大學(xué)物理自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與探索

孫學(xué)軍 金熒熒 孫正鳳

摘?要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科學(xué)生必修的一門(mén)單獨(dú)設(shè)課的基礎(chǔ)課，是培養(yǎng)和提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要課程。近年來(lái)，我們?cè)趥鹘y(tǒng)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加了自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過(guò)自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力顯著提高。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式;創(chuàng)新能力

一、自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)施的意義

高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)作為強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)理工科學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，提升學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)方面有著極其重要的作用[1]。實(shí)驗(yàn)課程中開(kāi)設(shè)自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要舉措。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，實(shí)驗(yàn)教材詳細(xì)列出實(shí)驗(yàn)步驟、線(xiàn)路圖、實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程就是按部就班的完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的思路被限定，主觀(guān)能動(dòng)性得不到發(fā)揮。自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一種以學(xué)生為主，教師為輔來(lái)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)探索及創(chuàng)新能力的新型教學(xué)模式。具體來(lái)說(shuō)，就是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)查閱資料，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自擬實(shí)驗(yàn)操作步驟，在一定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷一次科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程。學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)的思路開(kāi)闊了，學(xué)生的思維活躍了，創(chuàng)新能力與解決問(wèn)題的能力不斷提高。

二、自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的具體實(shí)施

（一）實(shí)驗(yàn)教材的編寫(xiě)與自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的安排

為配合自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施，我們首先對(duì)實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行了調(diào)整與改編。實(shí)驗(yàn)教材共有28個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同分為四個(gè)模塊。分別為基本訓(xùn)練、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、近代綜合與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等四個(gè)部分組成，其中自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)K作為教材中一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，占據(jù)了整個(gè)教材四分之一的內(nèi)容。這個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目全部采用自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目撰寫(xiě)的格式與其他傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不同，實(shí)驗(yàn)教材中只提供實(shí)驗(yàn)題目、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)要求以及實(shí)驗(yàn)思考題，具體的實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路圖、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)表格全部省略，要求學(xué)生自己擬定，這樣就避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生照本宣科地弊端，給學(xué)生留下了思考和發(fā)揮的空間。另外，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程分兩個(gè)學(xué)期進(jìn)行，考慮到自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難度較大，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ筝^高，因此，第一學(xué)期的前半程主要安排基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)行傳統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程訓(xùn)練，學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作能力得到提高。在此基礎(chǔ)上，在第一學(xué)期后半程或者第二學(xué)期安排自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)只能安排2至3個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（二）自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題

對(duì)于自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題，我們結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，本著“設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)既要有所創(chuàng)新，又要結(jié)合實(shí)際，讓學(xué)生能夠切實(shí)可行”的原則，進(jìn)行反復(fù)與研究，在實(shí)驗(yàn)教材中選定了七個(gè)不同的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)涵蓋了力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面，實(shí)驗(yàn)題目分別是：氣墊導(dǎo)軌測(cè)量重力加速度，不規(guī)則物體密度的測(cè)定，落球法測(cè)量液體的粘滯系數(shù)，分壓電路輸出特性研究，電學(xué)元件伏安特性曲線(xiàn)的描繪，電表的改裝與校準(zhǔn)，非平衡直流電橋測(cè)量電阻。這些自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選題具有如下特點(diǎn)：選題緊扣大綱，立足基礎(chǔ)、適當(dāng)延伸，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)比較熟悉，實(shí)驗(yàn)難度適中，運(yùn)用所學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，就可以完成;選題具有一定的探索性，需要學(xué)生查閱資料，方案的形成過(guò)程中要不斷探索研究;選題具有實(shí)用性，盡量選擇現(xiàn)實(shí)生活中可能遇到的問(wèn)題，使學(xué)生對(duì)所選的實(shí)驗(yàn)有濃厚的興趣;選題具有開(kāi)放性，實(shí)驗(yàn)方法不單一，可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，以保證學(xué)生之間設(shè)計(jì)方案多樣性與差異性[2]。

（三）自主性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課前準(zhǔn)備工作

由于自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案，所以實(shí)驗(yàn)課前教師和學(xué)生都需要做大量的準(zhǔn)備工作。實(shí)驗(yàn)課前，教師提前下發(fā)通知并指定實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生按照通知要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)題目，查閱相關(guān)資料，寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告，預(yù)習(xí)報(bào)告中包括實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路圖、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格等一整套的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)這一環(huán)節(jié)，使學(xué)生對(duì)所做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)真思考，形成實(shí)驗(yàn)方案的基本雛形。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告要求在實(shí)驗(yàn)課前兩天上交給指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師對(duì)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行批閱，重點(diǎn)把握實(shí)驗(yàn)方案的可行性與科學(xué)性，保證實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有條件下能夠順利實(shí)施。通過(guò)批閱預(yù)習(xí)報(bào)告，把實(shí)驗(yàn)方案中存在的問(wèn)題指出來(lái)，讓學(xué)生再進(jìn)行修改完善，不合理的實(shí)驗(yàn)方案令其重新整改。由于實(shí)驗(yàn)選題都比較切合學(xué)生實(shí)際，學(xué)生設(shè)計(jì)起來(lái)難度不大，實(shí)驗(yàn)方案確定后，直接可以在課堂實(shí)施。指導(dǎo)教師除了批閱預(yù)習(xí)報(bào)告，還要根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備和各種耗材，以確保實(shí)驗(yàn)方案實(shí)施。

（四）自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課堂操作與課后總結(jié)

課前準(zhǔn)備工作完成后，學(xué)生帶著預(yù)習(xí)報(bào)告進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中起著指導(dǎo)和監(jiān)督作用。實(shí)驗(yàn)之前，教師結(jié)合預(yù)習(xí)報(bào)告中出現(xiàn)的共性問(wèn)題進(jìn)行講解，提醒大家注意，由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中普遍存在著安全意識(shí)缺乏的問(wèn)題，好多設(shè)計(jì)的線(xiàn)路都沒(méi)有保護(hù)措施，對(duì)于元件參數(shù)的計(jì)算不夠精準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)燒壞儀器元件的現(xiàn)象，因此，對(duì)于實(shí)驗(yàn)儀器的安全使用問(wèn)題，教師在課堂上反復(fù)強(qiáng)調(diào)，以避免實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)隨意損壞儀器情況。在保證儀器安全使用的前提下，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室提供的儀器元件，按照擬定好的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)時(shí)一般兩人一組，實(shí)驗(yàn)當(dāng)中出現(xiàn)問(wèn)題，兩人共同討論，共同排查故障，共同解決問(wèn)題，通過(guò)不同的測(cè)量與比較，切磋研究，學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力、科研能力與創(chuàng)新能力得到全面提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告是對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的概括與總結(jié)，實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程以及數(shù)據(jù)結(jié)果要清晰準(zhǔn)確的表述出來(lái)，同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，找出問(wèn)題所在，對(duì)于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中成功的地方，予以肯定和提煉。從最初的預(yù)習(xí)報(bào)告到最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生通過(guò)對(duì)比分析，得到成長(zhǎng)與進(jìn)步，對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解上升到新的高度，完成了一次從理論到實(shí)踐，再?gòu)膶?shí)踐到理論的科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。

三、自主設(shè)計(jì)性教學(xué)模式的效果及存在的問(wèn)題

自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)施以來(lái)，打破了固有的舊思維模式，充分激發(fā)了學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握有了明顯的提高，從簡(jiǎn)單理解上升到靈活應(yīng)用，舉一反三，實(shí)驗(yàn)中更注重實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)思想的學(xué)習(xí)，學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力得到提升，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性得到增強(qiáng)，由過(guò)去的“按照實(shí)驗(yàn)步驟做”，變成“按照自己的思路走”，由“要我做”變成“我要做”，學(xué)生真正成為了實(shí)驗(yàn)的主導(dǎo)者[3]，好多學(xué)生對(duì)科學(xué)研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。但是，在自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，首先，實(shí)驗(yàn)教師的科研能力還需要提高，迫切需要打造一支高素質(zhì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)隊(duì)伍。教師作為自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的組織者，應(yīng)該具備深厚的學(xué)術(shù)功底、扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，從實(shí)驗(yàn)選題到實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要全面掌握和了解，針對(duì)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中出現(xiàn)的各類(lèi)問(wèn)題，做出及時(shí)的判斷與分析，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生思考。因此，教師需要加大教學(xué)投入的力度，不斷提高自己的科研能力;其次，學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案重復(fù)性較高，由于學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備的局限性，使得學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案大同小異，新穎性不夠，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和創(chuàng)造性還需要進(jìn)一步提高;另外，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備需要不斷更新，長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備種類(lèi)比較單一，大部分儀器都是批量購(gòu)買(mǎi)，好多的實(shí)驗(yàn)方案只能局限在現(xiàn)有的儀器設(shè)備范圍內(nèi)。因此，實(shí)驗(yàn)室要加大儀器設(shè)備經(jīng)費(fèi)的投入，以保證自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著教學(xué)改革的不斷深入，自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與探索已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容。目前，在自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的實(shí)施中，還存在諸多的問(wèn)題，這給我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了挑戰(zhàn)，我們要迎難而上，接受挑戰(zhàn)，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)模式，使自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)更加規(guī)范化。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉天寧，徐清.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.7（6）：101-103.

[2]徐勝，夏思墨，韓超峰，王全興.自主設(shè)計(jì)在免疫學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)教育，2019.21（9）：718-721.

[3]竺鋁濤.紡織工程專(zhuān)業(yè)自主設(shè)計(jì)性教學(xué)模式探究[J].紡織服裝教育，2019，34（04）259-362.

基金項(xiàng)目：本文系山東科技大學(xué)濟(jì)南校區(qū)教學(xué)項(xiàng)目（JNJG2017210）的研究成果

作者簡(jiǎn)介：孫學(xué)軍（1968-），女，漢族，山東濟(jì)南人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向：實(shí)驗(yàn)物理。