大學物理設計性實驗的探索與思考

劉存海 張勇 孫江 張紀磊

海軍航空工程學院基礎實驗部 山東煙臺 264001

物理學是一門基礎學科，也是一門實驗學科，不管是歷史上還是現在，它的發展和創新都與物理實驗緊密相連[1]。大學物理實驗教學是學生從中學進入大學后接受科學實驗方法和實驗技術訓練的開端，通過對學生進行物理實驗理論、實驗方法和實驗技能基本訓練，使學生初步掌握科學實驗主要過程和基本方法，建立合理的物理模型，培養他們從事科學實驗的基本素質和開創性的科研能力[2]，能定性或定量研究某個物理過程變化規律，善于分析判斷實驗結果，為激發學生的想象力、創造力和創新意識，培養和提高學生獨立開展科學研究能力奠定基礎。

大學物理設計性實驗是大學物理實驗的重要組成部分，它突破了傳統的實驗教學模式，是一種以學生為主體、教師為主導的教學模式。它對學生獨立解決問題的能力進行了全面訓練，既提高了學生的實驗熱情，又鞏固了所學的知識和技術，培養了學生的科研能力[3-4]。

1 大學物理設計性實驗的內涵

大學物理設計性實驗是學生經過常規和綜合物理實驗訓練之后，為進一步培養和鍛煉學生的科學素質而開設的具有創造性的實驗。它要求學生能根據給定的實驗任務，自行查閱相關資料、設計實驗方案、組織實驗系統和獨立進行操作，最終對實驗結果進行科學分析并撰寫實驗論文。它旨在培養學生的創新意識和創新精神，提高學生分析問題和解決問題的能力。從形式上區分大學物理設計性實驗包括原理性設計實驗、操作性設計實驗和制作性設計實驗；從知識要求上包括利用已掌握的知識和常用儀器、開拓常用儀器的新用法的設計、在一定方向擴展知識后利用新科技的設計等[5]。

2 開設大學物理設計性實驗的必要性

近年來，隨著社會的飛速發展，社會對人才的要求越來越高。高校作為人才培養的搖籃，如何培養出具有實踐能力和創新能力的高素質人才，成了一個很大的現實問題。作為具有實驗特點的物理學，如何在實驗中培養學生的科研創新能力，成為物理實驗教學近年來的研究課題。在傳統的物理實驗課程中，一切都由教師主導，這在一定程度上限制了學生的主動性和創造性，實驗本身也只是簡單的數據測量和理論驗證，必會導致培養出來的學生缺乏創造性。近幾年，為了克服傳統實驗帶來的諸多問題，在高等教育實驗中推行設計性實驗便成了一種選擇。應該看到，設計性物理實驗在把學習主動權交給學生的同時，還能促使學生綜合運用所學的物理知識解決實際問題。

3 大學物理設計性實驗的特點

3.1 實驗的綜合性

大學物理設計性實驗是在學生學習了基礎、基本和綜合實驗之后，基本掌握了實驗操作要領的前提下，具備了初級科學實驗的能力基礎上開設的，它是一種介于普通教學實驗與實際科學探索實驗之間，對科學實驗全過程進行初步訓練的教學實驗。這類實驗涉及力、熱、光、電等學科，具有綜合性，要求學生充分應用前期初級實驗所學的理論知識和實驗技能來完成實驗，它有利于培養學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力。

3.2 實驗的自主性

大學物理實驗中的基礎物理實驗和基本物理實驗是學生在教師的指導下完成的，教師一般先講解與實驗有關的知識和一些注意的事項，然后學生按照固定的實驗目的、實驗內容和實驗步驟進行實驗。而物理設計性實驗只設定需要學生完成的任務，不提供完成任務所需要的資料和實驗方法，這就要求學生根據自己的實驗選題，自行查閱和收集資料，并綜合分析資料設計實驗方案，最后按方案開展實驗。在整個實驗過程中，學生是主體，教師的任務是對學生在查閱資料、方案設計等各環節上給予方法上的指導，引導學生如何提出問題、分析問題和解決問題。

3.3 實驗過程的探索性

大學物理設計性實驗可以培養學生獨立進行初步科學實驗的能力，實驗的選擇、實驗方案的制訂以及實驗的實施都具有多樣性，這就給學生提供了較自由的科研氛圍和選擇余地，學生可以充分發揮各自的主觀能動性，充分利用各自的思維與想象力，對實驗中出現的各類問題用科學的方法加以解決，鍛煉自己的創新意識和科研能力。

4 設計性實驗的實施

由于大學物理設計性實驗的項目多且時間有限，在設計性實驗教學中，傳統的講授方法顯然不再適用，因此在實際教學中要以引導為主。通過幾年的教學摸索，找到一種行之有效的教學模式，主要分如下幾個步驟進行。

1）實驗選題。教師提出選題原則和要求，并給出可供選擇的實驗題目。學生通過查閱相關文獻或相關工具書，并根據自身的專業特點和興趣愛好選擇適合自己的實驗項目。這一階段主要培養學生自行選擇研究方向及檢索文獻資料的能力。

2）制訂實驗方案。學生根據題目的具體要求，在已查閱的相關資料的基礎上，結合所學的知識確定具體實驗方案和所需器材，并論證方案的可行性。實驗方案的論證可分為理論論證和初級實驗論證兩個方面。理論論證主要論證方案在其他條件都具備的情況下，是否能從理論上順利完成實驗；初級實驗論證主要是通過嘗試性的前期初步實驗，檢驗檢查方案在實施過程中是否存在未曾考慮過的漏洞。

3）實驗實操。學生按照前期制訂的實驗方案進行實驗室實操，應盡可能自行解決實驗中出現的問題。對實驗中學生確實難以解決的問題，指導教師加以適當引導，反復實驗達到方案中的預期目標。

4）論文撰寫。由學生對實驗得到的數據進行對比分析，分析數據之間的聯系和實驗規律，然后對實驗規律做出合理的解釋，找到實驗結果出現的內部機理，最后撰寫實驗論文展示成果。

5）實驗考核。教師對學生制訂的實驗方案、實驗實操的過程及論文撰寫質量做出綜合評定。一般實驗方案的制訂占總成績的30%，實驗實操占40%，論文的撰寫占30%。

5 大學物理設計性實驗存在的問題及解決途徑

1）課題選擇不當。部分學生在進行課題選擇時存在課題“過小”或“過大”的問題[6]。課題“過小”或“過大”都不能充分調動學生的學習積極性，也就達不到培養學生的獨立思考和綜合設計能力的目的。課題過小不利于培養學生自身創造能力，使設計性實驗失去原有的意義；而課題過大會使學生在實驗中難以解決出現的問題，并喪失繼續進行實驗的勇氣，不利于培養學生進行科學探索的能力。選題的一般原則是以學生已經掌握的基本知識為基礎，結合所學專業的特點，充分體現設計性實驗的探索性和創造性。

2）激勵機制不完善。從查閱文獻、選題到最后的實驗完成，學生需要付出大量的時間，這就要求學生必須有足夠的時間，而教師從對實驗方案的審查到后期實驗的指導也要付出比普通實驗課多幾倍的勞動，但多付出的勞動往往沒有任何報酬。這必然會導致學生急于完成實驗，但完成質量不高，教師疲于應對教學問題的出現。因此，學校必須制定相應的管理制度和激勵機制，調動教師和學生的積極性。

3）實驗室開放難度大。設計性實驗的完成要求學生要有盡量多的時間在實驗室里學習，這就使實驗室的開放管理具有了一定的難度。另外，每個學生的能力不同，完成各自實驗所需的時間長短也不盡相同，這就需要實驗室要長時間的開放，否則將會出現有些學生因進度緩慢而不能完成實驗的現象。但目前，學生自由支配的時間相對較少，這就使得實驗室開放成為難題。同時，實驗室的開放必然會使設備的使用頻率增加，設備損壞率提高，從而增加維修費用和教師的維修強度。為了解決這些問題，學校應加大對設計性實驗的支持力度，保證學生的實驗時間，增加實驗室維修人員做好教學保障。實驗室也應制定相應的實驗室開放制度，確保實驗室的正常開放。

6 小結

大學物理設計性實驗是在創新理論指導下的一種科技創新型實驗，它的開設打破了傳統物理實驗的教學模式，克服了傳統實驗教學不能培養出高素質創新人才的難題，這既是大學物理實驗教學改革的需要，也是社會對人才需求的需要。大學物理設計性實驗的獨特教學方式和學習方式在激發學生強烈的求知欲望上，在綜合應用知識能力方面以及培養學生嚴謹的科學作風方面，都起著重要的作用。

[1]彭鳳梅.設計性物理實驗的教學實踐[J].高教論壇,2006(1):87-89.

[2]居桂方.設計性物理實驗的設計方法和原則初探[J].廣東工業大學學報,2007,7(6):84-85.

[3]譚?？?淺談設計性物理實驗的教學[J].黔西南民族師范高等?？茖W校學報,2006(4):64-66.

[4]吳肖,周述蒼,周譽昌.大學物理實驗教學中開展設計性實驗的探索[J].廣東工業大學學報,2008,8(l):241-242.

[5]劉鵬.設計性物理實驗教學的探討[J].黃山學院學報,2010,12(5):130-132.

[6]高艷陽,董培榮,王金霞.對設計性實驗的認識與思考[J].實驗技術與管理,2003,20(6):125-127.