大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探索與思考

劉存海 張勇 孫江 張紀(jì)磊

海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部 山東煙臺(tái) 264001

物理學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，也是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，不管是歷史上還是現(xiàn)在，它的發(fā)展和創(chuàng)新都與物理實(shí)驗(yàn)緊密相連[1]。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)生從中學(xué)進(jìn)入大學(xué)后接受科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)訓(xùn)練的開(kāi)端，通過(guò)對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能基本訓(xùn)練，使學(xué)生初步掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要過(guò)程和基本方法，建立合理的物理模型，培養(yǎng)他們從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本素質(zhì)和開(kāi)創(chuàng)性的科研能力[2]，能定性或定量研究某個(gè)物理過(guò)程變化規(guī)律，善于分析判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為激發(fā)學(xué)生的想象力、創(chuàng)造力和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究能力奠定基礎(chǔ)。

大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，它突破了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，是一種以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教學(xué)模式。它對(duì)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力進(jìn)行了全面訓(xùn)練，既提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情，又鞏固了所學(xué)的知識(shí)和技術(shù)，培養(yǎng)了學(xué)生的科研能力[3-4]。

1 大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵

大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是學(xué)生經(jīng)過(guò)常規(guī)和綜合物理實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練之后，為進(jìn)一步培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)而開(kāi)設(shè)的具有創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)。它要求學(xué)生能根據(jù)給定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，自行查閱相關(guān)資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、組織實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和獨(dú)立進(jìn)行操作，最終對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)分析并撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)論文。它旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。從形式上區(qū)分大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)包括原理性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制作性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；從知識(shí)要求上包括利用已掌握的知識(shí)和常用儀器、開(kāi)拓常用儀器的新用法的設(shè)計(jì)、在一定方向擴(kuò)展知識(shí)后利用新科技的設(shè)計(jì)等[5]。

2 開(kāi)設(shè)大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的必要性

近年來(lái)，隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)人才的要求越來(lái)越高。高校作為人才培養(yǎng)的搖籃，如何培養(yǎng)出具有實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才，成了一個(gè)很大的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。作為具有實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)的物理學(xué)，如何在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力，成為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)近年來(lái)的研究課題。在傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)課程中，一切都由教師主導(dǎo)，這在一定程度上限制了學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)驗(yàn)本身也只是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)測(cè)量和理論驗(yàn)證，必會(huì)導(dǎo)致培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生缺乏創(chuàng)造性。近幾年，為了克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的諸多問(wèn)題，在高等教育實(shí)驗(yàn)中推行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)便成了一種選擇。應(yīng)該看到，設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)在把學(xué)習(xí)主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生的同時(shí)，還能促使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

3 大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

3.1 實(shí)驗(yàn)的綜合性

大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)、基本和綜合實(shí)驗(yàn)之后，基本掌握了實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng)的前提下，具備了初級(jí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的，它是一種介于普通教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際科學(xué)探索實(shí)驗(yàn)之間，對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行初步訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)涉及力、熱、光、電等學(xué)科，具有綜合性，要求學(xué)生充分應(yīng)用前期初級(jí)實(shí)驗(yàn)所學(xué)的理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，它有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)的自主性

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)和基本物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成的，教師一般先講解與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的知識(shí)和一些注意的事項(xiàng)，然后學(xué)生按照固定的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。而物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)只設(shè)定需要學(xué)生完成的任務(wù)，不提供完成任務(wù)所需要的資料和實(shí)驗(yàn)方法，這就要求學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)選題，自行查閱和收集資料，并綜合分析資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，最后按方案開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生是主體，教師的任務(wù)是對(duì)學(xué)生在查閱資料、方案設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)上給予方法上的指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生如何提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的探索性

大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行初步科學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力，實(shí)驗(yàn)的選擇、實(shí)驗(yàn)方案的制訂以及實(shí)驗(yàn)的實(shí)施都具有多樣性，這就給學(xué)生提供了較自由的科研氛圍和選擇余地，學(xué)生可以充分發(fā)揮各自的主觀能動(dòng)性，充分利用各自的思維與想象力，對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各類問(wèn)題用科學(xué)的方法加以解決，鍛煉自己的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力。

4 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

由于大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目多且時(shí)間有限，在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的講授方法顯然不再適用，因此在實(shí)際教學(xué)中要以引導(dǎo)為主。通過(guò)幾年的教學(xué)摸索，找到一種行之有效的教學(xué)模式，主要分如下幾個(gè)步驟進(jìn)行。

1）實(shí)驗(yàn)選題。教師提出選題原則和要求，并給出可供選擇的實(shí)驗(yàn)題目。學(xué)生通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)或相關(guān)工具書(shū)，并根據(jù)自身的專業(yè)特點(diǎn)和興趣愛(ài)好選擇適合自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這一階段主要培養(yǎng)學(xué)生自行選擇研究方向及檢索文獻(xiàn)資料的能力。

2）制訂實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生根據(jù)題目的具體要求，在已查閱的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合所學(xué)的知識(shí)確定具體實(shí)驗(yàn)方案和所需器材，并論證方案的可行性。實(shí)驗(yàn)方案的論證可分為理論論證和初級(jí)實(shí)驗(yàn)論證兩個(gè)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(shí)驗(yàn)；初級(jí)實(shí)驗(yàn)論證主要是通過(guò)嘗試性的前期初步實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)檢查方案在實(shí)施過(guò)程中是否存在未曾考慮過(guò)的漏洞。

3）實(shí)驗(yàn)實(shí)操。學(xué)生按照前期制訂的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)操，應(yīng)盡可能自行解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。對(duì)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生確實(shí)難以解決的問(wèn)題，指導(dǎo)教師加以適當(dāng)引導(dǎo)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)達(dá)到方案中的預(yù)期目標(biāo)。

4）論文撰寫(xiě)。由學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和實(shí)驗(yàn)規(guī)律，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)規(guī)律做出合理的解釋，找到實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的內(nèi)部機(jī)理，最后撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)論文展示成果。

5）實(shí)驗(yàn)考核。教師對(duì)學(xué)生制訂的實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)實(shí)操的過(guò)程及論文撰寫(xiě)質(zhì)量做出綜合評(píng)定。一般實(shí)驗(yàn)方案的制訂占總成績(jī)的30%，實(shí)驗(yàn)實(shí)操占40%，論文的撰寫(xiě)占30%。

5 大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題及解決途徑

1）課題選擇不當(dāng)。部分學(xué)生在進(jìn)行課題選擇時(shí)存在課題“過(guò)小”或“過(guò)大”的問(wèn)題[6]。課題“過(guò)小”或“過(guò)大”都不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也就達(dá)不到培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和綜合設(shè)計(jì)能力的目的。課題過(guò)小不利于培養(yǎng)學(xué)生自身創(chuàng)造能力，使設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)失去原有的意義；而課題過(guò)大會(huì)使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中難以解決出現(xiàn)的問(wèn)題，并喪失繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的勇氣，不利于培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索的能力。選題的一般原則是以學(xué)生已經(jīng)掌握的基本知識(shí)為基礎(chǔ)，結(jié)合所學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探索性和創(chuàng)造性。

2）激勵(lì)機(jī)制不完善。從查閱文獻(xiàn)、選題到最后的實(shí)驗(yàn)完成，學(xué)生需要付出大量的時(shí)間，這就要求學(xué)生必須有足夠的時(shí)間，而教師從對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的審查到后期實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)也要付出比普通實(shí)驗(yàn)課多幾倍的勞動(dòng)，但多付出的勞動(dòng)往往沒(méi)有任何報(bào)酬。這必然會(huì)導(dǎo)致學(xué)生急于完成實(shí)驗(yàn)，但完成質(zhì)量不高，教師疲于應(yīng)對(duì)教學(xué)問(wèn)題的出現(xiàn)。因此，學(xué)校必須制定相應(yīng)的管理制度和激勵(lì)機(jī)制，調(diào)動(dòng)教師和學(xué)生的積極性。

3）實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放難度大。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的完成要求學(xué)生要有盡量多的時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室里學(xué)習(xí)，這就使實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放管理具有了一定的難度。另外，每個(gè)學(xué)生的能力不同，完成各自實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間長(zhǎng)短也不盡相同，這就需要實(shí)驗(yàn)室要長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)放，否則將會(huì)出現(xiàn)有些學(xué)生因進(jìn)度緩慢而不能完成實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。但目前，學(xué)生自由支配的時(shí)間相對(duì)較少，這就使得實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放成為難題。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放必然會(huì)使設(shè)備的使用頻率增加，設(shè)備損壞率提高，從而增加維修費(fèi)用和教師的維修強(qiáng)度。為了解決這些問(wèn)題，學(xué)校應(yīng)加大對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的支持力度，保證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，增加實(shí)驗(yàn)室維修人員做好教學(xué)保障。實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)制定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放制度，確保實(shí)驗(yàn)室的正常開(kāi)放。

6 小結(jié)

大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在創(chuàng)新理論指導(dǎo)下的一種科技創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，它的開(kāi)設(shè)打破了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能培養(yǎng)出高素質(zhì)創(chuàng)新人才的難題，這既是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需要，也是社會(huì)對(duì)人才需求的需要。大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式在激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望上，在綜合應(yīng)用知識(shí)能力方面以及培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)方面，都起著重要的作用。

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