設計性物理實驗的教學研究

摘要：設計性實驗是根據實驗目的、要求和實驗條件，由學生設計實驗方案，并且基本獨立完成自己設計的方案的實驗教學過程。通過設計性實驗的鍛煉，使學生提高運用基礎知識的能力，靈活掌握測量方法，有效地分析誤差理論。設計性實驗提高了學生自主學習的能力，激發了學生對實驗學習和研究的動機，培養了學生的興趣愛好。針對學生的實驗習慣，建立科學合理的教學模式，不僅能夠提高教學水平，而且使學生在實驗中有最大的教學收獲。

關鍵詞：設計性實驗；教學方法；教學改革

按照教育部物理基礎課程教學指導委員會制定的《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》中，已經規定了設計性或研究性實驗學時在物理實驗教學總學時所占比例不低于10%，根據各學校的教學特點和需要，設計性或研究性實驗學時控制在25%上下。設計性或研究性實驗體現了教學理念和教學方法，由基礎性實驗綜合或拓展構成。通過設計性或研究性實驗培養學生了解科學實驗過程，掌握科學的思維方法，培養學生的動手能力和團隊意識。開放性實驗教學的方式能適應現代物理實驗教學的要求，它能激發學生的學習興趣和主動性，促進學生的創新素質和全面素質的提高，符合培養21世紀“具備堅實的基礎理論、出色的科學實驗能力和勇于開拓的創新精神的高素質人才”的要求。長期以來，我國大學基礎實驗教學基本上處于一種封閉的狀態，多年不變的教學體系和教學內容與當今飛速發展的前沿科學新理論、新技術嚴重脫節，陳舊落后的實驗教學設備，沿襲多年的傳統教學模式、方法和手段更是遠遠落后于科學技術進步的步伐。基礎性實驗和綜合性實驗相比有更大的靈活性，實驗手段多樣，實驗過程差異性較大。這樣，對于教學方法提出了更高的要求，通過合理的教學方法，培養學生解決問題的能力是最終的教學目的。

一、設計性實驗對學生不同層次能力的培養

基礎性實驗主要學習基本物理量的測量、學習儀器的使用、對基本測量方法的理解、誤差和不確定度的理論知識掌握，涉及到力學、熱學、光學、電學等領域。設計性實驗是根據實驗目的、要求和實驗條件，由學生設計實驗方案，并且基本獨立完成自己設計的方案的實驗教學過程。通過設計性實驗的鍛煉，使學生提高運用基礎知識的能力，靈活掌握測量方法，有效地分析誤差理論。設計性實驗對學生能力的要求體現在：基本測量工具的使用及誤差分析；完成設計性試驗基礎知識的積累與運用；實驗過程的設計與總結；實驗報告的撰寫。基本測量工具的使用及誤差分析主要體現在：基本的測量工具的使用，如萬用表、示波器、游標卡尺、溫度計和分光計等常用測量工具的使用。根據不同實驗的需要選測已經掌握的基礎測量工具，不僅要學會基本的操作，而且要學會誤差的產生和降低誤差的方法。完成設計性試驗基礎知識的積累與運用主要體現在：設計性實驗大多是基礎實驗的擴展與提高，這就要求學生靈活掌握基礎實驗，運用所學基礎知識分析設計性實驗的設計思路。在實驗過程的設計與總結環節中，學生要充分發揮身邊的資源，學會利用圖書和網絡等資源查找相關的資料，解決遇到的問題。當一個實驗完成后總結實驗效果和實驗經驗，有利于培養學生的獨立思考、主動學習以及解決問題的能力。實驗設計與操作完成后需要對實驗進行總結，也就是撰寫好的實驗報告。實驗報告不僅要包括實驗目的、實驗儀器、實驗設計、數據記錄和數據處理，還應該包括誤差理論分析和實驗體會。通過一個設計性實驗讓學生充分享受實驗的過程，在學習中鍛煉自己的實驗技能。

二、設計性實驗的調查

課前填寫：

1.對于沒有講義的設計性實驗你獲取本實驗信息的手段有哪些？

A.網絡百度 B.圖書館查閱資料

C.請教其他同學 D.問老師

2.你認為自己獨立完成的實驗印象深刻，還是同學之間合作完成印象深刻？

A.獨立完成 B.合作完成

3.你會使用萬用表、示波器、電位差計、游標卡尺等基本實驗儀器嗎？

A.一點都不會 B.會用一些基本功能 C.比較熟悉

4.你認為設計性實驗課前預習好，還是上課給一段時間預習好？

A.前者好 B.后者好

課后填寫：

5.你認為教師在設計性實驗當中有什么作用？

A.講解整個實驗過程 B.重點講解難點 C.不講解

6.快速閱讀部分，你能抓住難點部分閱讀嗎？

A.能 B.不能

7.上課前半小時預習對你有幫助嗎？

A.沒有 B.有幫助 C.幫助比較大

針對不同專業的360位理工科學生，對設計性實驗的學習進行調查，經過調查分析，得出的調查結果對我們設計實驗有一定的指導意義。調查表1發現有66.7%的學生采用上網方式進行資料查閱，涉及到基本儀器的使用、基本物理量的計算等內容。利用我校建立的無線網絡環境，學生可以輕松地通過無線終端搜索需要的信息。這個調查結果提示教學需要不斷創新，學生需要經過設計性思考才能得出合理的設計思路。調查表2發現，學生習慣通過小團隊進行某一實驗。壓縮試驗人數，擴充單個實驗學生數量也有利于教學效果。調查表3發現，大多數學生能夠掌握基本儀器的使用。對儀器的主要功能有一定了解，但是，具體到細節問題，還是要提前查閱資料，例如，指針式萬用表在測量三極管的過程中，怎樣區分基極、集電極和發射極這樣的細節問題不是很清楚，對涉及到的知識需要教師的指導。調查表4和5發現，大多數學生在課前進行預習，但是預習的實驗有限，大多數學生預習時間集中在半小時以內。針對學生預習不足或是預習不充分的狀況，就需要指導教師在上課過程中給予適當的講解，這樣能夠提高學生的上課效率。對于經常出現的問題要提前預防。為了更好地提高課堂效率，指導教師只做了相關實驗儀器的使用說明，調查表6發現，快速閱讀能夠掌握實驗的重難點，也就是說，對于不同學生存在的問題，需要學生通過查找資料，快速解決問題，大部分學生都能夠根據實驗指導材料快速找出解決方案。調查表7發現，課前預習是對教學效果有幫助的。對于學生的設計性實驗，要求學生完成預習報告，不僅能提高課堂授課效果，而且，能夠制定不同的設計方案。有的同學，在實驗課上，分別比較兩種以上設計方案的實驗效果，這樣的預習是有效合理的預習方案。

三、結束語

設計性實驗提高了學生自主學習的能力，激發了學生對實驗學習和研究的動機，培養了學生的興趣愛好。針對學生的實驗習慣，建立科學合理的教學模式，不僅能夠提高教學水平，而且使學生在實驗中有最大的教學收獲。課前預習半小時是學生能夠接受的合理預習時間，所以課前預習要求的能容不能太多太雜。上課后給學生一定的時間熟悉實驗儀器也是必要的環節，通過熟悉討論基本的操作儀器，對整個實驗有一個清晰的設計思路。必要的教師講解能夠提高課堂效率。能夠保障學生在規定的時間內完成實驗教學課程要求。認真批改學生的實驗報告，特別是誤差理論和數據處理，能夠使學生養成好的實驗習慣。設計性實驗由于教學方法靈活，因此，教學手段和教學模式也要相應地調整，總結適合不同實驗的教學模式是當今教學實驗研究的熱點。

參考文獻：

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基金項目：中國計量學院教改項目；浙江省物理實驗教學示范中心項目

作者簡介：喬憲武（1982-），男，河北廊坊人，中國計量學院教師。