物理實驗中三段法訓(xùn)練與應(yīng)用型人才培養(yǎng)

史淑惠，馬春雨

（邯鄲學(xué)院，河北 邯鄲 056005）

實驗是物理教學(xué)中的重要一環(huán)，如何在學(xué)生觀察各種實驗現(xiàn)象和進行實驗結(jié)果分析過程中，培養(yǎng)想象能力、創(chuàng)新能力、觀察能力和動手能力在我們倡導(dǎo)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的今天，這些能力的養(yǎng)成尤顯重要。在當今的實驗教學(xué)中，許多教師都是預(yù)先講授實驗原理、方法和步驟等內(nèi)容，實驗要求整齊劃一，有的老師唯恐學(xué)生在實驗中出現(xiàn)問題，實驗前細致地講解，完整地演示，甚至學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)和教師演示操作步驟不一樣的地方，就要受到指導(dǎo)教師的責(zé)備。這種實驗教學(xué)方式，可能減少了指導(dǎo)教師的麻煩，減少了實驗儀器的損壞率，方便了教師教學(xué)，但卻扼殺了學(xué)生的求知欲望，導(dǎo)致了學(xué)生思維和行動的懶惰，不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

為了適應(yīng)社會的需求，完成人才培養(yǎng)的轉(zhuǎn)型，我們對基礎(chǔ)課程的實驗進行了改革，實施了三段訓(xùn)練法：對每門課程的實驗訓(xùn)練分成基本技能型實驗、綜合型實驗、設(shè)計型實驗三類。基本技能型實驗，以訓(xùn)練學(xué)生的基本動手能力和實驗儀器的使用方法為主要目的；綜合型實驗用于訓(xùn)練學(xué)生實驗技能和對實驗數(shù)據(jù)收集和處理的能力；設(shè)計型實驗是教師給出實驗課題，學(xué)生自己設(shè)計實驗流程，自己對所需實驗設(shè)備和實驗方案進行選擇和設(shè)計，從而達到所要求的實驗?zāi)康?。通過近三年的實踐，我們對這種實驗教學(xué)的改進取得了較為滿意的結(jié)果，學(xué)生普遍認為在實驗中得到了訓(xùn)練，學(xué)到了東西，動手能力和實驗?zāi)芰γ黠@地有所提高。

1 實驗與應(yīng)用型人才培養(yǎng)的哲學(xué)依據(jù)

實驗和觀察作為物理學(xué)形成和發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一，在人類對大自然的認識過程中起到了重要作用。從亞里斯多德的對事物的觀察到伽利略實驗科學(xué)的產(chǎn)生，人類對自然界運動規(guī)律的認識發(fā)生了質(zhì)的飛躍，展示了科學(xué)實驗在人類認識能力的提升和科學(xué)知識的增長中所呈現(xiàn)的不可替代作用，其根本原因在于伽利略將哲學(xué)和實驗科學(xué)相結(jié)合［1］。

實驗，作為基本技能訓(xùn)練，在對所學(xué)知識驗證的同時，對人類認識能力的提升起著重要的輔助作用。沒有親自的觀察，人們無法想象全息照相中的立體成像是什么樣子的；不經(jīng)過驗證，學(xué)生無法理解晶體管中各個電流的關(guān)系；伽利略的望遠鏡不指向月亮，人們大概永遠也不會知道月球上還存在環(huán)形山；沒有伽利略的斜面理想實驗，牛頓第一定律也就不會被人們所認識和發(fā)現(xiàn)；沒有1932年美國物理學(xué)家卡爾·安德森在實驗中證實了正電子的存在，狄拉克的反物質(zhì)粒子只能是理論上的假說。

因為受教育理念的影響，普通高校對學(xué)生實驗的要求多數(shù)只限于完成教學(xué)任務(wù)，不太注重實驗教學(xué)對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)問題。在多數(shù)人看來，學(xué)生所完成的實驗多數(shù)是驗證性實驗。其目的是，通過驗證教學(xué)中所講授的東西，將理論所得到的結(jié)論實驗結(jié)果結(jié)合，加深學(xué)生對理論知識的理解和認識。如果說談到能力的培養(yǎng)，也基本限制在實驗技能的培養(yǎng)問題上，很少有人關(guān)注實驗教學(xué)在學(xué)生創(chuàng)新能力和應(yīng)用型人才養(yǎng)成中的作用。

探討實驗在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的作用，首先要明白一個問題，那就是什么是科學(xué)實驗？實驗的目的是什么？近代著名的科學(xué)哲學(xué)家波普爾在論證理論和實驗的時候曾經(jīng)說過，“理論先于觀察”，他認為，對科學(xué)實驗結(jié)果的觀察和解釋具有很強的目的性和選擇性，這種目的性和選擇性來源于實驗者所持有的科學(xué)理論、興趣和期望解決的問題。我們所面對的事實是無限復(fù)雜多樣的，我們實驗的目的只是觀察其中我們所選擇的、十分有限的實驗結(jié)果。如果你想什么都觀察，其結(jié)果是什么都沒有觀察到［3］。所有實驗都是有目的、有選擇的對某種事實的觀測，因此必須依據(jù)一定的理論、觀點為指導(dǎo)。其次，在觀察中必須有所解釋，無解釋的觀察只是熟視無睹，而解釋必須在一定理論觀點指導(dǎo)下進行，這就會影響觀察的結(jié)果。或者說，我們指導(dǎo)學(xué)生所完成的實驗都是來源于某一理論的指導(dǎo)，這是教育者默認，但始終在受教育者面前有意或無意回避的一個問題。

我們所有的教學(xué)用實驗儀器，編排的實驗內(nèi)容和實驗步驟，無一不遵從一個默認的規(guī)則，那就是實驗儀器的實驗原理［2］。我們不得不承認，每種實驗儀器都是在一定原理基礎(chǔ)上設(shè)計，而實驗結(jié)果同理論的吻合是實驗儀器產(chǎn)生的必然結(jié)果。如楊氏干涉實驗裝置和邁克爾遜干涉儀，雖然是不同的觀察干涉現(xiàn)象的儀器，但是制造它們所依賴的理論都是光的干涉，實驗儀器的設(shè)計者們，都是想方設(shè)法使儀器能產(chǎn)生兩束滿足相干條件的可見光，然后讓這兩束光相遇?？梢韵胂?，如果沒有光的相干性原理作為理論支撐，誰能去設(shè)計這種怪模怪樣的儀器。

如何利用教學(xué)大綱所規(guī)定的實驗項目，以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標，對學(xué)生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，如何在常規(guī)的實驗訓(xùn)練中讓學(xué)生體驗理論發(fā)現(xiàn)者的樂趣，這是每一門實驗課程所必須思考的問題。正如波普爾所說的，“科學(xué)家旨在發(fā)現(xiàn)一個世界，特別是關(guān)于世界規(guī)律性或‘規(guī)律’的真實的理論或描述。這種理論或描述應(yīng)該是對可觀察事實的一種解釋”［3］。我們認為，提高學(xué)生對實驗結(jié)果的描述和結(jié)果的解釋，尤其是綜合性實驗和設(shè)計性實驗中所測量結(jié)果的解釋，是對學(xué)生創(chuàng)新能力訓(xùn)練的一個極好方法。

波普爾曾說過，科學(xué)研究的目的，“就是找出需要解釋的東西的令人滿意的解釋”［4］。實驗的一個很重要的過程，就是實驗結(jié)果分析和實驗結(jié)果的解釋。例如在模擬電子技術(shù)實驗中，由于所用儀器和器件參數(shù)的離散性，實驗結(jié)果中出現(xiàn)同理論值偏離的現(xiàn)象時有發(fā)生，每組得出的實驗結(jié)果均有差異。學(xué)生如何利用所學(xué)的知識對這些結(jié)果進行分析和解釋，本身就是對理論知識體系的應(yīng)用和再理解，或者說是一種應(yīng)用能力養(yǎng)成的訓(xùn)練。

2 依據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標，改革實驗課程

根據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標的要求，實驗教學(xué)中，在培養(yǎng)學(xué)生實驗操作能力的同時，重點關(guān)注學(xué)生自我處理實驗過程，自我分析實驗結(jié)果的能力訓(xùn)練是我們改革的核心。對于普通類本科院校學(xué)生來說，在中學(xué)階段，由于用于理論課學(xué)習(xí)的時間比較多，對高考的關(guān)注度較高，對實驗動手能力和課程的深入理解及拓展能力相對較弱。根據(jù)學(xué)生的這個特點，我們修訂了實驗教學(xué)計劃，依據(jù)課程目標的要求，設(shè)計學(xué)生所完成的實驗題目和內(nèi)容，對每門課程實施了基本技能型實驗、綜合型實驗和設(shè)計型實驗。基礎(chǔ)型實驗以對學(xué)生實驗基本技能和儀器使用的訓(xùn)練為目的，一般設(shè)置一到兩個實驗，用來完成本門課程實驗中所用儀器的掌握；第二階段，設(shè)置三到四個綜合型實驗，對學(xué)生所學(xué)知識和實驗技能進行綜合性和應(yīng)用性訓(xùn)練，提高學(xué)生對所學(xué)知識理解和應(yīng)用的同時，重點放在綜合分析、動手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。以培養(yǎng)學(xué)生實踐能力的綜合素質(zhì)為目的，每門課程一般設(shè)置一到兩個設(shè)計型實驗。在實驗中，以訓(xùn)練學(xué)生對實驗的整體把握和實驗結(jié)果的處理為手段，以能力的提高和創(chuàng)新意識的養(yǎng)成為主線，讓學(xué)生獨立完成實驗。

第一階段的訓(xùn)練為基礎(chǔ)訓(xùn)練。其訓(xùn)練內(nèi)容為每門實驗課程所涉及的實驗儀器的使用和基本實驗?zāi)芰Φ挠?xùn)練。如電學(xué)實驗中，這一階段的實驗訓(xùn)練主要為，示波器的使用、基本儀表的選擇和使用、電路連接的訓(xùn)練等。部分學(xué)生在中學(xué)階段養(yǎng)成的依附教師的習(xí)慣帶到了大學(xué)學(xué)習(xí)階段，影響了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自我管理能力的養(yǎng)成和提高。在實驗課程中表現(xiàn)的也較為明顯和突出，部分學(xué)生等老師演示實驗，然后模仿指導(dǎo)老師的實驗，看似學(xué)生實驗完成得很快，但實質(zhì)上學(xué)生根本沒有理解所做實驗的目的，沒有理解所完成的實驗過程，更談不上對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)了。針對學(xué)生這一特點，我們在這個階段，重點關(guān)注學(xué)生動手能力的訓(xùn)練，以動手能力訓(xùn)練為抓手，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識和能力，從而使學(xué)生盡快轉(zhuǎn)變角色，適應(yīng)大學(xué)學(xué)習(xí)生活。對基本技能型實驗，采用了以學(xué)生自學(xué)和自己動手演練為主，教師講解和演示為輔，并且逐漸地過渡到教師對所做實驗項目不再講解和演示，學(xué)生獨立完成實驗項目。所有接受這種訓(xùn)練的學(xué)生，從一開始對實驗不知所措（因為這類學(xué)生對教師的依賴性太強了）到經(jīng)過幾次基礎(chǔ)性實驗的訓(xùn)練后，學(xué)生擺脫了對指導(dǎo)教師的依賴，為下一步學(xué)生動手完成綜合性實驗和設(shè)計性實驗，奠定了技術(shù)、思想和能力上的基礎(chǔ)。同時消除了部分學(xué)生思想、行為懶惰，不重視實驗教學(xué)的現(xiàn)象。

第二階段，綜合型實驗訓(xùn)練。在學(xué)生基本技能型實驗基礎(chǔ)上，對學(xué)生進行綜合實驗?zāi)芰Φ挠?xùn)練。由教師提出實驗?zāi)康暮蛯嶒炄蝿?wù)，不在對實驗步驟和儀器使用和操作做過多的解釋，但對實驗結(jié)果的記錄和處理依然對提出要求。通過我們的教學(xué)發(fā)現(xiàn)，在做完基礎(chǔ)實驗技能培訓(xùn)后的學(xué)生，基本上可以在沒有實驗指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，依據(jù)實驗教師提出的實驗要求，很好地完成實驗任務(wù)。而且學(xué)生對這種教學(xué)模式感覺收獲大，教學(xué)效果滿意。提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和知識應(yīng)用能力的養(yǎng)成。

實驗?zāi)芰τ?xùn)練的第三階段，設(shè)計型實驗的訓(xùn)練。在此實驗訓(xùn)練階段，指導(dǎo)教師給出學(xué)生的實驗題目和要求。但是不再為學(xué)生提供實驗用的原理圖和實驗步驟。同時對所使用的儀器不再做出硬性的要求，而是讓學(xué)生根據(jù)實驗室所能提供的實驗儀器，自己查閱資料、自己根據(jù)需求選定所用的實驗器材。每個實驗小組編寫實驗項目計劃書（包括實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗所用儀器、實驗步驟、實驗結(jié)果記錄表等），指導(dǎo)教師審閱批準后，實施實驗項目。例如我們在模擬電子技術(shù)這門課程中所設(shè)置的一個設(shè)計型實驗，RC信號發(fā)生器的實驗，給學(xué)生提出了實驗的目的和要求，組裝多檔位可調(diào)節(jié)的RC信號發(fā)生器，并用示波器顯示產(chǎn)生的波形。要求學(xué)生自己在電工電子綜合試驗臺上完成。通過實驗訓(xùn)練，學(xué)生在掌握實驗技能的同時，對所學(xué)知識有了一個系統(tǒng)的理解。通過學(xué)生自己根據(jù)要求，利用已經(jīng)學(xué)過的知識，設(shè)計出實驗原理圖并實施實驗操作，是對學(xué)生所學(xué)知識應(yīng)用能力的極好訓(xùn)練。即培養(yǎng)了學(xué)生對所學(xué)課程的整體理解和綜合能力，又提升了對所學(xué)知識的應(yīng)用能力。

3 實驗教學(xué)改革的體會

通過三段法對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ挠?xùn)練，在學(xué)生提高實驗技能的同時，訓(xùn)練了學(xué)生動手能力，學(xué)生的綜合分析問題的能力。不僅僅是對儀器使用能力的訓(xùn)練，更重要的是對實驗方法和應(yīng)用能力的訓(xùn)練。尤其在綜合型設(shè)計性實驗訓(xùn)練階段，基本上擺脫了教師的指導(dǎo)，在自己對實驗原理和儀器性能理解的基礎(chǔ)上，自己設(shè)計實驗裝配圖和實驗步驟，這種訓(xùn)練，對于多數(shù)學(xué)生來說可以說是第一次。許多學(xué)生在完成實驗后，感到收獲很大，第一次感受到了應(yīng)用能力的體現(xiàn)。通過實驗訓(xùn)練，養(yǎng)成了自我提出問題、分析問題、解決問題的自覺性。更為重要的是，學(xué)生通過三段法訓(xùn)練，擺脫了自上學(xué)以來形成的對教師的依賴習(xí)慣。

［1］周小紅，等.學(xué)物理課程理論與實驗教學(xué)新模式的探索與實踐［J］.大學(xué)物理實驗，2008，3.

［2］何云寶.充分認識物理理論與物理實驗的關(guān)系［M］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2001，4.

［3］〔英〕卡爾·波普爾.猜想與反駁［M］.傅季重，譯.北京：中國美術(shù)學(xué)院出版社，2003，6.

［4］紀樹立，編譯.科學(xué)知識進化論.波普爾科學(xué)哲學(xué)選集［M］.生活.讀書.新知三聯(lián)出版社.

［5］寧鋅.大學(xué)物理仿真實驗在教學(xué)實踐中的應(yīng)用［J］.大學(xué)物理，2012（1）.