普通物理實驗“三層次”開放式教學模式中設計性實驗研究

代清平，周 勛，韋 俊，李瓊敏

（貴州師范大學，貴州 貴陽 550001）

物理學是一門以實驗為基礎的科學，通過對物理實驗現(xiàn)象的觀察分析和對物理量的測量，使學生掌握物理實驗的基本知識、方法和技能，實驗中運用物理學理論研究物理現(xiàn)象和規(guī)律，加深對物理學理論的理解。通過培養(yǎng)學生物理實驗的素質(zhì)，可以提高學生的科學素養(yǎng)、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力。然而，目前我國大學物理實驗教學中，仍然是以驗證性、模擬性和純測量性的實驗為主，為了實驗而實驗，不但學生積極性較低，也不利于發(fā)揮學生的創(chuàng)造性，傳統(tǒng)的物理實驗教學模式也制約了實驗對于物理理論教學[1]。

我們學校針對傳統(tǒng)的教學模式進行了改革，采用了“三層次”開放式實驗教學模式?！叭龑哟巍遍_放式實驗教學模式將教學內(nèi)容分成基礎型、提高與綜合型、研究設計創(chuàng)新型三個層次，教學目的并非在于簡單的知識傳授，而是要求學生在掌握知識的過程中逐步培養(yǎng)自主探索學習能力、創(chuàng)新精神和實踐能力以及科研意識，全面促進心智和情感的協(xié)調(diào)發(fā)展[2]。在近幾年的教學實踐中，我們發(fā)現(xiàn)這種新型的教學模式是比較適合我們學校的實際情況的，收到了明顯的效果，但同時也有許多值得改進和探索的地方。我們發(fā)現(xiàn)在“三層次”開放式實驗教學模式中設計性實驗是最需要加強的，還沒有滿足教學要求，有很多值得探索的地方。因此在教學中研究設計性實驗有著迫切要求，本文結(jié)合本單位教學實踐探討設計性實驗開發(fā)及教學。

1 設計性實驗

設計性實驗是在掌握基礎性實驗的前提下，以學生為主導，在具備綜合知識及能力之后，對今后開展科學實驗全過程進行初步訓練的一種教學實驗，是一種介于基本教學實驗和實際科學實驗之間的、較高層次的、類科研的實驗訓練。通過開設設計性實驗提高學生素質(zhì)，培養(yǎng)創(chuàng)新能力[3－5]。在一般的情況下，老師們經(jīng)常把光學方面內(nèi)容或電學方面的內(nèi)容作為設計性實驗內(nèi)容，因為這些方面的內(nèi)容易于出題也有很強的操作性。但這也有其弊端，就是這些實驗在長期的實驗教學過程中反復使用，學生們在查找資料時很容易找到現(xiàn)成的實驗原理及實驗步驟等，這樣就把設計性實驗變相地轉(zhuǎn)變成了驗證性實驗，不利于學生的培養(yǎng)。為了更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力我們應該涉及更廣范圍的內(nèi)容，增加學生對設計性實驗的選擇性，也有利于拓寬學生的知識范圍，增強創(chuàng)造性空間。所以我們應該充分發(fā)揮實驗儀器的作用，針對各物理實驗室的儀器盡可能多地開設設計性實驗項目。

2 設計性實驗的設計步驟

2.1 選題

在學生做了基礎型和提高與綜合型這兩個層次的實驗后，學生對實驗的基本技能以及理論知識都有了一個很好的積累，在做完前兩個層次的實驗后開設第三層次的研究設計創(chuàng)新型實驗，學生們就能根據(jù)自己的興趣和掌握的知識選擇題目，在選擇題目的時候老師可以給出一定的題目也可以讓同學們自選題目。在實驗選題之前，要求同學們多搜集相關知識，對自己選擇的實驗課題相關內(nèi)容有一定的了解，這有助于選出合適自己的設計性題目。

2.2 搜索資料并擬定實驗方案

在選題確定后首先需要確定實驗研究的目的、要求和任務，在明確實驗目的和任務后就需要搜索大量的相關資料，對搜集來的資料進行整理并分析，為進行實驗設計準備資料，既是收集資料的過程，又是調(diào)查研究的過程。學會調(diào)查研究文獻資料有助于以后的研究生階段學習。資料準備的充分與否對實驗設計是否科學、合理和先進，有很大關系。

根據(jù)搜集到的資料以及掌握的相關實驗基礎知識，結(jié)合物理學原理建立合理的物理實驗模型，詳細寫出實驗原理、實驗方法和具體實施措施，初步擬定實驗方案。擬定初步實驗方案后需要對實驗原理和實驗方法的合理性、科學性以及可行性進行理論論證。理論論證之后還要求學生進行初步實驗檢驗論證，主要針對實驗方案的可行性進行實踐論證，初步實驗只需觀察有關物理現(xiàn)象，少量測量各重要特殊點的數(shù)據(jù)，看實驗是否能正常進行即可[6]。如果在實驗操作過程中發(fā)現(xiàn)新問題，再重新修改實驗方案，采取適宜的解決措施，如可以通過調(diào)整實驗條件、更換實驗儀器或改變測量方法等，并與同學和老師交流實驗方案意見后最終確定實驗方案。

2.3 進行設計性實驗

在理論和初步實驗檢驗都證明是正確可行的情況下，學生將按照實驗需求自己安裝調(diào)試或制作儀器及軟件，正式進行實驗，仔細觀察實驗現(xiàn)象，認真測量并記錄、處理實驗數(shù)據(jù)。在實驗中遇到困難要進行反復琢磨并思考原因，多與同學和老師交流，老師要多提指導性意見，但不宜直接為學生解決困難，要讓學生自己在解決困難中鍛煉自己，這有益于學生綜合能力的培養(yǎng)。

2.4 總結(jié)

在完成實驗之后，要求同學們自己先對實驗進行總結(jié)，總結(jié)的形式可以用寫實驗心得的方式。教師與同學們交流后，發(fā)現(xiàn)學生在實驗過程中的優(yōu)點和不足。對設計性實驗完成得較好的同學，鼓勵學生把他們的設計性實驗成果撰寫成論文進行公開發(fā)表。

3 設計性實驗項目探究

我們學校作為普通的高等師范院校在實驗教學改革的過程中非常重視設計性實驗項目的開發(fā)，針對本校的實際情況對設計性實驗進行了全方面的擴展，從以前主要集中在電學知識及光學方面的知識進行設計研究型實驗開始拓寬到材料等非常規(guī)性研究型實驗項目。這有利于學生拓寬知識視野，增強自主學習研究能力。立足現(xiàn)有儀器設備和技術(shù)條件，對舊有實驗項目嘗試多角度開發(fā)利用；結(jié)合新技術(shù)或科研工作中測試手段的需要，研究開發(fā)新型的設計性實驗項目。下面舉例介紹我們學校在針對本校實際情況下進行的設計性實驗項目探究情況。

3.1 針對真空鍍膜設備進行設計性實驗

目前利用實驗室北京儀器廠DM－450C大型真空鍍膜設備，自制光學增透膜、增反膜，擴展到磁性多層膜等薄膜，通過學生的探索真空的獲得、真空的測量，多層膜的制備、膜厚的測量技術(shù)、薄膜的應用等知識，并根據(jù)學生興趣、特長，擴展設備功能。

針對這臺儀器我們給出了以下實驗題目，見表1：學生可以選擇已經(jīng)給定的題目進行實驗研究，也可以自己尋找合適的題目。

表1 針對真空鍍膜設備的實驗

3.2 針對X射線衍射儀進行設計性實驗

利用德國萊寶公司的X射線衍射儀，測定晶體的結(jié)構(gòu)等，讓學生通過探討獲得X射線在材料檢測領域廣泛使用的有關知識，并擴展設備使用功能。我們對此給出了以下設計性實驗題目[7－10]，見表2。

表2 針對X射線儀的實驗

當然以上兩個實驗儀器學生在進行研究實驗時候會有更豐富的實驗項目，由于教師沒有限定學生必須在給出的實驗項目當中選擇，所以學生會根據(jù)自己的愛好和掌握知識的程度選擇其它設計性題目。

根據(jù)選定的題目自行查閱資料設計實驗原理，教師沒有給出詳細的實驗原理，教師對學生設計的方案只進行方向性的引導。設計性實驗指導書只是提綱挈領，僅提供一些儀器，提出實驗目的和要求，我們在指導書中還寫入一些課外閱讀參考書籍的目錄，以便豐富學生背景知識，拓寬知識面。例如：膜厚測量實驗。我們在實驗指導上會給出膜厚的測量方法。

（1）有光學測量法，包括光學干涉法、橢偏儀法、極值法、波長調(diào)制法、原子光譜吸收法。

（2）機械測量方法，包括輪廓儀法、顯微鏡觀察斷口、稱重法。

（3）電學測量方法，包括石英晶體振蕩法、電離式監(jiān)控計法、面電阻法[11]。讓學生從上述實驗方法中去去選擇一種適合自己所要測量的膜的最佳方法，并且告訴學生有哪些實驗儀器，有的實驗儀器是沒有的需要借助其他實驗室的可以幫助學生借用。在這過程中并沒有寫明實驗的原理，這需要學生主動查資料去思考這些原理，而不是被動地去按照老師給出的實驗原理去操作實驗。而且在此過程中還鼓勵學生通過查資料或設計出其它可行的實驗方法。這有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，一旦老師把詳細的實驗原理給了學生那又成了傳統(tǒng)通的實驗教學模式。學生設計出實驗原理讓老師檢查后，老師和同學一起探討覺得可行后才開始擬具體的實驗方案，方案擬定后才進行實驗探究，在探究的過程中可能會出現(xiàn)設計中沒有想到的問題，所以會根據(jù)實際情況調(diào)整實驗設計后再進行實驗。

4 結(jié) 論

我們學校通過最近幾年的“三層次”開放式實驗教學探索，發(fā)現(xiàn)學生們對設計性實驗非常感興趣，學生們愿意花時間在實驗室里研究實驗，大大地改變了實驗學習氛圍。設計性實驗使學生了解了科學實驗的全過程，培養(yǎng)了學生獨立實驗的能力和運用所學知識解決實際問題的能力。在整個實驗的過程中，教師只作必要的咨詢和檢查指導，采用了開發(fā)式的教學方法，這有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，也有利于培養(yǎng)學生綜合運用知識和綜合解決問題的能力。鑒于學生們非常喜歡設計性實驗，教師們也進行了大量探索，其中就是對實驗項目進行多角度的開發(fā)。作為普通的高等院校實驗儀器不能與985高校等有條件的學校相比，但我們從學?，F(xiàn)有的儀器入手，盡可能地把儀器的使用效果最大化，這也在一定程度上彌補了學校實驗資金的不足，從而使得在條件有限的情況下提升實驗教學水平和培養(yǎng)學生的能力。

[1]段志剛，趙旭云.大學物理設計性實驗的研究與設計[J].實驗室科學，2009（2）：75－77.

[2]朱昌平，黃 波，朱陳松等.通過“三層次實驗”培養(yǎng)學生實踐創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2007，26（7）：5－8.

[3]王秀杰.大學物理電學設計性實驗的研究與實踐[J].科技信息，2011（22）：99－99.

[4]王 媛.普通物理設計性實驗的探討.大學物理實驗，2010，23（4）：93－94.

[5]楊述武.普通物理實驗（一、力學及熱學部分）[M].3版.北京：高等教育出版社，2000.

[6]趙秀英 王平軍 趙濱華.大學物理設計性實驗有關問題探討[J].2007（3）：50－51.

[7]趙宗彥.X射線與物質(zhì)結(jié)構(gòu)[M].合肥：安徽大學出版社，2004.

[8]黃勝濤.固體x射線學[M].北京：高等教育出版社，1985.

[9]方鴻輝，劉貴興.創(chuàng)新性物理實驗[M].上海：上?？茖W普及出版社，1999.

[10]楊福家.原子物理學[M].北京：高等教育出版社，2000.

[11]張以忱.真空鍍膜技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.