分析，完成实验报告。通过此实验学生不仅掌握了如何测量气体的热传导系数，加深了对输运方程的理解，还学会了如何使用数据处理软件，对学生今后的学习很有裨益。
3.恒定场方程实验示例。一般高校的普通物理实验室都开设静电场描绘实验，使用实验仪器有：AC-12静电场描绘电源、静电场描绘仪等（如图3（a）所示）。以同心水槽中电位分布为研究对象，可得二维极坐标系下Laplace方程定解问题：
Δu=0， a≤r≤bu|■=V1，u|■=V2 （7）
学生可用分离变量法求得其理论解，还可以用Comsol、Matlab等仿真软件比较容易的得到其电位分布图，再通过与实验中打点得到的电位分布图进行比较（图3（b）），从而直观、深刻地理解物理原型、数学模型，并至少掌握了一种计算机仿真软件的应用。此实验中根据不同电极形状的水槽，还可让学生在不同坐标系下（如双曲坐标系、直角坐标系）进行分离变量法，从而对Sturm-Liuville本征值问题有更深刻的认识。
总的来说，数理方程实验的完成首先需要教师指导学生学习、掌握相关数学知识和求解方法，然后引导学生进行相关物理、或者专业实验的设计、测量，并根据物理规律分析这些实验的物理原型，建立起数学模型，再由学生自己进行计算机编程计算或利用现有商业软件进行仿真，最后通过观察、比较数学模型理论结果、实验测量数据和计算机软件仿真结果，进行总结，完成数理方程实验报告。
在科学技术快速发展的今天，教师在传授一门课的基本知识的同时，应比以往任何时候更注重传授学习和研究这门课程的方法，完成由引导式学习到自主学习的根本性转变[8]。通过一年来数理方程实验教学的探索和实践，我们发现数理方程实验课能够利用学校现有教学仪器和设备，将物理知识、专业知识、数学知识，以及计算机应用结合在一起，实现“教学、实践、科研”三位一体[9]的教学模式。学生们通过课题式的研究觉得的数理方程是很有用的一门课，能够学以致用，缩短了书本理论到专业应用的距离，该课程的通过率相应地也得到了极大提高。有很多同学通过设计数理方程实验得到启发，进一步参加了数模竞赛、物理实验创新竞赛、大学生创新训练计划等各类比赛，取得了良好的教学效益。另外，我们认为数理方程实验反过来对物理实验、专业课程实验设计也有借鉴意义。
参考文献：
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设计性实验介于基础性实验与实际科学实验之间，是在学生完成一定数量的基础性、验证性及综合性实验之后，对实验的全过程进行科学训练的实验课题。实验课题一般由实验中心综合考虑教师的意见后提出，由实验室为学生提供实验条件。学生根据实验课题研究的内容，自行搜集并阅读相关的参考资料，综合比较各种实验方法实施的可能性、适用条件、实验的准确程度，根据实验室提供的实验条件，推证理论，选择相对完善的实验方案。实验方案确定之后，应根据实验方案的原理和实验精度要求，选择测量误差较小的测量方法。应综合考虑分辨率、准确度、量程和价格四因素，根据误差的等作用原理选择合理、配套的测量仪器。在测量中，要确定最有利的条件，选择合理的数据处理方法，分析各种误差产生的原因，从数据中判断系统误差是否存在，寻求减小或消除实验系统误差的方法，以提高实验质量，如进行“简谐振动的研究”、“设计和组装热敏电阻温度计”、“测定平行电流间的磁场力”、“球坑法测定薄层厚度”、“导热系数的智能测量”等设计要求较高的实验。这样，按照实验内容分成不同的阶段，构建从易到难、从基础性实验到综合设计性实验、从实验知识和技能的学习到科学思维训练和创新能力培养的大学物理实验教学课程新体系，以满足不同专业、不同知识基础学生的需要，使优秀人才得到更大的发展空间。
在当今新技术迅速发展的时代，物理实验课程应该是被新技术、新手段不断改造、不断填充的开放系统，是不断改革、不断发展的动态教学体系。要使物理实验教学与科学技术的发展相适应，做到与时俱进，教师在实验教学中应把握课程前沿，有意识地增加一些应用性或涉及现代高新技术的实验项目，如太阳能电池技术、传感器技术、计算机智能检测、光纤技术、共振技术、光学信息处理技术、微弱信号检测技术、光谱技术、混沌、纳米材料和薄膜制备技术等与现代科学技术相融合的知识和内容，增加与“诺贝尔物理奖”相关的实验项目，使现代科学技术研究成果渗透到传统的物理实验课程内容中，及时反映学科最新进展，激发学生对实验课程的兴趣和科研热情，培养他们的科学思维能力和创新能力。
物理实验与其他自然科学相互渗透，有了越来越多的交叉点。物理实验课程不仅是理工科学生进行后续科学实验训练的重要基础，也是许多非物理类专业学生的必修课程之一，而这部分学生群体应该引起我们的关注。为了体现因材施教的原则，对于跨专业的学生应开设一些与其所学专业相关的实验项目，这些体现物理理论在其他专业应用的实验项目，能使学生在物理实验中充分感受到物理科学在实际工作和生活中的应用，培养学生学以致用的思想，调动其学习热情，激发其求知欲望。
例如，偏光显微镜部分的实验教学是地质专业的特有实验教学内容，但地质专业课上侧重的是与镜头材料性能相关的光的偏振知识，很少涉及显微镜的工作原理及组装等教学内容。所以，在对地质专业学生进行偏光显微镜组装的教学实践中，可以把专业课和实验课强调的重点加以整合，在传统显微镜组装实验的基础上，结合光线的偏振原理，对内容进行加深和扩展，增加组装偏光显微镜的实验教学内容。对于环境科学专业而言，应根据其专业特点，增加环境噪声的测量实验，使学生在进行基本实验操作技能训练的同时，加深对环境专业相关理论的理解，为后续的环境专业课程学习奠定扎实的基础。再如，渗流场与电场具有相似性，在油田开发专业的学生做振荡电路实验时，可以启发学生利用该电路模拟油田的产液变化。
二、实施多样化教学，提高学生的科研素养
（一）设立废旧仪器实验室
废旧仪器实验室能够实现废物再利用，是一种变废为宝的措施。应充分利用实验室提供的物质和空间资源，集中已老化报废但部分部件仍能正常使用的已淘汰废旧设备，配以仪器的使用说明或者搜集到的相关图片、文字资料，收集各类废旧家电、工具、仪器设备、配件等，再配备计算机，设立废旧仪器实验室。废旧仪器实验室是物理实验爱好者的乐园，学生通过仔细研读仪器使用说明书、图片或者利用网络资源查阅文字资料，面对实物了解仪器的构造、基本原理和使用方法，这不仅有利于学生对教材内容的真正理解，而且有助于培养学生的自学能力、动手能力。教师可以向学生展示以往破坏性操作的后果或进行实地演示，让学生明白规范化操作的必要性，为学生在以后的实验操作中养成良好的操作习惯打下基础。学生还可以自行设计小制作，动手拆卸出废旧家电、仪器设备中的有用部分，对各部分进行组装。虽然小制作的功能还不够完善，制作也很粗糙，但学生在亲自动手、动脑的活动中体验到学习的兴趣、成功的快乐，这样的体验能使学生终身受益。在学习过程中，学生还可以对仪器进行维修，成为实验室工作的小助手，激发学生的学习兴趣，使其感觉学有所用。在废旧仪器实验室，学生通过对仪器改进的方案进行验证，以检验改进方案实施的可行性，培养创新思维。废旧仪器实验室还可以为实验课程中未能顺利完成操作的学生提供再一次学习的机会，使他们学会排除实验中的故障，对实验有更深刻的认识。
（二）开设公选课
高校应以素质教育为目的，以物理废旧实验室和物理演示实验室为基地，对全体在校学生包括文科学生开设《大学物理演示实验》、《物理实验发展史》、《物理现象探索》等公选课程，供学生选修。可以重点关注物理实验发展史中对物理学的发展、人类的进步起到关键作用的重要实验，如赫兹的电磁波实验、杨氏双缝干涉实验、卢瑟福的粒子散射实验、密里根的油滴实验等，讨论这些实验在物理学发展进程中的历史重要性、严谨的实验思想以及别具匠心的设计理念。教师在讲课过程中可以引入名人案例，利用榜样的力量感染学生，用科学的世界观武装学生，使学生明确物理实验的意义，并在回溯物理发展历史过程中的著名实验时得到人生的启示。应开放物理废旧实验室和物理演示实验教学基地，让学生亲自动手操作仪器，仔细观察物理现象并进行思考，使其加深对物理世界的感性认识，强化对物理概念、物理规律的理解，体会到实验思想的严谨、实验设计的巧妙，培养其理性思维方式，提高其创新能力和科学观察能力。
（三）开展多媒体课件制作竞赛
大学生的电脑操作能力普遍较强，想象力丰富，思维活跃，具有很大的智力潜能和实验学习的主动性，这有助于教师转换思想，接受新的理念、方法，从而提高教学质量。可以尝试由学院牵头、物理实验室负责、学生会组织，选聘相关专家和学生代表为评委，在实验课的中期或后期，开展物理实验多媒体课件制作竞赛。物理实验室应在学期前期安排好竞赛时间、与物理实验项目相关的实验选题、评选规则等实施方案，方便学生早做准备，学生则以自愿报名的形式参与。为了鼓励学生积极参赛，除适当的物质奖励外，还可以在期末实验考核和综合测评中对获奖学生给予不同程度的加分奖励。参赛学生必须在实验课前、课中和课后做大量充分、细致的工作：课前要认真预习，明确实验目的、实验思想和重要仪器的使用方法，必要时查阅资料，做到思路清晰；课中要认真操作，熟练掌握基本操作规则，准确记录原始数据，及时发现实验中可能遇到的故障，并分析原因、找出排除故障的方法；课后要认真进行测量数据处理，并就如何减小实验误差进行讨论，对实验疑点、相关知识进行拓展学习。开展多媒体课件制作竞赛，能够充分发挥学生的想象力及创新能力，为学生搭建一个展示自我、勇于创新的平台。
（四）引导学生参与实验研究和科研活动
俗语说“：授人以鱼，不如授人以渔。”进行物理实验教学，不仅要让学生了解实验应该如何做，还要知道为什么这样做，更要思考可以做什么。教师在实验课教学过程中，要积极引导学生结合物理实验课程项目，应用先进的实验方法、实验技术和手段，主动参与物理实验研究和实验室科研项目，在学习物理实验基本理论、获得科学操作技能的同时，有效培养其创造性思维和科学实践能力。实验研究包括物理实验方案的改进与设计方法讨论、异常实验现象的产生因素及改进措施分析、实验仪器的改进和维修方法的探讨、实验故障的产生原因及排除故障的方法研究、实验数据处理方法及实验误差分析、实验失败的原因及解决办法研究等。
例如，在“静电场模拟”实验中，传统的静电场描绘仪是以导电纸或水作为两电极间的电介质，大多使用双层结构的描绘仪，采用等臂记录法来描绘，用数字电压表观测等电位点，这种设计存在缺陷，不能很好地描绘静电场，学生反映实验误差太大。教师可以引导学生查阅资料，综合利用物理、化学知识多方位地进行设计、改进，提出可行的改进意见，并用实验进行验证。在“分光仪的调整和使用及三棱镜折射率的测定”、“用光栅测光波波长”、“用分光计进行光谱定性分析”等实验中，分光计作为这些实验的重要仪器，经过不断演变和改进，设计更加科学，结构也更加精密、复杂，其使用和调整都有严格的规范要求，这对于初次接触分光计的学生来说是严格的考验。部分学生在调整分光计时，对载物台调平的操作虽花费了大量时间，仍不能达到很好的调平效果。
教师可以适时组织“分光仪载物台快速调平法”的讨论，引导和鼓励学生积极思考和解决这个问题。这样的讨论能够激发学生探究问题的兴趣，并鼓励优秀学生脱颖而出。另外，教师可以积极组织并有意识地引导学生结合所学专业和个人兴趣，积极参与教师和实验室的科研项目，以增加师生间的交流，激发学生的学习热情，为其自我能力的提升提供平台。例如，机械和电子专业是集机械、电子技术、信息处理、计算机等技术为一体，以计算机应用为特色的综合性学科，这种机电一体化应用的专业特色可以应用到实验仪器的设计和制作中，实现实验仪器的更新改造。计算机科学与技术专业的学生具有扎实的理论基础、较强的程序设计和软件开发能力，可以参与实验软件、实验教学软件的开发和应用等研究，以培养学生的综合实践能力和创新能力，满足学生学以致用的成就感。
三、利用现代教学手段，提高实验教学质量
应改变传统的黑板加粉笔的教学模式，以适当的黑板板书为辅助，利用现代教学手段，制作穿插图片、动画、音视频、虚拟现实等材料的高质量多媒体课件，建立网络教学资源库，引进网络仿真实验，实现物理实验教学的信息化和网络化，丰富教学内容，增加实验教学的趣味性，培养学生主动参与、主动探索、主动思考的能力。尤其是对于利用常规方法进行图形和数据处理比较困难的部分实验项目，利用计算机进行处理就比较容易完成。利用CAI教学课件作为辅助教学工具，可以将复杂的图表、实物图、电路图等通过图像、声音、动画、影像等形式形象地展示出来。仿真实验可以利用计算机技术把实验原理的理解、实验仪器的结构、实验的教学内容、实验报告的书写、教师的指导和学生的操作活动有机地结合起来，将一些因实验室客观条件限制还未开出的实验项目，通过模拟物理实验在计算机上完成，其效果甚至好于实际实验的效果，能方便学生自己安排时间进行预习、操作及复习。现代化的实验教学还能促使学生在校园网上反复查阅教师课件等教学资料，以提高实验效果，并对一些疑难问题及实验方法、技术和仪器改进方面的想法在网上随时与教师进行交流和讨论，教师要鼓励学生提出改进性建议，设计出科学合理的方案，培养学生的科研能力。教师还可以利用校园网络及时公布学生每次实验的评定情况，使学生及时了解自己的实验成绩和存在的问题，如果需要，可以随时预约重做实验。
四、实行开放式教学，强化因材施教
实行全方位、多层次的开放式实验教学，不只局限于时间和空间的开放，更重要的是教学内容、方法和手段的开放，是观念意识的开放。开放性实验室可以实现对外联网，给教师和学生带来极大的方便。
（一）有助于体现以人为本的原则
学生登录校园网的网上选课系统，根据教务处对实验的课程安排，结合自身的实验基础、兴趣爱好和所修专业的特点，可以自主选择实验时间和实验题目。这体现了以人为本、因材施教、因人而异的原则，满足了不同需求、不同层次、不同专业学生的要求，有效推进了数字化校园建设。在物理实验室开放教学的模式下，学生可以有目的地选择与专业相适应的物理实验，通过物理实验充分感受到物理科学在实际工作和生活中的应用，培养学以致用的思想意识。开放的物理实验室使学生在时间和空间上有了更大的灵活性，为学生安排学习时间、制定学习计划和发展方向带来极大的便利，符合当今社会所倡导的自主化、人性化管理理念，对实验教学管理工作的信息化、网络化建设具有促进作用。
（二）有助于学生完成课前预习和数据处理
开放的实验可以将实验教学内容的预习和数据处理的环节安排到实验室课上完成。与理论课相比，实验课的一个重要特点是要求学生能够多思考、多分析，独立完成实验操作，所以，明确实验任务、了解仪器的结构功能及操作要领、掌握误差来源及减小误差的方法等实验前的预习工作尤为重要。但是，传统的实验前预习只限于对实验教材的阅读及撰写预习实验报告，学生从教材上生涩的专业术语、模糊不清的仪器结构图中感觉实验内容枯燥乏味或看不懂，只能盲目地抄袭实验讲义，以应对教师的课前检查，这样不仅浪费了学生的时间和精力，不会对实验教学有所裨益，而且会影响学生对实验的兴趣。让学生进入实验室面对实验仪器有针对性地进行实验前预习，可以使难以理解的内容变得生动、易懂，学生的兴趣大增，预习质量明显提高，避免了以往实验前预习的诸多弊病。学生可以在课堂上进行数据处理，教师可以当堂进行批改点评，对实验报告中出现的问题及时加以纠正，不断总结教学经验，调整和完善课堂教学内容，探索适当的教学方式。
（三）有助于培养学生的创造性思维
开放的实验室可以弥补课堂教学时间的不足，为实验课内不能顺利完成实验或实验失败的学生提供完成实验或者重新实验的机会。在开放实验室的时间内，学生还可以做一些难度较大或者感兴趣的实验项目，充分发挥自身潜能，培养独立思考、积极探索、不断创新的精神和永不满足、追求卓越的态度。例如，在“拉脱法测定液体的表面张力系数”的实验中，有些学生在完成实验测定后，希望探索温度对液体表面张力系数的影响、液体表面张力系数与液体中所含杂质浓度的关系。学生通过查阅大量文献，设计实验方案，在课余时间进行实验，充分发挥实验设备的潜力，以最少的投资发挥最大的效益，使课内实验与课外开放实验有机结合起来，满足学生求知和创新的欲望。开放式教学模式可以为学生主动学习和个性发展创造良好的外部环境，满足其求知、探索和创新的欲望，侧重于创新精神与能力的培养，体现以人为本的教学理念，可以有效解决当前实验教学中存在的问题。
五、完善实验考核制度，保证教学效果
实验考核是检验实验教学效果的重要手段，是实验教学改革的基本组成部分，也是实验教学工作的重要环节。完善的考核制度能够客观反映学生的理论知识水平、操作技能，科学评定学生的综合实践能力，培养学生严谨的治学态度、实事求是的工作作风和开拓创新、不断探索的精神。针对学生不注重平时的实验操作过程，抄袭、修改或编造数据的不良作风，对学生的实验课程成绩可采用“课程总评成绩100％＝平时成绩60％＋期末实验操作测试成绩40％”的折算方式来进行评价。在总评成绩中，平时成绩比例要加大，目的是鼓励学生重视平时的实验，以提高实验操作水平。平时成绩涉及的评定因素较多，包括出勤、实验预习情况、实验操作完成情况、实验结果和实验报告质量等，教师要善于观察，做好平时的实验记录，做到客观公正、实事求是。另外，教师还要考察学生是否能独立地排除实验故障，课堂提问、课堂讨论、提交作业及工作态度等情况都可以用来综合考察学生，评定学生的学习情况。其中，实验操作及动手能力是学生实验过程的关键，教师要进行巡视考察。对于学生的实验报告，要考察实验数据的真实性、数据处理方法、误差的计算、实验结果的误差及分析、异常现象的解释等。
为了对学生的实验教学进行更全面的考核，突出对学生实验操作技能的考核力度，教师不能只看实验报告，要杜绝抄袭报告的现象。具体的做法是，在学期期末，教师选取一些以实验基本操作技能为考核重点的题目，学生随机抽取题目后，经过30分钟的准备工作，在规定的时间内独立完成实验操作，回答实验涉及的问题，并当场完成实验报告的撰写。教师要在学生的操作过程中进行巡视，观察学生实验操作的规范性和熟练程度以及数据记录、实验结果处理、解决问题方法、台面整洁与否等实验习惯。对于综合性、设计性、应用性实验项目，尤其是涉及物理知识与学生所学专业相关的项目，要通过考察设计实验方案、撰写实验论文等方式进行综合考核。对于在多媒体课件制作竞赛中获奖以及在实验研究和科研活动中表现突出的学生，可以在期末实验操作测试和期末综合测评中给予不同程度的加分奖励。总之，应不断完善实验考核制度，促使学生在研究中勤于观察思考，善于发现问题、分析问题和解决问题，激发学生进行实验研究的积极性、主动性和自觉性，进一步提高学生的综合素质，实现创造性思维和创新能力的培养。
六、结束语
关键词：独立学院；物理实验；人才培养；教学改革
高等教育高度发达的今天，独立学院如雨后春笋般异军突起，旨在培养本科应用型人才，办大众教育而非精英教育。培养社会广泛需要的、有专长的、较高层次的应用型人才则成为独立学院的首要任务。大学物理实验是高等学校教育体系的重要组成部分，对提高学生的实验动手能力，培养学生独立思考，发现问题解决问题能力，创新能力和实践能力有着其他课程的不可替代性。对于以培养应用型人才为主要目标的独立学院的大学生来说，大学物理实验课对工科学生无疑是一门重要的、必修的基础实验课。然而由于各工科专业方向不同，大学物理实验项目繁多，涉及面广，基础实验课的学时有限，全面的学学物理实验课程实验内容就比较困难。
1．针对不同专业知识点的需要选择不同的实验项目，使大学物理实验课和后续的专业技术基础课、专业课的实践教学环节有机的结合
我院是一所以应用型人才培养为主的独立学院，工科专业按大的方向可分为：计算机与生物工程两大类。具体专业有计算机应用、电子信息工程、信息与计算机科学、计算机科学与技术、电子科学与技术、生物工程、化学工程与工艺、食品科学与工程、食品质量与安全、食品营养与检测、食品加工技术、食品生物技术和生物技术与应用。目前，我院的大学物理实验只考虑实验课轮次循环方便，教学内容和模式是：工科各专业学生学完误差理论后，统一从力学、热学、电磁学、光学实验各选几个实验项目，然后按实验项目的难易分成基本物理量的测量与仪器使用性实验、综合性物理量测量、简单设计性实验三个模块，分三级梯度授课。在实验课的过程中我们发现不同专业的学生对不同的实验项目反应不同，电子信息工程专业、电子科学与技术专业的学生对电磁学实验兴趣很浓，实验也很认真，而对力、热学的一些实验项目如：拉伸法测金属丝杨氏弹性模量、刚体转动惯量的测定等则不太感兴趣，实验也常常敷衍了事。反之，生物工程、食品科学与工程专业的学生则对电磁学的一些实验项目如：静电场描绘、磁场强度的测定等表示不可理解。并且经常有学生问这个实验和他们学的专业有什么联系。
面对这种情况，笔者认为我们应对各专业的知识结构，包括专业技术基础课、专业课设置情况以及实践教学环节的内容进行研究，在学院物理实验室现有的实验装备条件下，同时能够保持物理课程的特点的基础上筛选尽可能与专业方向靠拢的必修实验项目，对物理实验教学内容进行改革。具体做法是针对不同专业知识点的需要，选择不同的实验项目。生物工程类专业后续课程需要的力、热学、光学的知识较多，从基本物理量的测量与仪器使用性实验开始就尽可能的选择力、热学、光学的实验项目如：杨氏弹性模量测定、物体密度测定、等厚干涉、分光计的调整与三棱镜折射率测量、偏振光的观察与应用等。而计算机类专业实验项目的选择则紧紧围绕电磁学、近代物理实验项目展开，如：电桥测电阻、示波器的使用、静电场描绘、普朗克常数测定等，然后再把所选实验项目分成基本物理量的测量与基本仪器使用性实验、基本实验技能训练性实验、综合和设计性实验，实施三级物理实验教学模式。
2．同一实验项目不同专业选择不同的实验方法，使大学物理实验课既结合专业应用又满足物理学的基本需要
大学物理实验课作为工科学校大学生进校的第一门科学实验课程不仅肩负着让学生受到严格的、系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧，培养学生严谨的科学思维能力和创新精神、培养学生理论联系实际、分析和解决实际问题的能力的使命，同时也是使学生通过大学物理实验对物理概念理解的深化，了解物理概念和规律产生的科学技术背景及其历史性的贡献的必要手段。因此仅仅从后续的专业技术基础课、专业课及其实践教学环节应用角度去设置大学物理实验的教学内容和实验项目显然是不够的，为了使学生既能够比较全面的掌握大学物理实验所涉及的物理学概念和教学内容，达到系统的实验技能训练，掌握科学实验的基本知识、方法和技巧的要求，又能够和学生自己所学专业有机结合，我们应采取同一实验项目对不同专业选择不同的实验方法。例如：金属扬氏弹性模量测定对于生物工程类专业的学生直接选用传统的光杠杆尺读望远镜法进行测量，而对于需要熟练掌握示波器、函数信号发生器计算机类专业的学生采用金属动态扬氏模量实验仪进行实验。
3．引入高新技术，赋予大学物理实验课以现代气息
高新技术的发展，科技信息的激增和知识更新的加快促使高等教育向更加重视素质教育的方向发展，独立学院的目标是培养高级应用型人才，要培养高级应用型人才，就必须使工程技术人才培养的第一个环节――大学物理实验课和现代科学技术接轨。大学物理实验只有和现代科学技术接轨才能激发学生的学习积极性和热情，也才能使现代科技进步的成果渗透到传统的经典课程内容之中，例如计算机技术、光学信息处理技术、传感器技术、仿真技术、光谱技术等在大学物理实验课程内容中都已经涉及，把这些先进的技术引入到大学物理实验课教学中，不仅能激发学生的学习积极性和热情，同时，从物理实验的设计思想、物理实验方法、仪器的设计原理、结构及其应用等方面拓宽了学生的知识面，培养了他们的综合实验能力。这就要求我们必须改变和调整传统的教学方法和手段，同时有先进的仪器设备和较为充足的经费保障。
4．建立开放实验室，营造多元化教学环境，实行以综合能力判定学生成绩的考核方法
职业教育的培养目标不仅是使学主懂得某一专业的基础理论与基本知识，而且更重要的是要培养他们具有某一岗位群所需要的生产操作和组织能力，善于将技术意图或工程图纸转化为物质实体，并能在生产现场进行技术指导和组织管理，解决生产中的实际问题。高职毕业生是一种专业理论够用、生产技术操作熟练的组织能力强的复合型人才。针对学生未来发展的需要，物理课要注重培养学生的科技创新能力。通过丰富多彩的科技活动，可以扩大学生视野、增长知识，培养他们动手动脑的能力，发展个性，增进身心健康，使他们得到全面和谐的发展，为社会提供合格人才。
物理是一门历史悠久的自然学科。随着科技的发展、社会的进步，物理已渗入到人类生活的各个领域。尤其在现代科学技术高速发展的今天，培养学生科技创新能力，提高学生对科学技术是第一生产力的认识，物理教学起着至关重要的作用。以下从几方面谈谈在教学中所进行的培养学生创新能力的探索和体会。
2.在物理课堂教学中渗透创新能力培养
课堂教学是教师传播物理知识的主要阵地，也是学生获取物理知识的主要途径。加强科技创新能力培养必须从课堂教学做起，充分发挥课堂教学的主渠道作用。
2.1 强调物理与日常生活的关系
物理是一门实用性很强的科学，与工农业生产、日常生活有着极为密切的联系。在教学中结合具体的教学内容，紧密联系生产和生活实际，突出知识的实用性。例如“杂技表演时演员为什么能成功完成各种惊险动作”等一系列问题，引入“物体的平衡”一节课题的教学，在研究了物体的平衡即平衡条件后，对生活中的许多有关现象就可以理解了。体育运动中的许多项目都要利用到平衡。桥梁、起重机、建筑物都要保持平衡，所以设计时要分析各部分受力情况，根据平衡条件进行计算以便确定几何尺寸或选择适当的材料。很多同学对体育运动熟悉和爱好。因此还应结合力学知识，分析和计算推铅球的水平射程与初速度的关系；利用动量定理认识接篮球时减少冲击力的方法；利用运动定律、静摩擦力、力的分解、合成和转动力矩等多方面知识分析拔河能取胜的关键。物理知识与生活现象恰当的结合。能提高学生对物理学习的兴趣。物理知识、物理规律本身就是对自然现象的总结和抽象。通过这些知识的介绍，使学生更加认识到科学知识在日常生活中的地位和作用，从而更加激发学生主动观察、探究身边所发生的各种现象，树立爱科学、学科学的良好品质。
2.2 在课堂中加强实验教学
物理学科本身就是一门实验科学，加强实验教学，有助于培养学生的观察能力、实验能力、科学思维能力、实事求是的科学态度、团队合作意识、创新意识和创造能力。加强学生实验教学主要从以下几方面入手。
2.2.1 利用实验课加强对学生实验能力的培养
要使每次实验都能较好地完成预计的任务，关键在于师生思想上的准备和现场指导。凡是学生对要进行的实验目的要求明确，对所用仪器性能了解，对实验原理和操作步骤清楚，实验课的收获就比较大。为此，每次实验前，师生一起对实验的有关问题进行讨论研究，确定实验方案，估计可能会出现的问题和解决办法，坚决克服实验的盲目性。当然，在操作过程中，常常还会出现一些学生在预习时想不到的问题。如在描绘静电场等势线的实验中，有的学生找等势点时几次都见到检流计的指针往同一个方向偏转。这时启发他们能否找到使检流计指针向相反方向偏转的点？组内同学经过研究判断出大致位置，并用事实证实这次推断，进而再确定出检流计指针无偏转点的位置，顺利地完成实验。在实践过程中，如果发现了问题，总是要求学生要在动手的同时，充分动脑，启发他们自己动手排除故障，教师绝不包办代替。
2.2.2 增加自我设计、改进的实验
实验教学的任务之一是要培养学生实验设计的能力，根据确定的目的任务，让学生独立设计实验，这对学生是一种很好的锻炼。每章学习都安排一些这样的实验内容。在“测定电源电动势和内电阻”的实验时，没有让学生完全按照教材给出的方案按部就班地做，而是把实验目的要求讲清楚以后，让每个学生根据所学的知识，设计一种或几种实验电路，并把自己的设计原理、实验步骤、实验记录表格、注意事项都写出来，在实验前各抒己见，然后按自己正确的设计进行试验。这样，学生实验的积极性很高。又如在研究牛顿运动定律等实验时，购置的仪器与教材上写的不同，先让学生们观察仪器的构造，然后共同讨论如何应用该装置完成实验任务。由于是经过学生思考后设计出的方案，他们做起实验来更兴奋和认真。
2.2.3 把一部分演示实验改为学生实验
课堂演示实验对课堂教学有着重要的作用。但由于有些演示仪器比较小，不容易使教室内每个同学都看清楚实验现象，为了提高实验观察的效果，使学生加深对知识的理解，也为了增加学生动手的机会，教师克服了仪器不足和时间紧张的困难，设法将原来作为演示的一些实验改为学生分组实验，如静电、导体的电荷分布、静电屏蔽，用验电器观察电场线、自感现象、光的反射、折射、全反射、棱镜，等等。
2.2.4 要求学生完成实验报告
在此过程中要求学生根据实验操作得到的数据，运用定理或公式，利用数学手段进行数据处理和数据分析，最后得出物理结论。从而培养学生严肃认真、实事求是的科学态度和独立分析问题、解决问题的能力。实验教学是提高学生综合能力特别是创造能力的有效途径。
2.3 注重介绍物理发展史和科技新成果
在教学过程中，根据具体的教学内容，选用适当的物理学史材料，例如“伽利略的自由落体实验”、“法拉第的电磁感应定律”、“爱因斯坦创立相对论”等，不失时机地对学生进行物理学史教育。通过物理学发展史和科学家生平介绍，启示学生要有为科学献身的精神，要有坚韧不拔的意志和顽强拼搏的勇气，立志要高攀和进取，从而激发学生科技创新的勇气。同时，在教学中有意识地介绍我国建设科研的新成就，介绍物理学在生产、科技领域中的运用，使学生认识到所学的知识确实有用，如讲到振动时介绍超声波在工程技术中的应用（超声波清洗、超声波探伤、海底深度测量）；讲到圆周运动时，介绍地球卫星及应用，天体物理学的一些知识，讲到静电场时，介绍静电的应用（除尘、喷漆、复印）和防止静电危害的方法；学到电磁波的传送和接收时，介绍利用电磁波定位、测量、导航、传递图像、遥控等；讲到材料的电阻率时，介绍世界上关于超导体的研究情况及我国在这一竞争中的最新成果；学到光学知识时，介绍光导纤维在医学和光通讯技术以及天文学上的应用；介绍光电管在自动控制中的作用；介绍激光的性能和应用，如利用激光单色性好进行激光通讯、等离子测试，利用它的能量集性用于打孔、焊接、切割及医学上用做手术刀，利用相干性好可作光源进行全息照相，等等。我的体会是教学中的这些结合，不仅可以使严密科学的教材内容变得有血有肉，富有趣味，便于记忆，而且可以扩大学生的知识面，激发他们强烈的求知欲。同时指出祖国建设对五年制职业学生的殷切期望，激励学生奋发上进，增强历史责任感。使学生受到良好的科技创新意识的教育。
3.在物理课外活动中渗透创新能力培养
物理课外活动也是加强对学生进行创新能力培养的重要阵地。与课堂教学相比，课外活动具有更大的灵活性和选择性。
3.1 开展科技小制作
根据学校的实际情况，积极组织学生开展科技小制作活动，首先着手编写科技活动的辅导材料，该材料共涉及41个研究参考课题，包括力学（如力的相互作用小车、模拟火箭等）；热学（如自制孔明灯等）；电学（如把音乐生日卡改门铃、火灾报警器等）；光学（如简易幻灯机、自制万花筒等）多个部分。将自然科学知识由浅到深；涉及传统课题和目前的热门课题等众多方向；目的是使学生关注身边的现象，养成科学的分析问题解决问题的习惯，不仅培养学生动手、动脑的能力，更重要的是培养学生的科学素质。教师将辅导材料编辑成册，目的是努力做到编写的内容有系统性、综合性和可操作性。其次，向学生介绍古今中外科技小发明。将古今中外科技小发明的构思、原理及作用介绍给学生，这对每个学生不仅是一个学习的过程，同时还能培养学生的创造欲望，启迪学生的创造思路。之后学生开始进行材料的采购，制造设计，方法的改进等工作。教师要求学生不仅要完成科技小制作，还要撰写科技小论文。因此要求学生自学，通过学习使学生学会怎样写科技小论文，写哪些方面的内容，启发学生观察周围事物，观察自然界中的各种现象，发现和揭示其奥秘，写出有价值的科技小论文。我们认为科学教育不仅仅是传授知识、掌握技能，更主要的是培养学生的科学方法和科学能力。只有在具备丰富的科学知识和技能的同时，学生才能逐步形成严谨的科学态度和高尚的科学道德修养。我们确定了以普及科技基础知识、紧密联系社会生活、树立科学态度、养成科学品质为目标的科技教育，通过各种有效途径，向学生介绍科学知识，发展学生科技创新的技能。
3.2 指导学生阅读科普读物
根据学生的知识基础，指导学生阅读有关的科普读物，如指导学生到阅览室去浏览《我们爱科学》中的科普文章，借阅《数理化科学演义》等科普读物，使学生更多地了解科技知识和科技发展的新动向，增加学生的科技知识，并组织“实用物理知识竞赛”，以调动学生学习、读书的积极性，使学生掌握更多的科学文化知识，培养学生的科技阅读能力。
3.3 举办科普知识演讲
回顾100年来特别是爱因斯坦发表《相对论》以来，物理学对科学技术、人类社会、经济等诸多方面的贡献，为唤醒人们对物理学的重视，联合国教科文组织，专门设定国际物理年。作为物理教师我们有义不容辞的责任。我们在学生中开展“物理学的贡献”演讲活动，目的在于使学生认识到科技知识与社会发展、生产、生活紧密联系在一起。在举办科技演讲时，要求学生认真选择材料，或根据有关资料撰写讲稿，根据平时收集的材料，集中学习。学生通过收集军事科学、航天技术、通信技术、空间技术、科学家的事例与贡献等材料，将搜集的资料在班上进行专题介绍，或利用板报介绍科普知识及物理知识的应用。通过这些活动，加强对学生进行思想品德教育和科学素质教育。
4.结束语
