設計性物理實驗與學生創新實踐能力培養的探討

【摘 要】理工科院校需要加強實踐性課程培養學生的創新實踐能力。在分析設計性物理實驗課程教學內涵的基礎上，詳細闡明該課程對大學生創新實踐能力產生的影響，并提出進一步改善設計性物理實驗課程，加強創新實踐教學效果的重要途徑。

【關鍵詞】設計性物理實驗；創新實踐能力；教學改革

大學生創新實踐能力的培養是近年來理工院校實驗教學改革的重點目標。創新實踐能力不僅是一種智力特征，一種積極主動的思維方式，它也是一種人格特征，即學生必須有足夠的學習興趣、耐心和毅力，它是學生寶貴的精神財富，也是學生日后參加工作時最重要的競爭力。在理工科院校，大學物理實驗課程是大學生必修的一門主要基礎實踐課程，在大學生的實踐創新與實踐能力培養方面有著其他課程難以取代的作用。在大學物理實驗的各階段性訓練中，設計性物理實驗屬于較高層次的綜合性實驗，它對培養學生以創新實踐為核心的綜合素質起著關鍵性的作用。

一、開設設計性物理實驗課程的必要性

傳統的大學物理實驗教學一般是預先給出實驗原理、方案、步驟等內容，實驗要求整齊規劃，學生只要按部就班，按照老師、教材的要求做就可以了。這種教學方式在很大程度上束縛了學生發散性思維能力和想象力的養成，扼殺了學生探索的欲望和創新與實踐能力，不利于創新人才的培養。由于傳統的、機械的物理基礎實驗課程所存在的局限，必須開設科學合理的設計性物理實驗課程。這是由設計性物理實驗課程本身的特點所決定的：首先，在好的開放式設計性物理實驗課程教學中，學生可以擁有自由移動的空間，可以自由地利用教學資源，這可以極大地調動學生的學習主動性；同時，在好的開放式設計性物理實驗課程教學中，學生可以擺脫機械性的模仿操作，可以進行發散性思維和自由的想象，從而開闊學生視野，促進其創新實踐能力的發展。目前大學物理實驗教學環節中的設計性物理實驗課程已被公認為是培養學生創新與實踐能力，提高大學生科研素質的重要手段之一。

二、設計性物理實驗課程教學的具體流程

設計性物理實驗課的基本程序是：實驗題目的選擇，實驗方案的設計，實驗方案的修改，實驗儀器的選擇，實驗過程的進行，實驗數據的處理，實驗報告的完成及實驗總結與探索。

在設計性物理實驗課程教學中，首先，在選題確定中，學生需要對設計課題進行仔細選擇，選題既要具有綜合性、典型性和探索性等特征，同時，又需滿足學生在給定的時間內獨立完成設計性物理實驗內容的條件。其次，設計性物理實驗課程教學中最關鍵的環節是實驗設計和實驗方案的選擇，通常要求學生在充分理解基本原理的基礎上，綜合運用所掌握的基礎理論知識、實驗技能以及各種測量手段和實驗方法，自行選題并設計實驗方案、確定實驗方法、選擇配套儀器設備，進行實驗測試，最后寫出比較完整的實驗報告或論文。總的來看，設計性實驗課程是學生在沒有教師的指導下，獨立完成實驗的教學，它是一種介于基本實驗與科學實驗之間的實驗，是培養大學生將來進行科學實驗的初級訓練。

三、設計性物理實驗課對促進大學生創新實踐能力培養的三個階段

1.前期準備階段

在第一階段的準備工作中，對同一選題，會有多種設計方案。在選擇設計方案過程中，學生要通過比較幾種方案的優缺點（也可尋求老師的幫助），最終找出一種更加合理和更加優化的實驗方案。比如對“電位差計校準毫安表”的實驗設計就要求學生設計出兩種以上的電路圖，并比較這兩種電路圖的優點與缺點，最后在老師的指導下選擇其中一種最佳的實驗方案。這種設計方案和最終選擇方案就是對學生的一種創造性能力的培養，學生只有擁有較強的創造力才能設計出較理想的方案。因此設計性物理實驗在提高學生創造力方面，是基礎物理實驗無法代替的。

2.實驗操作階段

在設計性物理實驗的第二階段，學生在進行實驗的過程中，根據實驗目的和實驗條件，學生需要確定實驗線路，選擇合適的實驗儀器、并對現有的實驗儀器進行重新組裝等，這些過程都需要學生調動積極性，需要學生認真動腦去思維、操作，由此可激起學生強烈的探索興趣，促使學生積極主動的去思考，在實驗過程中對所選儀器的組裝和連線進行多方面思考，比如考慮用什么手段、什么儀器和什么方法來實現實驗方案，同時分析為什么要這么做，或許那樣做是不是可以達到更好的結果呢。有時在實驗過程中出現的一些突發事件，儀器故障等也需要學生有一定的應急能力。因此在這個實驗過程中可以提高學生分析問題和解決問題的能力，使學生手腦得到協調發展。在這一階段可培養學生主動性思維和探索思維能力，這是基礎性實驗無法代替的。

3.實驗總結階段

在第三階段，學生完成設計性物理實驗后，一般要對實驗數據進行處理，并對數據結果進行誤差分析，然后寫成實驗報告的形式，有的還需要寫出論文的形式，甚至修改成文并發表。這些需要學生查閱大量資料并認真完成實驗報告，從而對培養學生的論文寫作能力也有所提高。學生對實驗結果進行處理，特別是對實驗誤差進行分析，并對實驗結果做出一個正確的評價，這將有利于培養學生嚴謹思維、理論聯系實際的學習和科研態度。

四、對進一步提高設計性物理實驗教學效果的兩點建議

1.設計性物理實驗教學選題及內容的選取與開發

設計性物理實驗教學的核心是選題及實驗內容的確定。設計性物理實驗題目的內容很廣，難易程度也不相同，在選題時不應只注重突出實驗內容的難度和復雜程度，而應強調實驗設計的創新思路和新的方法。例如“重力加速度的研究”，該課題的研究任務是測定重力加速度，要求把測定值與本地區標準值相比較，相對誤差要求小于 0.05 %。經搜集資料后發現，可提供多種實驗方法，如單擺法、復擺法、自由落體法和氣墊導軌法等。

2.教師在設計性物理實驗教學中的角色定位

與傳統物理實驗課程相比，設計性物理實驗前的準備工作更為重要，設計性實驗教學對教師的要求更高。教師必須做好足夠的教學準備，并對學生提出的各種方案進行分析研究修改，同時要注意激發而不是扼殺學生的“靈感”。此外，教師要檢查整套儀器設備的各個部分工作是否正常，如儀器的機械部分是否穩定且不會動搖，儀器的水平面是否水平，光學儀器的反射面和折射面的表面是否清潔無灰塵，光學儀器系統應該準直，使鏡面與光線方向保持垂直等。

五、結語

大學物理實驗教學基本處于一種封閉的狀態，多年不變的教學體制和教學內容與當今飛速發展的前沿科學新理論，新學科嚴重脫節。為了實現培養和提高人才全面素質，特別是具有創新精神和實踐能力的要求，對如何開設大學物理設計性實驗課程提出了更高的要求。在整個設計性實驗過程中注重設計性物理實驗的選題和轉變教師在設計性實驗教學中的角色定位，對提高大學生創造性實踐能力的培養尤其重要。

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（作者單位：華南理工大學理學院物理系）