物理設(shè)計性實驗中的學(xué)生實驗行為

吳 肖，熊建文

(1.華南師范大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院;2.廣東工業(yè)大學(xué) 實驗教學(xué)部，廣東 廣州510006)

0 引 言

近年來，大學(xué)物理設(shè)計性實驗越來越受到各個理工科院校的重視，不少實驗工作者也通過教學(xué)實踐深切的體會到，與傳統(tǒng)的驗證性實驗相比，設(shè)計性實驗更有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力［1-2］。新頒布的“非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求”里也明確指出，“設(shè)計性或研究性實驗的目的是使學(xué)生了解科學(xué)實驗的全過程、逐步掌握科學(xué)思想和科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生獨立實驗的能力和運用所學(xué)知識解決給定問題的能力”，并要求“各校應(yīng)根據(jù)其實際情況設(shè)置該類型的實驗內(nèi)容”［3］。在這一基本要求的指導(dǎo)下，我校(廣東工業(yè)大學(xué))自2007 年進行了大學(xué)物理設(shè)計性實驗的開設(shè)，實施近4 年，的確取得了不少成績，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題。下面以我們的教學(xué)實踐為依據(jù)，對學(xué)生在設(shè)計性實驗中的實驗行為進行研究，剖析學(xué)生較為普遍存在的問題，并有針對性的對大學(xué)物理設(shè)計性實驗的教學(xué)實施提出一些改進措施。

1 課程的基本介紹

我校開設(shè)的設(shè)計性實驗課程的對象是大學(xué)二年級的工科類學(xué)生，均已完成大學(xué)物理基礎(chǔ)性實驗的學(xué)習(xí)。整個課程分為理論課和實驗課兩部分，理論課主要介紹物理實驗方法及計算機在物理實驗中的應(yīng)用，為后續(xù)的設(shè)計進行實驗方法的儲備。實驗課之前先進行設(shè)計性實驗的選題，采取教師提供選題和自主選題相結(jié)合的形式。以小組為單位選題后，遞交實驗設(shè)計方案，教師對設(shè)計方案進行初步論證后，學(xué)生開始實驗，實驗過程中教師各小組輪流指導(dǎo)。實驗完成后，以小組為單位進行實驗匯報，并提交個人撰寫的實驗論文。

2 實驗行為的分析框架

我們采用以下3 個過程階段的分析框架來剖析學(xué)生進行設(shè)計性實驗中存在的問題。

階段1.實驗前——計劃與設(shè)計。

實驗方案的合理性?

實驗方案是否具有創(chuàng)新性?

實驗前的準(zhǔn)備是否充分?

階段2. 實驗中——研究與探索。

是否有能力正確使用測量手段和工具以獲得有意義的數(shù)據(jù)?

是否有能力在實驗中遇到的問題時找到其根源并及時地解決?

是否有探究的意識?

階段3.實驗后——解釋與分析。

能否正確分析數(shù)據(jù)以得出結(jié)論?

對實驗過程中誤差能否正確地分析?

抓住國家加大農(nóng)業(yè)、農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施投資的機遇，千方百計多渠道爭取資金。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)投資較大，一套精準(zhǔn)節(jié)水灌溉系統(tǒng)下來要在10萬元以上。一是要探索整合財政支農(nóng)資金方式。統(tǒng)籌安排使用支農(nóng)資金，圍繞發(fā)展主導(dǎo)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進行整合，通過資金整合，既有利于集中財力辦大事，也有利于發(fā)揮財政資金“四兩撥千斤”的作用。二是拓寬精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)投入來源渠道。進一步優(yōu)化農(nóng)村投資環(huán)境，吸引民間資本更多地投向精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[2]。加快農(nóng)村金融組織、產(chǎn)品和服務(wù)創(chuàng)新，扶持農(nóng)業(yè)信貸擔(dān)保組織發(fā)展，擴大農(nóng)村擔(dān)保品范圍。加快發(fā)展農(nóng)業(yè)保險，政策性保險與商業(yè)保險相結(jié)合，健全農(nóng)業(yè)再保險體系。

在處理與理論或預(yù)測不一致的數(shù)據(jù)時，是否有重復(fù)探究過程或者修改探究設(shè)計去進一步核實數(shù)據(jù)?

實驗匯報和實驗論文的質(zhì)量如何?

3 學(xué)生在進行大學(xué)物理設(shè)計性實驗時較為普遍存在的問題

采用以上框架對學(xué)生整個實驗行為進行分析，可以發(fā)現(xiàn)實驗前中后普遍存在以下問題:

3.1 實驗前——計劃與設(shè)計

實驗前，學(xué)生對于某些實驗選題的研究方向沒有很好的明確。教師在給出實驗題目時，有的目的性很強，比如“基于聲卡和MMUSE 軟件的單擺周期測量［4］”;有的只是給出研究的范圍，比如“計算機實時測量實驗:研究電容的瞬態(tài)過程”，由學(xué)生自己去決定研究的具體內(nèi)容和方向。學(xué)生對此卻并未深入思考，抱著“先把電路設(shè)計出來，研究什么，實驗時再說吧”的想法。

而在實驗方案的設(shè)計上，學(xué)生容易過分的依賴于文獻資料，教師給出選題后在網(wǎng)上找到類似的實驗方案，全番照搬，沒有經(jīng)過自己大腦的思考，提不出具有創(chuàng)造性的設(shè)計，這樣也就達不到設(shè)計性實驗開設(shè)的效果。

對于實驗的預(yù)期進行猜想或者理論分析的學(xué)生更是很少，如實驗題目“研究大擺角情況下的影響單擺周期的因素”，學(xué)生對于擺角是否對周期有影響?如何影響?在實驗前并沒進行深入的思考。

特別值得一提的是，學(xué)生常常會忘記對數(shù)據(jù)記錄表格的設(shè)計，因為基礎(chǔ)實驗時教材上都詳細地提供了數(shù)據(jù)記錄表格。實際上設(shè)計系統(tǒng)又全面的數(shù)據(jù)記錄表格是實驗設(shè)計里非常重要的一部分。

3.2 實驗中——研究與探索

對于一些學(xué)生而言，設(shè)計性實驗實際上就是找到實驗方法和步驟，按照步驟進行實驗，獲得數(shù)據(jù)的過程。他們會遵循步驟收集很多數(shù)據(jù)，卻較少質(zhì)疑數(shù)據(jù)收集過程及數(shù)據(jù)本身的可靠性和有效性;當(dāng)實驗中遇到了問題，很容易對實驗方案輕易的放棄，或者急于求助教師而不能自行思考解決問題。在實驗中，很少學(xué)生將重復(fù)觀察和測量作為實驗的必要，也不會記錄測量數(shù)據(jù)以外的現(xiàn)象;當(dāng)成功的設(shè)計好了實驗時，卻不知道改變一些參數(shù)進行更深入的探究。數(shù)據(jù)記錄凌亂，相關(guān)參量忘記記錄的情況也時有發(fā)生。

3.3 實驗后——解釋與分析

結(jié)果分析時，存在的主要問題是對數(shù)據(jù)與現(xiàn)象的關(guān)系認識不清。學(xué)生有時會根據(jù)自己已有的經(jīng)驗強加判斷，套上規(guī)律或結(jié)論。在處理與理論或預(yù)測不一致的數(shù)據(jù)時，沒有重復(fù)探究過程或者修改設(shè)計方案去進一步核實數(shù)據(jù)。對實驗過程中存在的誤差置之不理，對實驗的有效性和精確度沒有進行有效的評估。

實驗匯報時，過多的將實驗過程中拍攝的圖片進行展示，對結(jié)果的分析常常幾句話帶過，強調(diào)實驗的完成忽視了實驗的成效。交上來的實驗論文，有些與實驗報告并無區(qū)別。

4 研究啟示與建議

上述分析表明，學(xué)生雖然經(jīng)歷了整個設(shè)計性實驗過程，卻不一定能夠內(nèi)化成設(shè)計性實驗的能力。針對學(xué)生普遍存在的問題，我們在教學(xué)上進行下述嘗試性的改進，取得了較好的成效。

4.1 注重基礎(chǔ)實驗與設(shè)計性實驗間的銜接

在基礎(chǔ)實驗中，學(xué)生基本是依照書本上詳細的實驗方法和步驟完成實驗。到了設(shè)計性實驗階段，沒有固定的模式和方法很容易使學(xué)生感到不適應(yīng)。為了消除學(xué)生的這種不適應(yīng)，教師應(yīng)注重基礎(chǔ)實驗與設(shè)計性實驗間的銜接［5］。首先，在進行基礎(chǔ)實驗教學(xué)時，有意識對實驗內(nèi)容進行一些拓展，要求學(xué)生進行一些簡單的實驗方案的設(shè)計，進行基礎(chǔ)的“思維訓(xùn)練性實驗”。如密度的測量實驗后要求學(xué)生學(xué)生設(shè)計多種方案，或者改進實驗提高測量精度等［6］。其次，在基礎(chǔ)實驗教學(xué)中，盡量減少實驗項目的獨立授課，關(guān)注實驗項目之間物理原理(或測量技術(shù))的內(nèi)在聯(lián)系，做到這一點有助于學(xué)生在進行設(shè)計性實驗時找到物理量之間的相關(guān)性及進行實驗原理(測量技術(shù))的遷移［7-8］;再者，在基礎(chǔ)實驗中，學(xué)生對于實驗結(jié)果誤差的分析往往是實驗數(shù)據(jù)的測量誤差，導(dǎo)致學(xué)生在設(shè)計性實驗中對實驗精度的重要性及其影響因素考慮甚少。因此作為教師在基礎(chǔ)實驗中就應(yīng)該多鼓勵學(xué)生進行全方面的誤差分析以及思考如何消除一些不必要的誤差，為設(shè)計性實驗奠定基礎(chǔ)。

4.2 在設(shè)計性實驗中強調(diào)科學(xué)探究

實驗本身與科學(xué)探究是緊密聯(lián)系的［9］，尤其在設(shè)計性實驗中，實驗原理的不確定性，實驗結(jié)果的可拓展性要求學(xué)生具備探究的意識，掌握探究的基本原則和技巧［10］。一次完整的探究過程應(yīng)經(jīng)歷:提出問題—猜想與假設(shè)—制定計劃與設(shè)計實驗—進行實驗與收集證據(jù)—分析與論證—評估—交流與合作等幾個階段［11］。這與設(shè)計性實驗的實驗過程是基本吻合的。教師有意識地強調(diào)科學(xué)探究，在設(shè)計性實驗中設(shè)置探究性的內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)很有助于激發(fā)學(xué)生的探索熱情和提高研究問題的能力。

4.3 在設(shè)計性實驗中強調(diào)全面科學(xué)的評價指標(biāo)［12］

全面科學(xué)的評價指標(biāo)的建設(shè)可以使學(xué)生明確設(shè)計性實驗的具體要求，從而在實驗過程中進行有效地反思和改進。設(shè)計性實驗開展之前就給學(xué)生提出“設(shè)計的創(chuàng)新性，研究的全面性，結(jié)果的精確性”等評價指標(biāo)及權(quán)重，學(xué)生實驗時不盲目，避免了不少之前存在的一些問題。

4.4 在設(shè)計性實驗中滲透元認知的教學(xué)策略

越來越多的教師意識到元認知對學(xué)生學(xué)習(xí)的重要性，在設(shè)計性實驗中，我們發(fā)現(xiàn)在實驗進行的不同階段，通過一些問題讓學(xué)生進行思考，可以有效的促進學(xué)生的元認知轉(zhuǎn)變，其實很多時候?qū)W生只要意識到問題的關(guān)鍵所在，就會去想辦法轉(zhuǎn)變和解決［13-15］。如在實驗之初，提出:你為什么選擇這一實驗方法?你預(yù)計采用這一實驗方法可以達到的測量的精度是多少?是否所有相關(guān)的變量都已經(jīng)充分的考慮到?儀器是否充足?實驗表格是否已經(jīng)設(shè)計好?數(shù)據(jù)分析的方法是否確定好?在實驗之中，提出:實驗操作是否合乎規(guī)范?測量的數(shù)據(jù)是否有效?是否需要重復(fù)測量?在實驗之后，提出:分析的實驗結(jié)果是否與理論相符?測量的誤差有多大?產(chǎn)生誤差的原因是什么?哪些地方還可以改進?學(xué)生通過思考問題對元認知進行監(jiān)控，調(diào)整自己的行為。教師也根據(jù)學(xué)生作的回答，了解到學(xué)生更具體、更細節(jié)的想法，為自己更進一步指導(dǎo)實驗的進行提供了依據(jù)。

5 結(jié) 語

通過對學(xué)生在大學(xué)物理設(shè)計性實驗中的實驗行為進行研究，學(xué)生在實驗中較為普遍存在的問題顯現(xiàn)出來，針對這些問題，我們在教學(xué)上進行了改進，注重基礎(chǔ)實驗與設(shè)計性實驗間的銜接，強調(diào)科學(xué)探究，強調(diào)全面科學(xué)的評價指標(biāo)，滲透元認知的教學(xué)策略。這些改進措施的成效已經(jīng)初步顯現(xiàn)，學(xué)生面對設(shè)計性實驗時，思路更加開闊，分析問題更加全面，也更加樂于探索，學(xué)生的創(chuàng)造潛力在逐步挖掘，部分學(xué)生撰寫的實驗論文經(jīng)教師修改后還在高質(zhì)量的雜志上發(fā)表。在今后的大學(xué)物理設(shè)計性實驗教學(xué)中，我們將進一步深化教學(xué)改革，將這門課程建設(shè)得更好。

［1］ 顧 牡.對于重新制定的《理工學(xué)科非物理類專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》的認識和體會［J］. 物理與工程，2007，17(1):1-4.

［2］ 何深知，崔純瑩，段 薇，等.在設(shè)計性實驗中培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力［J］.實驗室研究與探索，2009，28(6):134-136.

［3］ 教育部高等學(xué)校物理基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會. 理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［4］ 吳 肖，楊友源，周少娜.基于聲卡和MMUSE 軟件的計算機輔助單擺實驗［J］.實驗室研究與探索，2011，30(6):75-76.

［5］ 李冬萍，洪 波，欒小寧.發(fā)掘基礎(chǔ)物理實驗的創(chuàng)新空間［J］. 實驗室研究與探索，2009，28(10):99-101.

［6］ 戴玉蓉，熊宏齊. 將基礎(chǔ)性密度測量實驗打造為設(shè)計性實驗［J］.實驗室研究與探索，2008，27(11):14-16.

［7］ 李潮銳，姚若河，何振輝，等.開放式物理實驗交流平臺及教學(xué)輻射作用［J］.物理實驗，2010，30(11):15-20.

［8］ 李潮銳.物理實驗相關(guān)性在教學(xué)積累中的作用［J］. 實驗技術(shù)與管理，2006，23(10):94-96.

［9］ 何光宏，韓 忠.大學(xué)物理實驗探究式教學(xué)的思考［J］.實驗室研究與探索，2011，30(7):292-294.

［10］ 方麗梅，劉根旺.工科大學(xué)物理教學(xué)中科學(xué)素養(yǎng)與科學(xué)探究能力的培養(yǎng)［J］.實驗技術(shù)與管理，2008，25(8):134-136.

［11］ 潘祥成.物理設(shè)計性實驗對培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力作用的實驗研究［D］.北京:北京師范大學(xué)，2006.

［12］ 張 勇，李 巖，陳 莉，等. 大學(xué)物理設(shè)計性實驗多維度評價的研究與實踐［J］.實驗技術(shù)與管理，2008，25(9):146-148.

［13］ 李建設(shè)，熊建文. 元認知理論在實驗教學(xué)中的作用及其培養(yǎng)［J］.實驗室研究與探索，2010，29(5):153-156.

［14］ 韓典榮，俞曉明. 元認知理論在物理設(shè)計性實驗中的運用策略［J］.大學(xué)物理實驗，2005，18(1):68-71.

［15］ 何懿雯，王祖浩. 國外教學(xué)中的元認知研究新進展［J］. 上海教育科研，2006(5):55-59.