綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)與指導(dǎo)方法的探究

江 影，邱淑霞，龐 寧

（中國計(jì)量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 開設(shè)綜合性設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的必要性

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，改變了傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生由被動(dòng)接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的探索和獲取。在這一過程，教師只起到一個(gè)引導(dǎo)的作用[1，2，3]。這就要求學(xué)生積極發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，學(xué)會(huì)從不同的角度分析問題，找到一個(gè)解決問題的有效方法、形成較為完整的方案，通過具體的實(shí)驗(yàn)操作來完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這個(gè)解決問題的過程很耗時(shí)的，也充滿挫折的，但是通過這樣一個(gè)操練過程，學(xué)生們的收獲是非常明顯的，能夠逐步地提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力[4，5]。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是在物理思想和教學(xué)思想指導(dǎo)下的創(chuàng)造性思維活動(dòng)，是學(xué)生利用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和已具有的實(shí)驗(yàn)技能，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，自己完成實(shí)驗(yàn)課題的剖析，資料的搜集，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，自己完成選配儀器，調(diào)試測量，相互協(xié)作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自己分析結(jié)果，進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，獨(dú)立撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的過程。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的選題具有一定的探索性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法較為先進(jìn)，難度要適中，適合學(xué)生作為課題研究[6，7，8]。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)其目的在于促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)積極學(xué)習(xí)和思考，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

2 綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)研究開發(fā)的思路

綜合性物理實(shí)驗(yàn)涉及的物理基礎(chǔ)理論知識(shí)范圍較寬，儀器調(diào)節(jié)更加精細(xì)，有助于較全面地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)[9，10]。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是一種介于教學(xué)實(shí)驗(yàn)與科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)之間的物理實(shí)驗(yàn)，它具有對科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行初步訓(xùn)練的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，需要經(jīng)過精心細(xì)致的挑選，即具有典型性、綜合性，又具有探索性的特點(diǎn)。同時(shí)還要充分考慮學(xué)生的知識(shí)背景、實(shí)驗(yàn)技能、教學(xué)時(shí)間等條件。根據(jù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的和要求，主要從以下幾方面進(jìn)行開發(fā)。

2.1 以實(shí)驗(yàn)裝置為主線，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合實(shí)驗(yàn)裝置，主要培養(yǎng)學(xué)生對儀器的組合設(shè)計(jì)能力。例如：表頭內(nèi)阻的測量方法有電橋法、半偏法、電位差計(jì)法等。將實(shí)驗(yàn)所需的有關(guān)電學(xué)元器件、儀表，組成元器件庫，學(xué)生自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，選擇其中的元件、儀表，組裝成惠斯通電橋、伏安法測量電路、電位差計(jì)等。既有利于實(shí)驗(yàn)的綜合，又有利于實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

2.2 以應(yīng)用為目的，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)

物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中最常用和基本的重要實(shí)驗(yàn)方法是物理量之間的轉(zhuǎn)換。當(dāng)某一物理量無法直接測量或不利于信息的采集、傳輸、處理、加工時(shí)，就將這一物理量轉(zhuǎn)化為有利于直接測量或信息的自動(dòng)采集、傳輸、處理的物理量。例如：測量溫度，就是利用溫度傳感器、熱電阻傳感器、PN結(jié)等傳感器，將不能直接測量的溫度量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的實(shí)驗(yàn)，通過這一系列實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)知識(shí)視野，提高了學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)踐能力、綜合應(yīng)用能力，收到了良好的教學(xué)效果。

2.3 以測量某個(gè)物理量為主線，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)

在眾多的物理實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際情況的不同，研發(fā)出不同的測量方法對某個(gè)物理量的測量。例如，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測量、微小長度的測量，雖然這些方法都屬于直接測量，但將它們綜合起來開出以測量某個(gè)物理量的綜合性實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生根據(jù)具體情況，選用不同的測量方法和測量工具，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器選擇能力的培養(yǎng)有顯著的幫助。同時(shí)對學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)，能起到驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)無法達(dá)到的作用。

2.4 為探索物理規(guī)律，開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

這類設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，需要提供一定的實(shí)驗(yàn)裝置，要求學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，觀察和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探索和總結(jié)物理規(guī)律。這能很好地提高學(xué)生科學(xué)探索的興趣、進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力。例如：設(shè)計(jì)碰撞打靶實(shí)驗(yàn)的目的，是要求學(xué)生分析碰撞時(shí)，計(jì)算能量損失的大小，并尋找產(chǎn)生主要原因。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，通過分析，總結(jié)出球下落時(shí)，相互碰撞，有關(guān)物理量之間的關(guān)系。由于涉及的物理知識(shí)內(nèi)容不深，對低年級(jí)開放這樣的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)的方法研究和解決問題的思想，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

2.5 以學(xué)會(huì)誤差分配原則為目的，開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

在工程技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)遇到，對某一項(xiàng)目進(jìn)行測量，可供選用的儀器、儀表或量具有很多。它們運(yùn)用不同的科學(xué)原理，采用不同的測量裝置和顯示形式，并且測試精度不同，價(jià)格也相差很大。在這種情況下，就要求實(shí)驗(yàn)者能按照測量任務(wù)的需要和實(shí)際的可能性，進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，對使用的儀器、儀表或量具做出合理的選擇。我們開設(shè)誤差分配和實(shí)驗(yàn)儀器的選擇這類實(shí)驗(yàn)：學(xué)生根據(jù)誤差要求和誤差分配原則，對實(shí)驗(yàn)儀器做出合理的選擇。

2.6 利用已有的工具以判斷某種元器件的屬性為目的，開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

開發(fā)此類設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生在必須掌握測量工具的基本用途、功能、結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，再作進(jìn)一步的用途開發(fā)。此類設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力非常幫助。例如：黑盒子實(shí)驗(yàn)，學(xué)生必須先掌握萬用表的結(jié)構(gòu)，工作原理，在此基礎(chǔ)上，依據(jù)電阻等元器件的特性來判斷各未知元件的屬性；判斷由一些未知元件組成的電路。加強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)會(huì)逆向思維的方式。

2.7 以教師科研項(xiàng)目為依托，開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

這類實(shí)驗(yàn)將科研項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，使有能力和有興趣的學(xué)生盡早進(jìn)入科研狀態(tài)。同時(shí)參加學(xué)科競賽，提高學(xué)生綜合能力。例如“人工云”的制備及性能的研究，就是教師將自己科研項(xiàng)目的一部分提供給學(xué)生，學(xué)生自行設(shè)計(jì)制作，解決問題。此項(xiàng)目參加浙江省大學(xué)生物理科技創(chuàng)新競賽并獲得二等獎(jiǎng)。

2.8 以測某一物理量為目的而開發(fā)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

以測某一物理量為目的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，涉及確定實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、選取儀器設(shè)備和制作實(shí)驗(yàn)裝置。例如：在液體折射率的測量、小顆粒和懸浮體密度的測定實(shí)驗(yàn)中，方案的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，是針對某個(gè)具體測量的物理量，選擇和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。此類設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散性思維能力提供了有效內(nèi)容和途徑。

3 綜合性、設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

依據(jù)以上探討的依據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況，我們開出了以下綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

（1）表頭內(nèi)阻的測量：實(shí)驗(yàn)方法有惠斯通電橋、半偏法、電位差計(jì)。

（2）溫度的測量：實(shí)驗(yàn)方法有熱電偶、熱敏電阻、PN結(jié)。

（3）導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測量：涉及用動(dòng)態(tài)法測量良導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)、用穩(wěn)態(tài)平板法測量真空橡皮板的不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)、用穩(wěn)態(tài)圓球法測量粉末的不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)等。

（4）小顆粒和懸浮體密度的測定：涉及測定不溶于水的小顆粒的密度、測定不溶于水懸浮體密度、測定溶于水的小顆粒（食鹽）的密度。

（5）液體折射率的測量：掠射法測量液體的折射率、分光計(jì)測量玻璃容器內(nèi)液體的折射率、邁克爾遜干涉儀測量液體的折射率等。

（6）微小長度的測量：利用衍射法測量微小長度、劈尖測量微小長度、邁克爾遜干涉儀測量微小長度。

（7）黑匣子實(shí)驗(yàn)：依據(jù)電阻、電感、半導(dǎo)體二極管、三極管、電容等元器件的特性來判斷各未知元件的屬性；判斷由一些未知元件組成的電路，畫出電路圖并標(biāo)出各元器件的數(shù)值。

（8）誤差分配和實(shí)驗(yàn)儀器的選擇：根據(jù)誤差要求和誤差分配原則，對實(shí)驗(yàn)儀器做出合理的選擇；根據(jù)誤差分析選定簡單測量電路、確定電表的量程、規(guī)格和電源輸出電壓。

（9）“人工云”的制備及性能的研究：通過實(shí)驗(yàn)配制最好的泡沫水，這樣的泡沫持續(xù)時(shí)間長不易爆破；制造泡沫機(jī)，使其符合實(shí)驗(yàn)要求；制造方便易操作的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；測量不同溫度下泡沫持續(xù)時(shí)間；測量裝置的保溫效果。

（10）碰撞打靶實(shí)驗(yàn)：熟悉對碰實(shí)驗(yàn)的條件、分析碰觸過程中動(dòng)量和能量的變化、通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

4 綜合性、設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方法

開設(shè)綜合性、設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生即能夠?qū)W習(xí)物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)，又能夠接受到嚴(yán)格訓(xùn)練。在掌握初步的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐瑫r(shí)，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。其中，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Π▌?dòng)手和動(dòng)腦的能力。動(dòng)手能力在于學(xué)生要能熟練使用實(shí)驗(yàn)儀器、按設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)步驟順利完成實(shí)驗(yàn)；動(dòng)腦能力要在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、選取實(shí)驗(yàn)條件、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、提出改進(jìn)措施等方面培養(yǎng)學(xué)生。因此，在具體評(píng)價(jià)時(shí)可適當(dāng)加大實(shí)驗(yàn)過程（動(dòng)手）及實(shí)驗(yàn)分析、討論（動(dòng)腦）兩個(gè)環(huán)節(jié)的權(quán)重進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（1）為了更好地進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)，在校園網(wǎng)的教學(xué)平臺(tái)和課程選課系統(tǒng)上，公布物理實(shí)驗(yàn)課程所有的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生在網(wǎng)上自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，組織基本知識(shí)和技能實(shí)驗(yàn)成績在優(yōu)良以上的或積極要求的學(xué)生參加，由若干人組成團(tuán)隊(duì)，選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這樣既可以鼓勵(lì)學(xué)生重視基本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，又可以使綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠切實(shí)有效地進(jìn)行。

（2）采用以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)的模式，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的能力和創(chuàng)新意識(shí)。在教學(xué)環(huán)節(jié)上，因材施教，突顯學(xué)生個(gè)性，學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過系統(tǒng)確認(rèn)后，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究。

（3）在教學(xué)過程中，實(shí)施“預(yù)習(xí)—設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—再設(shè)計(jì)—再實(shí)驗(yàn) ”的循環(huán)提高過程，學(xué)生自行查找資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)儀器，完成實(shí)驗(yàn)，并寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告或論文，或開展實(shí)驗(yàn)報(bào)告交流會(huì)。

（4）教師審核學(xué)生的設(shè)計(jì)方案，定期檢查實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)度，起到啟發(fā)、釋疑、指導(dǎo)、鼓勵(lì)創(chuàng)新的主導(dǎo)作用。

5 結(jié) 論

物理實(shí)驗(yàn)是一門對理工科學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本訓(xùn)練的必修課程，是本科生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，對培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，綜合學(xué)習(xí)能力，創(chuàng)新求知能力起到重要的作用。

教學(xué)上，實(shí)行分層次、多樣性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在開設(shè)基本知識(shí)與基本技能的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，設(shè)置了部分設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)，建成了開展綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的平臺(tái)。

近三年，實(shí)驗(yàn)中心在物理實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)了綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)20余項(xiàng)目，學(xué)生的積極性很高，實(shí)驗(yàn)效比較果理想。開設(shè)這類實(shí)驗(yàn)，為申報(bào)學(xué)校開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供了優(yōu)秀的學(xué)生資源，同時(shí)開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提供豐富的項(xiàng)目資源。

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