2023年物理实验教学内容与实践探讨.docx

物理试验教学内容与实践探讨 :为了促进教学和科研相辅相成，共同进展，推动物理试验教学进展，需要将科研成果拓展为物理试验教学内容。本教学改革工程从两方面入手，一是在课堂教学中引入最新科学进展前沿内容，二是将高压电晕电场与生物质相互作用引入物理试验课程等。经过3个学期的教学实践觉察，将科研成果拓展为试验教学内容，可以更好地吸引同学课堂留意力，激发学习爱好，增加课堂学问更新率，培育同学在物理试验中查找科研题目的力量，从而唤醒同学创新意识，提高创新力量，也可对本科生提前进行科研根本素养教育。 关键词:科研成果;教学内容;创新实践 有名物理学家密立根曾说:“科学靠两条腿走路，一是理论，一是试验，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。〞其实对高等教育的进展来说，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进展。由于教学和科研是高等院校工作中不行分割的两个方面［1］。教学工作是给同学讲授的成熟的学问，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学问讲解明白，使同学对相关学问体系和相应的学问点能把握整体，明白细节，以到达学通、学懂、学会的目的，同时培育同学用已学学问解决实际问题力量，做到学有所用，学为所用;科学争辩那么是引导同学运用一些科学思维、科学试验、科学方法对未知领域的探究争辩，重在培育同学分析解决未知领域问题的科学思维和力量。教学和科研是相互融合、相互促进的关系，正如德国有名学者雅斯贝尔斯所言，尤其重要的是教学要以争辩成果为内容，因此教学与争辩并重是高校的首要原那么［2］。物理学是一门以试验为根底的学科，物理学的试验思想、方法和技术是各学科科学试验的根底，所以物理试验教学是培育创新人才必不行少的组成局部，对同学科学思维、科学试验、科学方法的养成具有重要作用。当前物理学科的快速进展对物理试验课程的教学提出了新的要求，因此，物理试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试验课程内容之中，将科研成果拓展、融入物理试验课程教学内容之中，激发同学学习物理的爱好，培育同学创新力量和创新意识，以及用科学思维、科学试验、科学方法解决未知问题力量，这将有助于提高同学综合应用学问的力量、把握进行科学试验的根本方法，以适应新时代同学的进展要求。为此，近些年，课题组开头将一些科研成果拓展为高校物理试验教学内容，进行系列争辩与实践。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进展前沿内容 高校物理试验中，有些题目比拟经典，始终连续了几十年，同学认为这些题目学问比拟陈旧，对这些题目的学习爱好不高。其实可以换个角度考虑问题，由于高校物理试验大局部题目是针对经典物理学中的一些学问内容所设计，不管的物理试验题目多么陈旧，总是可以把试验内容与最新的科学进展前沿领域相联系。既可以让同学觉得试验是有意义的，又可以让同学领悟科学争辩的进展。 1．1磁场分布测量试验中引入科学进展前沿内容 在磁场分布测量试验中，给同学介绍我国在合肥建立的强磁场国家中心，特殊是强磁场在生物医学中的应用，这就是大家在高校物理试验中生疏的磁场的魅力之一。还可以给同学们介绍我国的东方超环，简称EAST。该试验装置是用来实现可控核聚变的。核聚变的燃料是氘和氚，要发生可把握的核聚变反响需要超高温存超高压。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。2023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，等离子体温度到达5000万℃，制造了新的世界纪录，为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术根底。这是高校物理试验中生疏的磁场的又一魅力。 1．2在组合干预仪试验和固体线膨胀系数测定试验中引入科学进展前沿内容 在组合干预仪试验或固体线膨胀系数测定的试验中，用到了迈克尔逊干预仪，迈克尔逊本人也由于这一奉献获得了192023的诺贝尔物理学奖。2023年，三位来自美国的引力波争辩专家雷纳·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预引力波天文台(LIGO)和观测引力波所做出确实定性奉献。LIGO是laserinterferometergravitationalwaveobserv-atory的缩写，是借助于激光干预仪来倾听来自宇宙深处引力波的大型争辩仪器。截至目前，LIGO由两个干预仪组成，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预仪。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四周的时空产生作用，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良后放大版的迈克尔逊干预仪探测到了引力波，从而证明白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，同学们都是生疏的，引入这样的科学进展前沿内容可以引起同学对这两个试验题目的爱好和惊异   ，而惊异   可以推动同学理解背后原理。 1．3在熵和热机试验中引入科学进展前沿 在热机效率试验中，熵的概念比拟抽象难懂，引入了美国宾夕法尼亚高校物理和天文系的几位科学家合作的一个好玩的试验。试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。通过长时间屡次光学摄影观看，觉察到这个大球可以消逝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，大球根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(由于容器是有限大小的)，大球就会由于受力的不同而向某个方向运动。当大球遇到了容器壁的时候，阴影局部面积就减小了，由于大球四周的阴影局部和容器壁的阴影局部面积有了重叠。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爱自由度大的状况。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。经过老师这样讲解，同学们对熵增加原理就有了较深体会和生疏，也增加了高校物理试验的趣味性。 2将高压电晕电场与生物质相互作用引入物理试验课程 近年来，课题组共担当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工程和5项内蒙古自治区自然科学基金工程。同时还担当2项有关科研与教学促进方面的内蒙古工业高校教学改革工程。在这些工程基金的资助下，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争辩取得的系列成果转化为物理爱好与创新试验选修课及高校生创新试验课程的一个教学内容，以构建具有综合物理及生物学学问、强化试验技能教育和将根底学问运用于科技前沿争辩特点的试验教学模式。这样不仅使教学内容更加新颖，而且也使同学消退了对科研的奇特感，提高了学习乐观性，开阔了思路，培育了创新意识。 2．1将电场枯燥技术拓展为物理试验教学内容 高压电场枯燥技术［又称为Electrohydrodynamic(EHD)枯燥］是一种新型的枯燥技术，它是通过将被枯燥物料放在下极板上，然后给上极板(平板、针状、线状等不同外形82的电极)加确定幅度的直流或沟通高电压，在两电极间形成电晕电场实现物料枯燥。日本的浅川1976年就觉察了“浅川效应〞，即在高压电场下，水的蒸发变得格外活泼，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］。但始终到了20世纪80年月末期这个现象才受到重视，人们渐渐争辩起来，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枯燥技术对多种物料进行争辩，觉察高压电场枯燥不但枯燥速度快，而且具有能耗低、不污染环境、枯燥均匀、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］。与对流枯燥和冷冻枯燥相比，该技术具有设备设计简洁、造价低、运行费用低等优点［5］。拓展的物理试验教学内容为:对高压电场枯燥枸杞过程当中的一些参数(如电压参数、枯燥速度、含水量、电极外形等)进行比拟细致、系统地统计，得到比拟全面地枸杞在高压电场中的枯燥特性数据;对枯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拟，找到品质和电压之间的规律。同时，让同学对高压电场枯燥技术机制有初步的了解，并鼓舞同学探究其他机理解释。 2．2将分析电晕放电产生的低温等离子诊断拓展为物理试验教学内容 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四周产生局部放电——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，国家专利局已授权有用新型专利。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奉献率。拓展的物理试验教学内容为:用放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，进而让同学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，推动物理试验教学的进展，尝试了以上两种方法。这样改革将最新的科研成果或工程渗透到传统的物理试验课程内容之中，留意物理学和生物学的交叉，将有助于提高同学综合应用学问的力量。另外，高压电晕电场与生物体相互作用争辩是试验中心老师的主要科研方向之一，通过将老师的局部科研成果转化为物理试验教学内容具有确定特色。同学的试验教学内容与科研、工程、社会应用实践亲热联系，使同学把握进行科学试验的根本方法，激发同学学习物理的爱好，培育同学创新力量和创新意识。 宋智青 丁昌江 陈浩 单位：内蒙古工业高校理学院