研究型教学模式在大学物理实验教学中的应用

第一篇：研究型教学模式在大学物理实验教学中的应用

研究型教学模式在大学物理实验教学中的应用

摘要：研究型教学模式要求在教学过程中结合具体教学内容把科研方法、科研态度、科研思想等灌输给学生，使学生能知其然并知其所以然，从而激发学生的学习热情，锻炼和培养学生的创新能力。大学物理实验是重要的实践性课程，其课程特点非常适合采用研究型教学模式，在教学过程中采用研究型教学模式有利于提高实验教学质量。

关键词：研究型；教学模式；创新；质量

自1977年恢复高考以来，高考录取率已经由1977年的不到4.8%提高到2015年的75%以上。相应的录取人数也由27万提高到700万以上。随着毕业生人数的增加，社会对学生素质的要求也越来越高。但当前教育模式大多侧重于书本上知识的传授，结合具体实践的内容相对较少。这使得高等学校学生普遍缺乏良好的动手能力与解决实际问题的能力，在工作时难以满足用人单位高标准的要求。在就业压力日益增大的今天，如何提高学生的综合素质是全国各高校面临的一个迫切问题。

为了提高学生的素质，我们要注重加强学生的实践动手能力，增强学生自主解决问题的能力。而大学物理实验是大多数本科学生学习的第一个实践类课程，该课程对学生的后期实践学习具有重要的辅助作用，它可以为学生打下坚实的实践基础，促进学生实践动手能力，提高学生的应变能力，对学生的综合发展有着重要的作用。

大学教育要培养具备良好科学素质的人才，因此大学物理实验教学应该建立一种适合当代科技发展、能够培养具备深厚基础知识的创造性人才的实验教学新体系。实验内容应结合当代教育思想和高科技成果，实验教学方法和教学手段应改变过去的讲解加演示模式，逐步建立针对不同层次学生的开放实验室，以满足不同知识层次学生的需要，提高学生的学习主动性。

一、研究型教学模式的特点及意义

研究型教学模式要求在教学过程中把与教学内容相关的科学进展、科研方法、研究思维等传授给学生。把科学知识、科学研究与实践教学紧密的结合，这是研究型教学和创新性教育的本质要求，也就是说要边学习、边研究、边实践，强调要把实践与研究融入到教学过程中，并在教学过程中通过不断优化调整课程结构建立一种基于研究探索的学习模式。该模式以研究为本，使学生在学习过程中获得一个发现世界、探索世界的宽松教学环境，能够给学生提供自主研究问题的时间和条件，能够激发学生进行创新的欲望。

大学物理实验作为一门实践性课程，要求学生结合理论知识去操作仪器从而获得实验数据，在教学过程中注重学生的实验技能、实验方法、实验态度等方面的培养。当前的实验教学过程多采用教师讲解理论、仪器操作示范、数据计算说明等传统模式。经调查发现，在刚接触实验课时，学生对学习内容有较高的兴趣，这表明学生更愿意学习实践性课程。但上过几轮实验课后，学生的热情下降，喜欢物理实验的学生比例降低。这其中一个原因是学生认为实验学习过程只是机械模仿老师的实验操作，感觉枯燥乏味没有挑战，从而丧失学习热情。而采用研究型教学模式，可以开拓学生思维，使他们思考为什么做、怎么做这个实验，这个实验有什么用处、还能干什么，不断地思考以及结合科学的讲解，能够极大地提高学生的学习热情。

教育部关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见中明确提出“积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”。因此，在教学过程中如何实施研究性教学，推动学生的研究性学习，处理好教与学两者之间的关系，进一步深化实验教学改革，激发学生的创新意识，锻炼和培养学生的创新能力，是高校教育改革的重要课?}之一。

二、研究型教学模式在物理实验教学中的应用

做好物理实验，需要理论与实践相结合，对提高学生的实践能力具有重要的意义。在教学过程中采用研究型教学模式可以极大地提高学生的学习热情、开拓学生视野、锻炼科研思维。在实验教学过程中采用研究型教学模式有以下特点。

（一）研究型教学模式在教学过程中要强调“知其然”

在实验教学中，通常每个实验项目都是一个独立的知识点，学生经常困惑于为什么做这个实验，它对我们有什么用处。因此，在实验介绍中要与科研调研相似，讲述实验背景、实验的发展、研究现状等。讲授内容要丰富，要结合具体事例，让学生明确实验所涉及的理论在现实生活中的意义，使学生理解为什么要测量这个参数。如在导热系数实验中，导热系数表示物质导热能力的大小，是衡量材料热物理性质的重要参数。在强调节能减排的今天，提高能源利用率，降低热量损耗具有重要意义。在工业、建筑、军事、生活等领域，选择不同导热性能的材料或采取改善导热性能的手段会起到决定性作用。如现在研究热点的陶瓷发动机就利用了陶瓷导热性能差，可以提高发动机燃烧效率，降低能耗等优点。只有“知其然”学生才能更好地结合生活实际，更容易理解接受实验内容。

（二）研究型教学模式要求明确“知其所以然”

每个实验都利用自己独特的原理，原理明确了实验内容就易于学习。因此实验原理的讲解要有启发性，针对具体测量的目标能通过不同的手段进行测量，要结合科研中的方法进行综合性说明。讲授课本外的知识，可以有效地开拓学生思维。如导热系数的测量主要依据其定义，具体在理论上分为稳态和非稳态两大类。每种方法都有依托的理论依据，而测量对象的不同使得测量方法也不相同，同时测量速度与测量精度也大相径庭。我们在实验中是采用平板稳态法。该方法的样品要制成平板形，其上表面与一个稳定的均匀发热体相接触，下表面与一个均匀散热体相接触，根据温度梯度的变化来进行测量。该方法直接来源于导热系数定义，原理简洁直观，学生非常容易理解。

（三）研究型教学模式的测试样品要“接地气”

学生在本科期间接触科研工作相对较少，对科研工作好奇又有些敬畏心理。因此，我们的教学实验样品要贴近生活，人们能够摸得着看得见，改变学生心目中科研是“高大上”的神秘感觉，让学生知道科研是来源于生活，是结合实际的。如在导热系数实验中，测量样品我们选择生活中常见的板材。以四种不同类型的板材制作成大小相同的样品，分别为实木板、密度板、胶合板、复合地板。因为板材含水率不同对导热系数有较大的影响，所以在测试前，对全部样品进行了12小时的干燥处理。测量之前要对学生说明不同样品之间的区别，预测将会产生什么样的实验结果。

（四）研究型教学模式要求在教学过程不断提出“为什么”

在科学研究中要求我们善于发现问题，并对产生的问题做出正确的解释。我们要把这种“较真”精神投入到教学过程中，我们的教育要有目的地训练学生科学严谨的实验态度，在具体工作中一定要细致，考虑问题要充分。每一个“为什么”就是一个结合实际的问题，如何解决“为什么”是对学生能力的一种锻炼。我们在导热系数实验中要问学生“为什么样品要制作成薄板”“为什么加热温度要恒定”“为什么散热条件要一致”“为什么可以忽略?让嫔⑷鹊挠跋臁薄拔?什么热电偶冷端温度可以不为零”等。解释了这些问题，学生对学习内容就会有一个充分的理解。

（五）研究型教学模式训练学生的实验习惯要“标准”

标准不是呆板，是合乎规定满足要求，是具备科学素质的一种体现。中国每年都有一些关于高校实验室安全事故的报道，而受伤对象绝大多数都是学生。究其原因主要是由于学生在实验过程中操作不规范、安全意识淡薄造成的。因此在教学中教师要以科研的标准严格要求学生，做到仪器操作要规范，实验步骤要准确，注意事项要明确，数据记录要真实。在具体实验过程中，我们从各个环节都对学生提出严格要求，如实验预习要充分清楚自己要做什么怎么做；实验之前要关注实验须知，牢记注意事项；实验操作要严格遵守仪器操作要求，电路连接一定要规范；数据处理要认真，要对测试结果进行不确定度评价等。严格的要求才能形成良好的习惯，实验习惯标准了，对学生日后的学习工作有重要的意义。

三、结束语

研究型教学模式要求在实验教学过程中重视教学、科研、实践相结合。教学上我们要以书本上的理论为基础，讲清楚讲透彻，使学生具备扎实的理论基础；科研上要渗透相关领域的科学思想，注重培养学生的实验技能与发散思维，能够提出问题并自己解决问题；实践上要训练学生学有所用，能用掌握的知识、技能去解决生活中的具体问题。通过与常规教学方法的比较我们发现，采用研究型教学模式进行实验教学有利于提高学生的学习热情，开拓学生视野，锻炼学生思维，培养学生良好的实验习惯，对提高实践教学质量有重要的作用。

参考文献：

[1]汪劲松等.实施研究型教学推进创新性教育[J].中国高等教育，2003，6：26-28.[2]卢德馨.关于研究型教学的进一步探讨[J].中国高等教育，2004，21：24-25.[3]刘智运.论高校研究性教学与研究性学习的关系[J].中国大学教学，2006，2：24-27.[4]崔金刚等.提高大学物理实验教学质量的几点举措[J].黑龙江教育，2012，5：11-12.编辑/吕秀妍

第二篇：网络教学在大学物理实验教学中的作用论文

摘要：在高校教学中，网络教学的地位越来越高。开放网络教学模式的物理实验教学，让学生自主进行学习，已成为如今实验教学中的重要组成部分。本文从可用性以及技术性这两方面对网络教学的一些基本内容以及要求进行介绍，同时对网络教学的应用进行了分析，旨在说明网络教学在物理实验教学中的重要性。

关键词：物理实验；网络教学；虚拟实验

物理实验课是一门较为基础的实践课程，多年以来这门课程的开展方式都较为传统。但是网络教学的出现改变了传统实验教学模式，它通过各种手段把图像、声音等各方面的信息很好地结合在了一起，给学生构建了一个操作方便且内容全面的学习环境。

一、大学物理实验网络教学的构建原则

根据国家所制定的课程标准，高校的物理实验教学应该把学生作为主体，侧重于培养学生的创新能力以及自主学习能力，对实验教学向空间以及时间方面进行延伸。学生可以事先通过网络教学进行自主学习，对实验所要用到的仪器的使用方法、内部结构以及实验整体的指导性思想进行研究。网络教学会涉及物理实验的一些新内容和手段，通过网上学习，学生可以掌握先进实验的内容。同时网络教学中还会在课程之外添加许多实验教学，可以开阔学生的视野，让他们学到更多知识。网络教学是物理实验教学非常重要的组成部分，有利于推动教学发展。

二、大学物理实验网络教学的要求和内容

1.大学物理实验网络教学的可用性

网络教学是通过网络开展的，学生从网上进行自主学习要具备一些计算机知识，所以一定要充分考虑学生计算机方面知识的差异。为了方便广大学生学好网络课程，教师设计课程导航时一定要以结构完整且清晰为基本原则，对界面的设计一定要做到简明直观。教师应该保证学生能够快捷准确地检索到网络教学中所涉及的各种参考资料，便于他们的下载。对教员在网络教学中出的考试试卷以及布置的作业，学生完成提交之后，教师要对相关信息有详细的记录，同时应该给学生提供一些数据分析。学生要能够确定自己所学的章节，能够精确地定位知识点。

2.大学物理实验网络教学的技术性

网络教学实时性较好，可以随时更新教学内容。在构建网络教学时，各组成成分一定要齐全，同时还要准备丰富的相关资料，媒体的展现一定要准确无误，界面要协调美观，要有统一的文字格式。此外，媒体声音要非常清晰，实验的模拟动画要逼真，数据要保证安全；对与教学相关的数据以及素材等的维护要方便，系统的运行要非常稳定。这些都是开展网络教学需要关注的地方。

三、大学物理实验网络教学的应用

1.网络教学成为物理实验教学的新模式

网络教学通过校园网络全时段地为在校学生提供教学服务，克服了传统物理实验教学中因场地和课时所带来的教学困扰，学生随时都可以进行自主学习。在传统的教学模式中，教师是教学的主体，学生只是在被动地学习知识，不能自由地进行课程内容选择，处于一种较为被动的状态。但是网络教学的出现改变了这种模式，学生可以根据自己的爱好自主进行课程选择，在这一教学模式中学生才是主体。

2.网络教学保证了教学效果

物理实验教学重点强调的是学生的动手能力，然而对于那些较为精密复杂的物理实验，因为条件不够，往往不能给学生提供自主设计物理实验和参数、自主进行实验并观察相关现象的实际机会。尽管目前相关技术得到了很好的发展，但是伴随着新技术的产生，其中需要学生思考的地方也少了，学生只需按照提示操作，就无法学到较多的知识。但是如今网络教学中增加了虚拟实验功能，在虚拟的实验场景中学生可以使用各种虚拟的仪器，同时在这一场景中学员可以点击相关功能随时查阅相关实验数据，有更多自主思考的空间。网络教学给学生提供一个自主且较为宽松的学习环境，有利于培养学生的物理实验学习兴趣，同时可以让学生学到更多知识。学校可以建立专门的网上论坛，学生在论坛上进行交流，教员也可以在网上实时解答学生的提问。

参考文献：

[1]周殿清.大学物理实验教程[M].武汉：武汉大学出版社，2005.[2]张彩云.多媒体在现代大学物理实验教学中的应用[J].电脑知识与技术（学术交流），2013，（8）.

第三篇：PBL教学模式在数字信号处理实验教学中的应用

PBL教学模式在数字信号处理实验教学中的应用

摘 要：针对应用型本科高校学生在《数字信号处理》课程学习中存在的学习困难、理论与实践脱节等问题，介绍了PBL教学模式在该课程的实验教学中的具体应用。教学实践证明，该教学模式有效地促进了学生对课程内容的理解，发展了学生解决实际问题的思维能力、合作能力与自主学习能力，提高了学生的工程应用能力。

关键词：应用型本科 PBL教学模式 数字信号处理

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0147-02

《数字信号处理》是电子信息类本科开设的重要专业基础课，介绍数字信号处理的基本概念、基本分析方法和处理技术。课程主要目的是培养学生的抽象思维能力和综合应用知识解决工程问题的能力，并为进一步学习有关信息、通信等方面的课程打下良好的理论基础。该课程的传统教学手段一般以理论教学为主，实验教学为辅。其中理论部分包含较多的数学概念和公式推导，具有涉及内容多、概念抽象等特点。对于大量应用型本科高校的学生，由于基础相对薄弱，常常会觉得枯燥乏味，只能对书本上的理论知识死记硬背，而不能领悟其实际意义，从而难以将理论知识转化为实际应用。因此，加强《数字信号处理》课程的实验教学，做好原理和应用的衔接，是应用型本科高校课程教学改革的重要环节。

为提高应用型本科人才的培养质量，本文作者在《数字信号处理》课程的实验教学中尝试采用基于问题学习（Problem-Based Learning，PBL）的教学模式，将理论知识的学习与解决工程问题有机结合，要求学生围绕具有应用背景的真实问题，采用自主学习和团队合作的方式分析、解决问题，从而促进其对课程内容的理解，提高工程应用能力。PBL教学模式简介

PBL教学模式由美国学者Barrows首先提出[1]，其以社会学习理论和建构主义学习理论为支撑，以问题为基础来展开学习和教学过程，将学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，学生在教师引导下，通过合作共同解决具有一定复杂性的实际问题，学习隐含于问题背后的知识，借此过程使学生展开知识的建构，促进学生获得解决问题的能力、自主学习的能力和和团队协作的技巧[2-3]。PBL教学模式相较于传统的教学模式，主要存在以下特点[4-5]。

1.1 围绕问题开展教学

PBL教学模式先提出问题，以问题为基础和起点，所有的学习均围绕问题展开。

1.2 强调学生的团队协作性

PBL教学模式以学生小组为单位进行，小组成员要积极配合，既有分工又有协作，通过调查和收集资料，疑难问题讨论和意见综合等协作学习，实现知识的共同建构。

1.3 具有师生交互性

PBL教学模式实施过程中，教师通过设计问题、并创造合适的学习环境，引导学生对问题开展学习活动，师生之间展开密切的交流、探讨，促进和指导学生有效地学习，寻求问题的解决。

因此，对于以培养适应地方经济社会发展需要的应用型本科人才为目标的高校，为促进学生解决实际问题的实践能力和团队合作能力，非常适合在电子信息类实验教学中引进PBL教学模式。PBL模式在数字信号处理实验教学中的应用

2.1 课程情况概述

笔者所在学院的电子信息工程专业所开设的《数字信号处理》课程，总课时为64学时，包含16学时的课内实验。传统的课内实验均为验证性实验，大部分学生只会简单地照搬实验讲义的详细步骤完成固定的实验内容，而对实验内容及结果所反映的原理并不理解。因此，结合教学改革要求，在新的课程实验设置中显著提高了综合性、设计性实验的比例，这些实验项目以问题为导向，教师主要给出实验的要求和技术指标，要求学生自主选择并综合利用学过的理论知识和实践技能去实现一个比较完整的数字信号处理系统，体现了典型的PBL教学法的应用优势。

2.2 PBL模式实验教学的具体实施

2.2.1 学生分组与基本培训

在实验课之前，首先对学生进行PBL教学模式的基本培训，使学生明确PBL教学的目的、方法、要求及评价手段等。同时，在40人的班级中建立10个学习小组，每组4名学生。各组分别推选一名组织能力和责任心较强的同学担任组长，负责本小组成员的组织协调和分工。

2.2.2 问题设置

问题设置是PBL教学实施中的核心环节。在这一环节中，教师根据教学大纲和实验教学内容，对实验课题设置若干应用问题。围绕我校应用型人才培养的方针，所设置问题尽量贴近应用开发实际，以培养学生的工程应用开发能力为导向。具体来说，问题设置主要遵循的原则为：（1）问题具备真实的工程背景；（2）问题具备开放性和劣构性；（3）问题具有一定的层次性和复杂度。

下面以本实验课程中的一个可选的综合设计性实验为例，介绍相关问题的设置。该实验的基本内容为，设计数字心电采集系统，实现含有噪声的心电信号的采集和滤波。实验前，由教师提供一个包含心电传感器和放大电路的实验板，以及一个包含单片机及A/D转换器的接口板。实验要求分为两个阶段：第一阶段为心电信号的采集，与学生正在同时学习的单片机课程相结合，要求学生通过单片机编程控制A/D转换器，将放大后的模拟心电信号转换为数字信号，并通过串口传送至pc机。在这一阶段，设置的主要问题包括：如何根据信号带宽确定合适的采样率等。通过这些问题，引导学生在实践中深入理解采样定理。第二阶段的工作，则是在PC机上通过Matlab对采集到的数据进行读取和滤波，去除工频干扰、高频肌电、基线漂移等。该阶段设置的主要问题包括：有效信号的主要频率范围、主要干扰源的频率范围、线性相位和非线性相位滤波对波形的影响、IIR和FIR滤波器的特点等。通过这些问题的设置，引导学生在实践中加深对IIR和FIR等滤波器各自特点的认识，并根据不同的工作目标选择合适的滤波器类型。

2.2.3 分析问题与自主学习

在实验项目相关的问题发布后，要求各学习小组的学生开展自主学习，认真阅读教材，复习已学过的相关知识，同时，利用图书馆、互联网等渠道查阅相关参考书籍和文献，并通过组内的不断交流和探讨以初步分析问题。

2.2.4 集中讨论与问题解决

在学生对实验所设置的问题进行初步分析的基础上，教师在实验课上组织学生开展问题的集中讨论，引导各学习小组进一步深入理解问题，研究问题的具体解决方法，并明确各人的任务分工。整个讨论过程以学生为主导，教师以共同讨论者的身份进行引导、启发。在自主学习和集中讨论的基础上，各小组最终形成具体的问题解决方案，并通过编程实现对问题的解决，进而完成相应的实验项目。

2.2.5 总结与点评

学习小组在编写程序实现问题解决的过程中，教师以实时巡视、检查进度、随机提问、验收成果等方式促进小组的工作。由于实验内容及对应问题的设置具有一定的开放性，学生解决问题的思路和方法也相应具有多样性，教师对各小组的问题解决方法进行归纳总结，并在下次实验课做出点评。

2.3 PBL模式下的成绩评价

为了客观地评定学生的学习效果，需要采用多层次多角度的评价方法。最终成绩的评定并不仅仅由期末的实验考核所决定，而是突出过程表现，强调过程性评价。最终的实验成绩由以下几部分组成。

2.3.1 自主学习表现

该部分占总成绩的30%，主要衡量学生在PBL模式下的学习方法、学习态度和学习能力。具体评价点包括：学生是否阅读了相关教材、参考资料；能否有效利用所学的知识分析问题；在学习小组讨论中是否积极发言，发言内容是否与讨论的问题有关且具有一定的深度；小组成员间的互相评价。

2.3.2 实验过程与实验报告

该部分占总成绩的35%，主要衡量学生在实验中具体解决问题的能力和总结归纳水平。具体评价依据来自于教师巡视及提问的记录以及学生提交的实验报告。

2.3.3 实验考试

该部分占总成绩的35%。主要衡量经过一学期的PBL训练后学生个人的综合实验能力。具体评价依据来自于实验考试中对所给实验题的完成速度与质量。结语

教学实践表明，在《数字信号处理》课程实验中采用PBL教学法，可以有效地激发学生的学习兴趣和巨大潜能。学生围绕问题、以小组为单位开展学习，加深了对课程基本内容的理解和掌握，独立分析、解决问题能力和团队合作的能力得到了培养，取得了较好的教学效果。但是，在教学的过程中也存在一些值得注意的问题：例如，课内实验学时数不足，必须花费大量的课外时间，导致学生负担明显增加；分组实验后，有部分学生在小组中承担的任务量少，导致对其独立解决问题能力的培养缺乏；成绩评价方式的多元化增加了评分考核的难度等。因此，如何更有效地在《数字信号处理》课程实验中应用PBL教学法，还需结合课程特点进一步探索，接收来自学生的反馈，在实践中不断完善教学方法。

参考文献

[1] Barrows H S.The essentials of problem-based learning[J].Journal of Dental Education，1998，62（9）：630-633.[2] 王志军.用PBL教学方法培养学生创新实践能力[J].实验技术与管理，2009，26（6）：23-24.[3] 钟丽莎，李佳凌，黄志伟，等.PBL与TBL教学法在“电子技术课程设计”中的结合应用[J].中国电力教育，2013（8）：53-54.[4] 刘春城.PBL教学模式在工程训练教学中的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29（4）：158-161.[5] 谭飚.基于PBL的“数字信号处理器”课程改革[J].中国科技信息，2013（10）：112.

第四篇：问题式教学法在大学物理教学中的应用

问题式教学法在大学物理教学中的应用

【摘 要】 问题式教学法可以有效的提高课堂教学效率，激发学生的学习兴趣，提高学生解决实际问题的能力；在大学物理教学中科学有效地实施问题式教学法，重在创设情境，发现问题；层层推进，分析问题；合作交流，探讨问题；实践应用，拓展问题。

【关键词】 问题式教学法；大学物理；理工科；应用

大学物理作为理工科学生的一门必修课程，与数学、天文学、化学和生物学等学科之间有密切的关系，物理学研究的规律与现代物理学息息相关。大学物理的学习，可以改变学生的物理认知结构，掌握科学的学习方法和提高学习能力。建构主义认为，在教学活动中教师应当是合作者、组织者和引导者，教学是使学生在教师所创设的学习环境和条件下进行自我探索和完善的过程。问题式教学法，由教师引导以问题化的形式，激发学习兴趣，以达到学生完善认知结构，发展创新意识和提高综合能力的新式教学法；将问题式教学法应用到大学物理教学中，能全面提高大学物理课堂教学的质量，有效地培养学生的自主学习能力、逻辑推理能力、分析问题能力、创新思维能力等。

一、问题式教学法

基于问题教学是近年来教学改革者广泛研究与应用的一种新型教学模式。将问题方法融入教学中最早可以追溯到古希腊，苏格拉底推崇使学生在教师指导帮助下提出问题并主动寻找正确答案；前苏联教育家马赫穆托夫提倡采用教师带领学生发现问题、师生交流探讨问题和学生独立思索释疑三种模式进行教学，使教学成为学生主动参与并享受合作探究的快乐过程。20世纪50年代美国著名教育学、心理学家杰罗姆?布鲁纳在总结前人研究成果，在系统的理论归纳、广泛的实践经验基础上提出了问题式教学模式。该模式旨在通过教师对学生引导，以问题的设计和解决作为主线，对教学的重点和难点层层展开，形成循序渐进、递进式深入的课堂教学结构。问题式教学法通过学生心理认知结构的变化，使学生掌握理论知识和提高运用知识解决问题的能力；在教学过程中充分激发学生的探究欲望，从而调动学生学习的积极性和主动性，培养和锻炼学生自学能力和积极的探索精神。

二、问题式教学法的应用

问题式教学法的基本思路是：将要掌握的新知识融入到真实的问题情境中，通过相互之间的交流合作与探究来建构知识，基于问题的解决来培养创造性思维与协作能力。大学生即将踏入社会，培养学生解决问题与发现问题的意识和能力显得尤为重要。

1、创设情境，发现问题

首先，问题准备。教师必须对物理概念和基本定律准确理解、充分掌握，并对学生的物理背景、知识结构和学习态度做好充分调研和准备，根据教学目标设计好每一个问题。其次，创设情境。在实际的教学中，教师根据课题目标设置适当的情境，呈现与之有关的足够材料，在大学物理教学中，主要从下几个方面设置情景：

（1）挖掘教材内容。大学物理中很多知识点间有相同的性质或相似规律，可以从旧知识的已知特征，去推测新知识的相应特性。如在讲电势能时，引导学生复习重力场中重力势能的规律。因为在静电场中移动电荷，电场力的功也与路径无关，那么电荷在电场中具有的势能又有什么规律呢？（2）进行演示实验。有些概念和规律，无论教师如何费力讲，学生也很难理解和体会时，通过简单的演示实验，教师用很少的语言，即可把要讲述的课题展现在学生面前。“静电屏蔽”是学生难于理解的概念，讲课前可以作这样的演示实验，将带电棒靠近通草球，通草球因被带电棒吸引而摆动。可是将通草球放在金属网内时靠近同一个带电棒，却不会被吸引摆动。这时学生会思索金属网内发生了什么变化？为什么通草球不动？（3）联系日常生活。物理是一门与日常生活息息相关的学科，很多熟悉的现象直觉观念跟物理观念往往不一致，可以通过揭示矛盾，激发学生的学习兴趣。讲牛顿第三定律以前，向学生提出这样一个问题“拔河的双方，赢的一方拉力大还是输的一方拉力大？”大多数学生会脱口而出 “赢得一方拉力大”。我说“是否正确通过后面的分析大家就会明白”。（4）利用学生的各种反馈信息。有些知识点学生虽然理解了，但不够透彻，似会非会，针对学生没有巩固或常出错的知识，最好的方法是教师设疑，让学生在回答或板演中把学的粗浅的问题充分暴露出来。然后根据暴露出来的通病让学生辨别是非，剖析根源，真正解决问题。如滑块在劈尖下滑时，机械能是否守恒等。

2、层层推进，分析问题

心理学研究曾表明：学生的思维活动总是由问题开始，在解决问题中得到发展的。课程中难度较大的知识点或重点部分的内容，与之相联的基础知识较多，综合性较强，可采取由浅入深，层层推进的方式进行。第一步，提出“思考”的问题。学生感到解决某一问题的必要时，他的思维必然活跃起来。当学生的兴趣被激起后，他们急于弄清里面的道理。有的急于看书，有的努力回顾以前的知识，有的小声议论。学生的注意力被集中到问题上，课堂气氛热烈。第二步，教师巡回指导，层层分析问题。在教学中教师不断揭露种种矛盾，提出各种疑问，使学生时时感到有许多新鲜而有趣的问题可想，有许多矛盾需要解决，为学生提供探究的材料和信息，充分发挥学生的学习潜能，给学生以充分的活动时间和空间，引导学生提出解决问题的假设，做到既生动活泼，又不放任自流。第三步，鼓励学生解决问题。促使他们联想有关的旧知识，对比所讲的新知识，思考它们之间的区别和联系，设想各种解答方案，积极进行分析和综合，找到解决问题的途径。

如讲功一节，先让学生回忆功的概念：物体在受力的方向上移动一段距离，则该力对物体做了功；若力的方向与物体前进的方向垂直，此力对物体不做功。第一步提问：如果力的方向既不与前进方向一致，也不与前进方向垂直，这力对物体做功吗（在黑板上做出受力图）？课堂上非常“静”，学生正在寻找解决问题的途径，思想极其活跃，静中藏动。这时进行第二步引导分析问题。提示“大家不是学过力的分解吗？把这个力分解一下怎样”。很快学生思维成熟，由静而动，课堂顿时活跃起来。接着提问“刚才物体在运动过程中受到的是恒力作用，如果在物理所受力随位置改变呢？”学生处于“静”的思索状态。继续第三步，鼓励学生解决问题。提示学生联想高数上的微积分，先微分再积分，即先分析力对质点的瞬时作用，然后再连续求和，即积分。由恒力作用下的一般公式，进而得到变力做功公式。通过一步一步分析问题，使学生一直处于“静”“动”两种交替的状态。“静”是学生独立的思维活动，“动”是思维活动的交流和表露。教学过程如同师生之间传球，不能光看教师扔出去多少球，主要看学生最终能接到多少球。而学生怎样去接，就要看教师如何引导。

3、合作交流，探讨问题

物理学难学是很多学生对于物理课的评价，大部分学生学不好的原因是没有钻进去，感到物理知识在头脑中杂乱无章，学起来枯燥无味，毫无兴趣。解决学生学而无趣的最好办法就是讨论法，千方百计使学生参与到争论和积极思维之中，这样便自然产生了兴趣。

第一，选好题目。书中无现成答案而又需大家认真思考的问题，教师要重点组织展开全班或小组讨论，充分诱导学生动眼观察、动手实验、动耳倾听、动脑思考、动口争辩，置学生于主动探索知识之中。重点从以下方面选题：（1）书本知识与生活经验有矛盾的问题，如课本上两列光相遇发生干涉相长相消，而实际生活中看到的光强度分布是均匀的；（2）学生观察到物理现象而未弄清现象的本质问题，如枪打落猴、飞机抛物等；（3）学生容易混淆和难以理解的问题，比如在验证牛顿第二定律的实验中，作用在小车上的拉力和放在盘里的砝码的重量哪个大？出现三个答案：小车所受拉力等于盘里所放砝码的总重量；小车所受拉力小于盘里所放砝码的总重量；小车所受拉力大于盘里所放砝码的总重量。第二，合理分组。根据问题的难易和学生的学习情况，可以采取同桌讨论、小组讨论及全班讨论的形式，尽量让每个学生发表他们自己对问题的认识和理解，互相启发，共同提高。最后，归纳总结。讨论过程中，教师及时从学生的交流中收集信息，进行梳理汇总，充分释疑。通过讨论交流，不仅激发了学生的浓厚兴趣，而且加深了对知识的全面理解和掌握。

4、实践应用，拓展问题

俗话说：“百闻不如一见”，在物理教学中可增加一句：“百见不如一做”。学生对知识的认识和理解仅仅是掌握、驾驭它的第一步，获得知识的最终目的在于运用。真正做到熟练掌握，应用自如，还须通过反复实践。反过来，学生通过运用知识、解决实际问题，又可以强化感知，加深对知识的理解。

首先，上好实验课。物理实验课是学生在教师的指导下独立进行实验的一项实践活动，通过对实验现象（如牛顿环，光栅等）的观察、分析，可以培养学生的科学实验能力，包括：实践能力、思维判断能力、表达书写能力、简单的设计能力、创新能力。其次，利用第二课堂。根据学生学习的兴趣爱好，组织他们参加课外活动小组，如物理兴趣小组、科技发明小组、天文小组、无线电小组、航模小组等。最后，开展各类竞赛活动。根据各理工科的专业特点，组织学生开展各类科技小发明、小制作、小论文活动，举行物理竞赛、实验竞赛等。近些年我们系每年开展一期电子设计大赛，培养了一批知识面宽、思路敏捷、动手能力强的学生。通过一系列有趣的实践活动，让学生学会创造性的运用知识，从而提高学生解决实际问题的本领，锻炼动手动脑的能力。在实践中培养学生无论遇到任何情况或做任何事情，都要考虑两个问题：为什么、怎么办。前者追究原因，后者提供对策。只有搞清原因，才能想出办法。

对大学物理教师来讲，应根据大学物理的课程特点，将问题式教学法科学地加以运用，授人以渔的同时完成理工科学生大学物理知识的传授和学习兴趣的激发；通过有效利用课堂及课下练习巩固加深学生对理论知识的理解掌握，然后加强实践应用来实现对知识的吸收、消化和拓展，完成对他们创新能力的培养。从而实现培养高素质、创新性、应用性人才的目标。

【参考文献】

[1] 刘均利.问题式教学法在“桥梁工程”教学中的应用研究[J].课程教材，2011.196.[2] 戴维，沈建华，段天权等.开放式教学法在大学物理实验教学中的应用[J].科技信息，2011.16.[3] 刘归，曹晓萍.基于“英特尔未来教育教学模式”的大学物理问题教学[J].陕西教育，2009.3.[4] 力昌英，谢柏林，万士保.管窥独立学院大学物理教学方法及运用[J].物理通报，2012.3.[5] 华雪侠，向宁静，李耀宗等.问题主线教学模式在大学物理实验中的实践研究[J].陕西教育，2013.6.【作者简介】

姚文苇（1981-）女，山东临沂人，讲师，硕士研究生.

第五篇：投稿 MATLAB在大学物理教学中的应用示例

应用于大学物理教学的MATLAB图示模拟的示例

王明美1 李冬鹏2

（合肥师范学院电子信息工程学院，安徽，合肥，230061）

摘要：针对大学物理教学中理论性较强、概念抽象等特点，利用MATLAB强大的数值计算和图形技术，在大学物理中选取了李萨如图形、麦克斯韦速率分布、电偶极子的电势和电场、杨氏双缝干涉等实例，通过对这些实例进行分析，绘制了相应的模拟图示，对于大学物理的教学提供一些参考。

关键词：MATLAB，李萨如图形，电偶极子的电势和电场，双缝干涉，图示模拟

1.引言

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用和转化规律的学科，是其他自然科学和工程技术的基础。以物理学为主要内容的大学物理课程，是高等学校理工科学生的一门重要基础课。在教学过程中，学生普通反映该门课程比较抽象，很多概念难以理解，空间图形难以建立。MATLAB以矩阵作为数据操作的基本单位，提供了十分丰富的数值计算函数、符号计算功能和功能强大的绘图功能，借助MATLAB模拟和实现结果的可视化，把抽象概念变为清晰，用直观的数据和图象形象的描述物理图形和图象，有助于学生对这门课程的学习。

本文应用MATLAB对于李萨如图形、麦克斯韦速率分布、电偶极子的电势和电场、杨氏双缝干涉等实例进行了分析，给出了模拟图形。

2李萨如图形

一个质点同时在X轴和Y轴上作简谐运动，形成的图形就是李萨如图形。应用图形函数plot[2]，模拟出李萨如图形。plot 是绘制二维图形的最基本函数，它是针对向量或矩阵的列来绘制曲线的，使用plot 函数之前，必须首先定义好曲线上每一点的x 及y 坐标，基本格式是plot（x,y）。2.1题设和分析

已知质点在平面上同时参与x,y方向的简谐振动：

x3sin(5t/4)y2sin(5t/6)

绘制出质点在平面上的运动轨迹[1]。

分析题设，可知两个简谐振动的振幅比为2:3，频率比为3:2 2.2 示例程序

clear %清除变量 xm=2;%横坐标范围 ym=3;%横坐标范围

t=0:0.01:20;%设置时间范围和步长 a1=2;a2=3;%设置振幅

wx=3*pi;wy=2*pi;%设置相位，频率比3:2 1王明美（1956-），女，江苏省南京市人，合肥师范学院电子信息工程学院副教授，主要从事普通物理、近代物理和计算物理的教学和研究

[基金项目]合肥师范学院质量工程项目教学示范课程“大学物理”（2011jxsf05）和教改示范课程“普通物理学”（2011jgsf02）2李东鹏（）phi1=0;phi2=0;%设置初相位 x=a1*cos(wx*t+phi1);%横坐标表达式 y=a2*sin(wy*t+phi2);%纵坐标表达式 plot(x,y);%绘制图形

axis equal tight %使坐标刻度相等 title('李萨如图形(itv1:v2=3:2)','fontsize',16)%显示标题 xlabel('itx','fontsize',12)%显示横坐标 ylabel('ity','fontsize',12)%显示纵坐标

图1 李萨如图形示例 麦克斯韦速率分布图示

麦克斯韦速率分布曲线是根据麦克斯韦速率分布函数在一定条件下的曲线图示。应用图形函数plot模拟麦克斯韦速率分布曲线。3.1示例原理

麦克斯韦经过理论研究，指出在平衡状态中气体分子速率分布函数的具体形式是

f(v)4(m0)e2kT32m0v22kTv2，其中的f(v)叫做麦克斯韦速率分布函数，表示速率分布函数的曲线叫做麦克斯韦速率分布曲线。[1]

3.2示例程序

用Matlab模拟氢分子在温度分别为73K、273K和1273K时的速率分布曲线的程序如下：

m0=3.35e-27;%设置氢分子的质量 T1=73;%设置温度 T2=273;%设置温度 T3=1273;%设置温度

k=1.38e-23;%玻尔兹曼常量取值 v=0:100:5000;%设置温度范围和步长 f1=4*pi*(v.^2).*(m0/(2*pi*k*T1))^1.5.*exp(-m0*(v.^2)/(2*k*T1));f2=4*pi*(v.^2).*(m0/(2*pi*k*T2))^1.5.*exp(-m0*(v.^2)/(2*k*T2));f3=4*pi*(v.^2).*(m0/(2*pi*k*T3))^1.5.*exp(-m0*(v.^2)/(2*k*T3));%分布函数表达式

plot(v,f1,v,f2,v,f3);hold on;%绘图 title('麦克斯韦速率分布曲线示例','fontsize',16)%显示标题

text(1200,1e-3,'{T73K}','fontsize',12);%文本注释，位置，内容，字体 text(2300,0.5e-3,'{T73K}','fontsize',12);text(4500,0.3e-3,'{T73K}','fontsize',12);xlabel('itv/(m/s)','fontsize',16)%显示横坐标 ylabel('itf(v)','fontsize',16)%显示纵坐标

所得图形如图2所示。

图2 不同温度下的氢分子的速率分布曲线

4电偶极子的电场和等势面图示

这是电磁学的一个典型图示。由函数contour先画出等势线，再由流线函数gradient模拟画出电场线。contour是等值线图函数，基本格式是contour(Z)根据矩阵Z画出等高线。gradient是求梯度函数，基本格式是gradient(f)用数值方法求函数f的梯度。4.1 题设和分析

由电学知，电偶极子为带等量异号的两个点电荷系统。设两个电荷间的距离为2a，k1409109Nm2/C2，q1为正电荷，q2为负电荷，且q2/q11电偶极子的电势为

Ukq1kq2（1）r1r2其中r1(xa)2y2(2)r2(xa)2y2(3)

UU电场强度可以根据电势梯度计算Eiyx

j（4）3 4.2 示例程序

电偶极子的电场线和等势线的画法（等量异号点电荷对q2:q1=1）程序如下： clear %清除变量 q=1;%电量比

xm=2.5;%横坐标范围 ym=2;%横坐标范围 x=linspace(-xm,xm);%横坐标向量 y=linspace(-ym,ym);%纵坐标向量 [X,Y]=meshgrid(x,y);%设置坐标网点

r1=sqrt((X+1).^2+Y.^2);%第一个正电荷到场点的距离 r2=sqrt((X-1).^2+Y.^2);%第二个正电荷到场点的距离 U=1./r1-q./r2;%计算电势

u=-4:0.5:4;%等势线的电势向量 figure %创建图形窗口 contour(X,Y,U,u, '--');hold on;%画等势线 hold on %保持图像 plot(-1,0,'o','MarkerSize',12)%画正电荷 plot(1,0,'o','MarkerSize',12)%画负电荷

[Ex,Ey]=gradient(-U,x(2)-x(1),y(2)-y(1));%用电势梯度求场强的两个分量 dth1=20;%第II、III象限电场线角度间隔 th1=(dth1:dth1:180-dth1)*pi/180;%电场线的起始角度 r0=0.1;%电场线起点半径 x1=r0*cos(th1)-1;%电场线的起点横坐标 y1=r0*sin(th1);%电场线的起点纵坐标 streamline(X,Y,Ex,Ey,x1,y1)%画第II象限电场线 streamline(X,-Y,Ex,-Ey,x1,-y1)%画第III象限电场线

dth2=dth1/q;%第I、IV象限电场线角度间隔 th2=(180-dth2:-dth2:dth2)*pi/180;%电场线的起始角度 x2=r0*cos(th2)+1;%电场线的起点横坐标 y2=r0*sin(th2);%电场线的起点纵坐标 streamline(X,Y,-Ex,-Ey,x2,y2)%画第I象限电场线 streamline(X,-Y,-Ex,Ey,x2,-y2)%画第ＩＶ象限电场线 axis equal tight %使坐标刻度相等 title('电偶极子的电场线和等势线','fontsize',16)%显示标题

xlabel('itx/a(电势单位:kq/a=1)(电荷比q2/q1=1)','fontsize',12)%显示横坐标

ylabel('ity/a','fontsize',12)%显示纵坐标

运行程序，结果为图3.图3 电偶极子的电场线和等势线

5.双缝干涉图示

在光学中，应用MATLAB对于干涉和衍射的相对光强分布和单色光的模拟图样是最为常用的，以下是双缝干涉的示例。使用plot函数画出相对光强分布，使用colormap函数[2]画出灰度色图。colormap函数是颜色控制函数用于颜色查看表，格式是colormap(m),其中m代表色图矩阵。5.1 题设和分析

设双缝间距为d4105m，双缝在方向的干涉光的光强为

sin2P点的光强为II0，dsin/ sin25.2 示例程序

clear

%清除变量 lamda=5e-7;

%设定波长

d=4e-5;

%设定双缝间距

a=-0.014*pi:0.00001:0.014*pi;

%设定干涉角a的范围和步长

b=4e-5*pi*sin(a)/lamda;

%将干涉角a换算成b,bdsina/ I0=1;

%设定光强初值

I=I0*(sin(2*b)./sin(b)).^2;

%计算相对光强I/I0, II0*(sin2b/sinb)subplot(2,1,2);plot(sin(a),I/4, 'b');

%在2行1列画出相对光强分布图

hold on;

%保持图像 xlabel('sin(a)');

%显示横坐标

ylabel('双缝干涉相对光强it I/I0');

%显示纵坐标 axis([-0.037 0.047 0 1]);

%设置坐标刻度

subplot(2,1,1);plot(sin(a),I, 'b');

%在2行1列画出相对光强分布图

g=zeros(256,3);

%放大图像数据以覆盖当前色图的整个范围，并显示图片

for i=0:255

g(i+1,:)=(255-i)/255;end imagesc(I)

%将输入变量I显示为图像 colormap(g);

%用g矩阵映射当前图形的色图 subplot(2,1,1);axis off

%清除变量, title('双缝干涉模拟图示','fontsize',16)%显示标题

图4 双缝干涉模拟图示

参考文献：

[1] 程守洙，江之永.普通物理学（第六版）[M].北京,高等教育出版社,:2006（12）：（上册）37；182；（下册）37-39；132 [2] 刘为国主编MATLAB程序设计教程[M] 北京：中国水利水电出版社，2005（3）：99;125；296；

[3] 柳承茂改编MATLAB 入门与应用[M]．北京：科学出版社，1999（10）：51 [4] 马文淦 编著.计算物理学[M].北京:科学出版社,2005(5):46;[5] 施妙根 顾丽珍编著:科学和工程计算基础[M].北京:清华大学出版社,1999(8):424

Used in college physics teaching of MATLAB simulation is given

WANG Ming-mei

LI Dong-peng

（School of Electronic and Information Engineering, Hefei Normal University, Hefei 230061 ,China）

Abstract:According to the characteristics of theory of strong and abstract concept in college physics teaching, it is utilized graph and numerical technology of MATLAB software to simulate some typical examples.Selected the lissajous figures, a double-slit interference, through the analysis of these examples, Draw the corresponding simulation here, For college physics teaching to provide some reference.Key words: MATLAB;lissajous figures；Maxwell's speed distribution；electric dipole of electric potential and electric field ；a double-slit interference ；the simulation 6