1. 引言
非线性物理作为物理学重要分支，在很多物理学课程中都有所涉及，其教学过程需要将理论知识与实验现象紧密结合[1] [2]。传统教学模式存在教师主导、学生被动、实验与理论脱节等问题，难以适应现代科学教育需求。当前物理教学改革要求将跨学科理念融入课程体系，创新教学方法，优化实验内容，培养学生创新能力。构建融合式教学模式，实现理论与实验教学的有机结合，提高教学质量，是物理教育工作者面临的重要课题。在信息技术快速发展的今天，如何充分利用现代教育技术，创新教学手段，提升教学效果，需要进行深入探索和实践研究。
2. 非线性物理实验教学现状
2.1. 现有教学模式的特点与不足
传统教学模式沿袭“讲授–验证”的单一模式。教师在课堂上采用灌输式教学，按照教材内容逐章讲解理论知识，学生被动接受信息[3]。实验环节仅作为理论验证，缺乏探究性和创新性。教学过程中，学生实验步骤完全依照实验指导书进行，实验数据处理方法固定，实验结果与标准答案对比。这种模式导致学生创新思维受限，实验兴趣低下。课堂互动性差，学生提问少，教师难以及时了解学生掌握情况。考核评价方式单一，过分注重实验报告格式及数据处理结果，忽视实验过程中的创新思维和问题解决能力。实验课程安排机械，未能充分考虑学生个体差异，难以激发学生的学习主动性。
2.2. 实验课程与理论教学的脱节问题
理论课程与实验课程在时间安排上未能有效衔接。理论知识讲授与相关实验操作之间往往存在较长时间间隔，学生难以将理论知识与实际现象建立直观联系。教学内容上，实验课程简单重复理论课程，缺乏深层次的物理机理分析[4]。实验指导书内容陈旧，未能及时更新实验方法和技术手段。理论教师与实验教师各自为战，缺乏教学内容的协同设计。学生在理论学习时缺乏实验直观认识，实验操作时又无法充分运用理论知识指导实践。这种脱节现象严重影响了教学效果，造成知识点的割裂理解，不利于学生形成完整的知识体系。
2.3. 教学资源利用效率分析
高校实验室设备资源利用率普遍偏低。昂贵的精密仪器使用频率不高，部分设备长期闲置。实验室开放时间受限，学生课后难以进行自主实验[5]。实验教学资源数字化建设滞后，网络教学平台功能单一，难以满足远程教学需求。教学软件更新缓慢，数据处理方法落后，未能充分利用现代计算机技术优势。实验室人员配备不足，实验课程安排集中，造成设备使用冲突。实验耗材补充不及时，影响实验正常开展。现有实验教学资源配置不合理，未能形成资源共享机制，各实验室重复建设现象严重。
3. 融合式教学模式的设计
3.1. 理论–实验一体化教学框架
理论与实验一体化教学采用“引例–讲解–验证–拓展”的层进式结构设计。教学伊始通过典型物理现象导入，如使用非线性摆演示混沌现象，激发学生探究兴趣。理论讲解环节采用多媒体与实物演示相结合的方式，将抽象概念具象化[6]。重点难点知识采用实验即时验证方式，如用示波器显示非线性振动波形，帮助学生建立直观认识。教师在课堂上由传统“讲授者”转变为“引导者”，通过提问、讨论引导学生思考。实验过程中设置不同难度的探究任务，鼓励学生自主设计实验方案。课后布置开放性实验题目，要求学生查阅资料，设计验证方案。整个教学过程中，理论与实验相互渗透，让学生在“做中学”，培养科学思维和创新能力。
3.2. 模块化实验项目设计
模块化实验体系分为基础模块、提高模块和创新模块三个层次。基础模块包含必做实验：非线性振动系统研究、磁滞现象观测、声子晶体特性等，重点培养学生基本实验技能[7]。提高模块融入计算机辅助实验：混沌系统相图绘制、分岔演化数值模拟、非线性波传播等，强化数据分析能力。创新模块设计研究性实验：非线性光学效应、量子隧穿现象、临界现象观测等，培养科研素养。实验指导采用分层结构，基础部分详细说明操作步骤，提高部分提供研究思路，创新部分仅给出研究目标。各模块配备相应实验器材和软件平台，如示波器、数据采集系统、建模软件等。模块间相互关联又相对独立，便于教师根据班级特点和教学目标灵活选择实验内容。
3.3. 弹性化教学进度安排
教学进度采用“3 + 2 + 1”模式进行科学规划。3学时用于理论讲授与实验操作，包括30分钟理论导入，2小时实验操作，30分钟初步分析。2学时进行数据处理与深入分析，学生需完成数据图表绘制、误差分析、物理规律探讨等工作。1学时用于成果展示与研讨，采用小组汇报形式，促进交流学习。学生可根据个人兴趣和能力选择实验内容，基础实验必做，提高实验和创新实验选做。期末阶段安排2周时间完成综合性研究项目，学生自主选题，教师指导完成。教学评价包含过程考核(占60%)和结果考核(占40%)，过程考核重点关注实验态度、操作规范、创新意识等，结果考核注重实验报告质量和研究成果。
4. 实验教学内容的创新设计
4.1. 经典实验的改进与优化
传统非线性物理实验进行全面改造升级，引入现代测量技术与数字化设备。以非线性摆实验为例，采用高速摄像机记录摆动轨迹，配合运动分析软件获取相空间演化图像。磁滞回线测量实验中，使用数字磁强计替代传统磁电感应装置，提高数据采集精度。声学驻波实验增添频谱分析仪，观测非线性谐波特征。实验装置模块化设计，便于学生自主搭建不同实验系统。数据采集全程自动化，实时显示测量结果。实验指导书重新编写，突出物理机理分析，增加探究性内容。学生在实验过程中深入理解非线性现象的本质特征，掌握现代实验技术，培养实验创新能力。
4.2. 综合性实验的开发
围绕非线性物理核心概念，设计跨领域综合实验项目。非线性光学实验系统集成激光器、非线性晶体、光电探测器等器件，研究倍频效应、光学双稳态等现象。混沌电路实验采用模块化设计，包含非线性元件组件、信号发生器、数据采集卡等，学生通过改变电路参数观察分岔演化过程。量子隧穿实验装置由扫描隧道显微镜改装而成，结合计算机模拟软件，探索微观世界的非线性效应。实验过程要求学生独立设计实验方案、搭建实验系统、编写数据处理程序。实验报告强调创新性，鼓励学生提出新的研究思路和方法。
4.3. 计算机辅助实验设计
开发专门的实验教学软件平台，集成建模仿真、数据分析、可视化展示等功能。非线性动力学模拟模块采用MATLAB编程环境，学生通过修改程序参数，观察系统动力学行为变化。分岔理论教学配套相图绘制软件，直观展示系统状态随参数变化的演化过程。混沌吸引子数值模拟采用三维可视化技术，学生能够从不同角度观察奇异吸引子结构。软件平台提供数据接口，支持实验数据导入与理论模型对比。配套编程指南和算法库，指导学生开发新的数值模拟程序。通过虚实结合的实验方式，加深对非线性物理本质的理解。
5. 教学实施策略
5.1. 课前预习与资源准备
实验前一周发放电子版实验指导资料，内含实验原理、操作要点、数据处理方法等内容。学生通过在线学习平台观看实验演示视频，了解实验装置结构与操作流程。教师制作知识导图，梳理实验涉及的理论要点，帮助学生建立知识框架。实验室提前准备仪器设备，实验员检查设备性能，标定测量仪器。学生分组建立学习社群，在线讨论实验预习中遇到的问题。教师收集学生预习反馈，针对共性问题录制微课解答。实验前一天完成分组实验台的器材摆放，并进行设备预热与校准。学生需提交预习报告，内容包括实验原理分析、实验步骤设计、可能的实验结果预测等。
5.2. 课堂互动与实验指导
实验课开始前进行安全教育与操作规范讲解，强调实验注意事项。教师通过提问方式检查预习效果，针对性讲解重难点内容。实验过程采用分层指导策略：基础型实验提供详细操作指导，提高型实验引导学生独立思考，创新型实验鼓励自主探索。实验数据采集过程中，教师巡视指导，及时发现和纠正错误操作。遇到典型问题时，组织全班讨论分析，培养学生解决问题能力。鼓励不同小组之间交流实验经验，分享创新想法。实验后期安排小组展示交流，学生汇报实验发现，教师点评指导。对实验现象进行深入分析讨论，引导学生建立物理直观。
5.3. 课后拓展与数据分析
实验完成后，学生需整理实验原始数据，运用专业软件进行数据分析处理。通过误差分析、数据拟合、图像处理等方法，提取物理规律。鼓励学生使用Python或MATLAB编写数据处理程序，提高编程能力。实验报告采用研究论文格式，包含实验目的、原理、方法、结果分析、误差讨论等完整内容。开展实验成果研讨会，学生以海报形式展示研究发现。优秀实验成果制作成教学案例，上传至课程资源库。针对实验中发现的新现象，设计拓展性研究课题，指导感兴趣的学生深入研究。建立实验技能档案，记录学生实验能力发展过程。定期组织实验技能竞赛，激发学生创新热情。
6. 实践效果与优化建议
6.1. 具体案例分析
以2023~2024年春季学期物理演示实验课程实践为例，共有90名学生参与新模式教学。混沌摆实验中，学生通过高速摄像分析技术，成功观测到周期倍增现象。在昆特管实验中，学生运用高速摄像技术与计算机模拟相结合的方法，计算了管内声波的速度，深化了对非线性系统的理解。在辉光球实验中，利用氖管、摄像机等设备，分析与展示了辉光球的发光特性，解释其中的非线性原理，大幅提升学生的探索欲望。期末综合性实验评比中，学生好评率达98%，较传统教学提升了8个百分点。
6.2. 学生反馈统计
通过问卷调查、访谈记录、实验报告分析等方式收集教学反馈数据。问卷覆盖全体学生，内容包含课程满意度、知识掌握程度、实验技能提升等方面。数据显示：95%的学生认为新教学模式提高了学习兴趣，88%的学生表示实验能力显著提升，92%的学生支持继续推广新模式。实验报告质量统计显示：数据处理规范性提高75%，物理分析深度提升60%，创新思维体现明显。学生实验技能评估成绩：操作规范性平均分提高1分，数据处理能力提升1分，实验创新能力提高2分。专业兴趣调查显示：70%的学生产生了深入研究的意愿，25%的学生参与到了实际的科研工作中。
6.3. 持续改进机制
建立多层次教学质量监控体系，包括周反馈、月评估、学期总结三个层面。实验课后即时收集学生实验记录，分析实验数据质量，及时发现和解决问题。月度教研会议集中讨论教学中发现的共性问题，优化实验方案和教学策略。学期末组织专家组评估，从实验内容设计、教学过程组织、学生能力提升等方面进行全面审查。建立实验教学资源库，收集整理教学案例，形成可推广的教学经验。定期更新实验设备和教学软件，保持实验条件的先进性。组织教师参加专业培训，提升教学水平。建立学生意见反馈渠道，设立实验教学改进意见箱，鼓励师生共同参与教学改革。
7. 结语
在物理学科日益发展的背景下，非线性物理相关课程的教学改革势在必行。通过构建理论与实验相结合的融合式教学模式，创新教学方法，优化课程设置，加强实践环节，能够有效提升教学质量。实践证明，模块化的教学设计既保持了教学内容的灵活性，又确保了教学质量的稳定性；理论与实验的紧密结合，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的实践创新能力；现代教育技术的合理运用，丰富了教学手段，提高了课堂效率。这种教学模式的推广应用，将为物理教学改革提供新的思路和方向。
致 谢
感谢黑龙江省高校大学专项科研资金项目(编号：2021-KYYWF-0051和2022-KYYWF-1104)，以及黑龙江省人力资源和社会保障局对此工作的支持。
基金项目
1) 项目名称：非简谐系统中的局域化现象与动力学研究；项目编号：2021-KYYWF-0051；项目来源：黑龙江省教育厅。
2) 项目名称：基于非简谐效应的细胞动力学研究；项目编号：2022-KYYWF-1104；项目来源：黑龙江省教育厅。