以問題解決為手段在大學(xué)物理實驗課程中培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力

錢 霞 楊效華

（聊城大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，山東省光通信科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，山東 聊城 252059）

美國馬里蘭大學(xué)教授劉全生提到過，中國大學(xué)最需要“三創(chuàng)”，即創(chuàng)意、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè).在我國傳統(tǒng)教育下，學(xué)生缺少一種銳意求索的探索精神，從小到大被灌輸各種書本理論知識，最缺少的就是實踐知識，更談不上創(chuàng)新.大學(xué)物理實驗作為一個重要實踐手段，對培養(yǎng)大學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力有重要的意義.

1 問題解決的過程是知識和能力獲得的過程

能力是知識、技能進一步概括化和系統(tǒng)化而形成的高度整合性的心理結(jié)構(gòu)，是個體通過對知識、技能的廣泛遷移應(yīng)用而實現(xiàn)的.實踐能力就是個體解決實際問題的能力，是個體完成特定實踐活動的水平和可能性，即保證個體順利運用已有知識、技能去解決實際問題所必須具備那些生理和心理特征.創(chuàng)新即不受現(xiàn)成的常規(guī)的思路的約束，尋求對問題的全新的獨特性的解答和方法.大多數(shù)心理學(xué)家一致認為，有效的問題解決是以豐富的某一問題領(lǐng)域的知識存儲為基礎(chǔ)的，不但要具有豐富的陳述性知識，而且要以自己的方式存儲大量的程序性知識——知道如何去做的策略知識[1].

對于知識和能力的獲得，杜威特別強調(diào)實踐的作用.他強調(diào)在經(jīng)驗中學(xué)，“從做事里面求學(xué)問”，在做的過程中發(fā)現(xiàn)和發(fā)展自己.杜威倡導(dǎo)問題解決教學(xué)模式，認為大量的實踐和發(fā)現(xiàn)活動都與學(xué)生問題解決有關(guān)，他認為：一個人必須有他自己的目的和問題，并能自行思考，在教育中，要引導(dǎo)學(xué)生運用智慧去探究或探索以解決問題，在解決問題的過程中獲得真知[2].問題解決是知識轉(zhuǎn)化的有效途徑，問題解決檢驗個體能力的高低[3].

2 大學(xué)物理實驗是知識和能力遷移的過程，是解決問題的過程

物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用，描述自然界物體運動規(guī)律的一門學(xué)科，抽象性、高度模型化、高度理論性是它的顯著特點，它又是一門實驗科學(xué)，有著重大的實踐性與應(yīng)用性，是需要創(chuàng)造性思維、批判性精神以及高度專業(yè)知識的研究領(lǐng)域.當(dāng)前物理研究具有兩重性：一是在理論層面對于物理學(xué)知識體系的構(gòu)建與完善，包括理論推演、計算模擬、實驗檢驗等；二是在技術(shù)層面對于已掌握的物理規(guī)律的挖掘與應(yīng)用，包括與物理有關(guān)的專利設(shè)計、儀器制造、工業(yè)生產(chǎn)等，涉及航空、航天、醫(yī)學(xué)、電氣、工程、計算機等社會領(lǐng)域[4].

物理實驗是物理研究的重要手段，其廣義的含義包括了探索未知世界的科研性實驗和培養(yǎng)學(xué)生的教學(xué)性實驗，兩者有著千絲萬縷的關(guān)系.大學(xué)物理實驗教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生物理科研素養(yǎng)、認知物理世界的重要手段，從某種程度上也可以說是科研性實驗的前期過程.

大學(xué)物理實驗對學(xué)生來講是一個知識和技能學(xué)習(xí)、遷移、轉(zhuǎn)化的過程.學(xué)生在課堂上、書本上學(xué)到的是間接知識，在實驗中，通過儀器的操作、數(shù)據(jù)的記錄、分析和處理，學(xué)到了直接知識；書本上學(xué)到的陳述性知識——實驗原理、儀器原理、運算規(guī)則通過實驗轉(zhuǎn)化成程序性知識——儀器的操作、數(shù)據(jù)的運算及分析以及完成實驗的方法和途徑；通過完成實驗，學(xué)生實現(xiàn)了實驗技能和技巧的擁有；重要的是，在實驗過程中積累的經(jīng)驗、體驗、感悟轉(zhuǎn)化成不能言傳的、不能系統(tǒng)表述的，只能意會的知識——緘默知識.而對實踐能力形成極為重要的緘默知識根本無法在書本中找到，只能靠個體在實踐中摸索、頓悟以及同行之間在工作過程中隨機的交流和切磋來獲得[5].

大學(xué)物理實驗同時也可以理解為一個做并解決問題的過程.大學(xué)物理實驗可以是驗證已有的某個原理的過程或是給定實驗?zāi)康暮蛯嶒灄l件，由學(xué)生自行設(shè)計并完成實際實驗方案的過程.雖然大學(xué)物理實驗有不同的內(nèi)容、不同的形式，但過程都是：為了實驗?zāi)康模瑢W(xué)生帶著問題，根據(jù)某一物理原理或規(guī)則，按照一定的實驗步驟，親自操作實驗儀器，完成某一物理過程，記錄原始數(shù)據(jù)，得到實驗結(jié)果，分析實驗結(jié)果，得出實驗結(jié)論，最終解決問題.

3 以解決問題為目標(biāo)，對我國大學(xué)物理實驗教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力的幾點思考

大學(xué)物理實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力是被普遍接受的觀點，但是不得不承認，目前能夠達到的效果卻遠不如意.學(xué)校教育往往以客觀主義的知識觀為主要導(dǎo)向，主要任務(wù)就是讓學(xué)習(xí)者“獲得”知識，因此，知識就變得像物品或食物，教育者變成了傳遞者.在這樣的知識傳輸?shù)倪^程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為因此也被極度地簡化，而學(xué)生在“獲得”固定的知識體系之后，等待他們的卻是瞬息萬變的信息世界和各種在學(xué)校教育情景中沒有被涉及的新事物和新問題.面對問題，學(xué)生瞬間感到學(xué)校所學(xué)的嚴(yán)重不足，學(xué)習(xí)者獲得的大量知識實際上變成了無法在現(xiàn)實生活中被隨時方便地使用的“惰性知識”[6].因此，我們必須對此要進行思考.物理實驗的目的不只是教學(xué)生使用各種儀器設(shè)備，也不僅是讓學(xué)生學(xué)會一些實驗的方法與手段，而是讓學(xué)生在實驗中既動手又動腦，通過實踐真正掌握物理規(guī)律的真諦，學(xué)會用實驗方法去檢驗理論，去解決問題.當(dāng)前很多實驗室強調(diào)實驗的先進性，復(fù)雜性，但是有些國外的實驗室并沒有那么多價格高昂的實驗設(shè)備，卻帶給學(xué)生對實驗的熱愛和研究激情.因此，我們需要轉(zhuǎn)換思維方式，不完全在于實驗設(shè)備的先進與否，而在于教育理念的問題.

3.1 增強大學(xué)物理實驗解決問題的特性

“教育課程的重要的最終目標(biāo)就是教學(xué)生解決問題”[7]，大學(xué)物理實驗要強調(diào)解決問題的特性，突出大學(xué)物理實驗對物理規(guī)律的驗證和物理在實踐中的應(yīng)用.目前很多學(xué)校強調(diào)分層次的、開放式的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式，設(shè)置驗證性實驗、探索性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗和研究性實驗等實驗形式.設(shè)計性實驗和研究性實驗很容易被理解為以解決問題為目的的實驗，但是基礎(chǔ)驗證性實驗的解決問題的特點通常不很清晰，但是換種思路深入挖掘后仍可以得到不同的結(jié)果.伏安法測電阻和二極管的伏安特性測量通常是電學(xué)的入門基礎(chǔ)驗證性實驗，通過實驗，學(xué)生很容易驗證出金屬材料電阻的線性特點和二極管伏安特性的非線性特點.如果僅僅到這一步，實驗就結(jié)束，學(xué)生也就僅僅掌握了實驗的方法，會連接比較復(fù)雜的電路，然后驗證并認識了實驗結(jié)論.但是如果讓學(xué)生進一步思考實驗背后的物理理論，即為什么金屬材料與半導(dǎo)體材料在導(dǎo)電特性上具有不同的特點？學(xué)生要回答這個問題，必然要從導(dǎo)體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中尋求答案，結(jié)合實驗過程，實驗結(jié)論可以寫成是小型的科研論文的形式，這也恰好是數(shù)十年前物理學(xué)家們從事的科研性工作.反過來，要求學(xué)生設(shè)計實驗，以科研的方式，研究金屬材料和半導(dǎo)體材料在導(dǎo)電性能上的不同，這時學(xué)生就必須要逆向思考，設(shè)計實驗步驟，搭電路，測量，讀數(shù)，分析數(shù)據(jù)，得到實驗結(jié)論.在實驗過程中，學(xué)生要考慮各種途徑，找到自己認為最好的方式.比如，測量金屬材料的電阻有多種實驗方法，萬用表測電阻、伏安法測電阻、單臂電橋測電阻、雙臂電橋測電阻、非平衡電橋測電阻等等若干方法，但是它們所測電阻具有不同的適用范圍和誤差精確度，在實踐中具有不同的應(yīng)用特點，給學(xué)生一系列不同特性的電阻，學(xué)生就要采用不同的方法進行測量.按照這樣的思路走下去，簡單的實驗，或者說每一個實驗都能帶給學(xué)生無窮思考的魅力，從簡單的實驗中獲得物理規(guī)律的真諦.

大學(xué)物理實驗是理論聯(lián)系實際，能夠解決具體問題的實驗，比如，光敏電阻、光敏二極管是常見的光電轉(zhuǎn)換器件，作為光電傳感器件在實際生活中有很廣闊的應(yīng)用范圍，學(xué)生在做完研究它們特性的實驗、總結(jié)它們的物理特性后，可以繼續(xù)讓學(xué)生接觸光纖技術(shù)和傳感器技術(shù)，用這些器件做成實際的光電器件，進行應(yīng)用.學(xué)生完成一些物理與其他專業(yè)相結(jié)合的應(yīng)用性實驗，會讓設(shè)計性實驗、綜合性實驗、研究性實驗帶給學(xué)生更多思考、解決問題的機會.對于藥學(xué)院的學(xué)生，完全可以接觸類似核磁共振在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用、X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用等的實驗.對于搞材料研究的人來講，研究某材料性能的好壞或某些特征是必須要涉及的問題，這要用到很多物理的方法，比如可以用X射線研究材料的晶體結(jié)構(gòu)，或用物理方法研究材料的導(dǎo)電特性等，而讓材料學(xué)院的學(xué)生接觸到這樣的物理應(yīng)用性實驗無疑是有巨大意義的，既增加了興趣，又對物理技術(shù)與方法有了深刻的了解，這也恰好可以看成是科研的前期訓(xùn)練.

3.2 將計算機廣泛應(yīng)用到大學(xué)物理實驗中

在當(dāng)前的科研性實驗中，計算機技術(shù)在采集實驗數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等方面廣泛應(yīng)用，而這些技術(shù)同樣可以應(yīng)用到大學(xué)物理實驗教學(xué)中.由計算機采集的數(shù)據(jù)更加精確，而學(xué)生利用基本的計算機數(shù)據(jù)處理軟件，比如用origin處理數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)給出數(shù)據(jù)圖線，按照科學(xué)研究分析數(shù)據(jù)的模式分析數(shù)據(jù)圖線，可以得到更加準(zhǔn)確的結(jié)論.通過這種模式，既讓學(xué)生學(xué)會利用計算機軟件處理數(shù)據(jù)的基本技能，又讓學(xué)生可以更加深刻地認識物理現(xiàn)象和物理規(guī)律.考慮到實驗空間和時間的限制，可以利用計算機軟件，讓學(xué)生從電腦上完成實驗的設(shè)計和模擬操作來完成實驗，這種設(shè)計性實驗，相信能夠極大地推進學(xué)生對于物理實驗的興趣和認知.比如在光學(xué)實驗“用牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑”中，已知D2k＝ （4Rλ）k（其中Dk為第k級干涉暗環(huán)的直徑，R為曲率半徑），在改變透鏡的半徑和采用不同波長的光照射情況下，讓學(xué)生利用origin軟件作出D2k-k關(guān)系曲線，探討各種情況下曲線的不同特性，并從中進行對比分析；而對于對實驗極有興趣的學(xué)生，還可以讓他們應(yīng)用flash等軟件在電腦上完成對該實驗的模擬與分析，這樣牛頓環(huán)實驗現(xiàn)象與實驗結(jié)果分析會更加透徹.

3.3 學(xué)生參與實驗室的維修與改造

很多實驗室有很多舊的就要被報廢的儀器設(shè)備，這些儀器往往被淘汰，被當(dāng)成廢品賣掉或做其他用途.但是，這些廢舊儀器的維修、改造等是學(xué)生進行實踐操作的極好的機會，雖然這些儀器的設(shè)計已經(jīng)落后，但是還是包含了物理或其他學(xué)科規(guī)律的應(yīng)用，現(xiàn)在很多高級的實驗儀器采用了黑匣子設(shè)計，學(xué)生看不到內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，而通過對這些舊的儀器設(shè)備的觀測，通過拆卸、維修或改造可以讓學(xué)生認識這些儀器的構(gòu)造原理及運行機理，并可以提出改進的想法，同時在這一過程中還可以鍛煉學(xué)生基本的諸如焊接等的基礎(chǔ)技能.

3.4 轉(zhuǎn)變教育理念，強調(diào)學(xué)生“做中學(xué)”，做思并考

這應(yīng)該是老生常談的問題，但是真正的在課堂上實踐還遠未實現(xiàn).歐美等國家的教育讓學(xué)生從小就獨立做一些事情，包括查資料、做制作、寫小論文等，對于大學(xué)生，更是要求具有很強的獨立學(xué)習(xí)能力.在美國斯坦福大學(xué)，大學(xué)為學(xué)生開設(shè)實驗課的目的十分明確，就是要通過物理實驗使學(xué)生懂得如何去研究物理問題，而不是只局限在知識的傳授和技能的訓(xùn)練范圍內(nèi)，教師的任務(wù)是引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過具體的物理實驗來學(xué)會如何剖析實驗問題、如何制定最佳實驗方案，給學(xué)生留下很多啟發(fā)性和能夠開闊視野的思路和問題，在教學(xué)過程中，實驗內(nèi)容中的實驗操作步驟被有意識地粗略化，但是留給學(xué)生許多結(jié)合實驗的思考題，促使學(xué)生在實驗前、實驗中和實驗后進行思考與創(chuàng)造，實驗過程中有不清楚之處時，學(xué)生可以隨時查閱實驗室中儀器資料和實驗設(shè)備說明書等參考文獻，整個實驗階段學(xué)生是主角[8].清華大學(xué)電子工程系在這方面有相似的做法，他們以現(xiàn)代通信系統(tǒng)射頻前端為基點，讓學(xué)生自選題目，合作設(shè)計、制作系統(tǒng)、方案論證、元器件采購、電路安裝、系統(tǒng)性能調(diào)試，到最后驗收成果、寫總結(jié)報告、交流答辯等，使學(xué)生經(jīng)歷開發(fā)研究項目的全過程，真切地了解和嘗試科學(xué)研究的滋味，結(jié)果是取得非常好的效果，大大培養(yǎng)了學(xué)生的解決實際問題的能力[9].很多出過國的學(xué)生認識到，國外高校的學(xué)習(xí)強度和知識量之大是國內(nèi)學(xué)校不可比擬的，但是在我國師資力量達不到的情況下，培養(yǎng)學(xué)生自己學(xué)習(xí)并做的能力是很重要的.

示波器的使用通常是理工科學(xué)生必做的電磁學(xué)實驗，通常要求學(xué)生了解示波器的顯像原理、熟悉示波器的使用方法并測量給定交流信號源的周期、幅值、相位等參數(shù)并觀察信號的疊加、李薩如圖形等現(xiàn)象.但進一步，可以讓學(xué)生利用電阻、電感、電容、二極管、三極管等器件自建各種不同形式的電學(xué)回路，利用示波器觀察電路的比如諧振特性（比如RLC串聯(lián)電路諧振）、暫態(tài)特性、半波整流波形、全波整流波形等的特性現(xiàn)象；在這基礎(chǔ)上，再了解分析示波器在信號測量、設(shè)備維修、通信設(shè)備等領(lǐng)域的實際應(yīng)用（比如示波器在發(fā)信機測試中的使用）；所需求的大量的知識點，學(xué)生可以通過學(xué)校圖書館網(wǎng)查找文獻，最終的實驗完成方式可以是小論文模式或設(shè)計具體器件模式.

總之，大學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)途徑不是唯一的，希望本篇文章能夠?qū)υ诖髮W(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力提供一些思路.

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