基于能力培養(yǎng)的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

孫學(xué)軍 金熒熒

摘 要：物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生能力的重要途徑之一，本文以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等多方面的改革與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：能力培養(yǎng);設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);開放實(shí)驗(yàn)室;仿真平臺

物理實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)生進(jìn)校后第一門科學(xué)實(shí)踐課程，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)、動手能力、思維能力以及創(chuàng)新意識方面有著獨(dú)特的不可替代的作用，同時物理實(shí)驗(yàn)也是培養(yǎng)具備現(xiàn)代科技素質(zhì)的高質(zhì)量高層次創(chuàng)新人才的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，如何滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)需要？如何激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性和主動性？如何培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力？是目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革面臨的重要課題。

近幾年來，物理實(shí)驗(yàn)室以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、綜合實(shí)踐能力、研究與創(chuàng)新能力為目標(biāo)，對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一系列的改革與實(shí)踐，構(gòu)建了新的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段上各方面進(jìn)行了改革，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中著重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。給學(xué)生營造了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，激勵了學(xué)生個性發(fā)展。

一、實(shí)驗(yàn)課程體系的改革與實(shí)踐

物理實(shí)驗(yàn)由于學(xué)科的交叉滲透，各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間已形成相互融合和相互關(guān)聯(lián)。因此我們教學(xué)內(nèi)容的安排不再遵循力、熱、電、光、近的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，而是根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的難易程度，隨著學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹鸩教岣?，?shí)行分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為基本訓(xùn)練、基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和綜合、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個層次。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體現(xiàn)出相應(yīng)的梯度，因材施教，教學(xué)層次分明，可以充分調(diào)動學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性、主動性，更利于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。其中，在實(shí)驗(yàn)課程初期，主要是安排基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，重在培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能、加深對理論知識的掌握與理解，掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法與思想，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作作風(fēng)。實(shí)驗(yàn)課程的后半段，加入綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，重在培養(yǎng)的綜合解決問題的能力和創(chuàng)新能力。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革與實(shí)踐

根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改變，本著“打好基礎(chǔ)，有所創(chuàng)新”原則，調(diào)整了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，重新選擇調(diào)整實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置突出對學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，選題密切結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，在學(xué)生原有的基礎(chǔ)上，減少了單純理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、建立了內(nèi)容的新穎、貼近現(xiàn)代科技的科學(xué)性實(shí)驗(yàn)體系。增加了實(shí)驗(yàn)思想豐富、實(shí)驗(yàn)方法獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時又從現(xiàn)代科技發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用的角度設(shè)置新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。新的實(shí)驗(yàn)體系更具有趣味性、綜合性、設(shè)計(jì)性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，有利于提高學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，有利于培養(yǎng)獨(dú)立思維，有助于提高分析問題與解決問題的能力，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識與能力。

為培養(yǎng)創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中加大設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，一般的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目其實(shí)驗(yàn)儀器、原理和具體的實(shí)驗(yàn)操作方法、步驟都是事先確定好了的，甚至連結(jié)果都給學(xué)生定好了，學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課大多是“按圖索驥”。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是一種介于基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際科學(xué)實(shí)驗(yàn)之間的、具有對科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行初步訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)只提供每個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基本要求和必要的儀器設(shè)備和相關(guān)的原理提示，不提供完整的實(shí)驗(yàn)方法和步驟，由學(xué)生自己根據(jù)有關(guān)原理和儀器，設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行探索和研究。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生參照正規(guī)期刊上的論文格式書寫，由于論文的結(jié)構(gòu)層次分明，要點(diǎn)突出，有利于鍛煉學(xué)生的邏輯思維和文字表達(dá)能力。對于引用或參考別人文章的內(nèi)容，要求要清楚地標(biāo)明參考文獻(xiàn)和出處，這樣可以培養(yǎng)學(xué)生謙虛謹(jǐn)慎、實(shí)事求是的研究態(tài)度。通過把實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫成規(guī)范的小論文，可以鍛煉學(xué)生撰寫規(guī)范論文的能力，為將來的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和評價體系的改革與實(shí)踐

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法以教師為主體，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講解是采用面面俱到的“滿堂灌”教學(xué)模式，教師對實(shí)驗(yàn)的目的、原理、內(nèi)容進(jìn)行講解，對實(shí)驗(yàn)儀器的操作和注意問題反復(fù)強(qiáng)調(diào)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的整個過程，完全是跟著教師的思路走，沒有自己獨(dú)立思考的空間，長期下來，學(xué)生容易形成懶惰和依賴的心理，課堂中不積極思考，有問題直接問老師，他們的自學(xué)能力、獨(dú)立思維能力以及創(chuàng)新能力得不到到充分發(fā)揮。

改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，就是將一般的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行有選擇、有重點(diǎn)的講解。不按部就班，不循規(guī)蹈矩，重點(diǎn)突出實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)方法、儀器選擇和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等方面，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟留給學(xué)生自己研究，實(shí)驗(yàn)教學(xué)重在授學(xué)生以漁，讓學(xué)生不僅“知其然”還要“知其所以然”，做到能夠觸類旁通，舉一反三。我們在實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)了CAI課件，通過大屏幕電視機(jī)播放，可以更直觀地觀察一些物理原理及現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。同時，加大實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生開放的力度，讓學(xué)生利用計(jì)劃學(xué)時外的時間，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，在必修實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加自選項(xiàng)目，根據(jù)自己的個人興趣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科學(xué)研究，給學(xué)生個性發(fā)展的空間。

學(xué)生的成績評價體系作為檢查教學(xué)效果的重要手段，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著重要的作用，科學(xué)的評價體系有利于調(diào)動學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，為了使學(xué)生重視平時實(shí)驗(yàn)課堂的學(xué)習(xí)，同時也為了避免學(xué)生課堂上實(shí)驗(yàn)操作懶得動手的現(xiàn)象，對學(xué)生的每一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成績評定分為三個部分：分別是預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分組成，每一個部分都要進(jìn)行評定，并逐一進(jìn)行打分登記。最后的實(shí)驗(yàn)成績評定，采用平時成績和操作考試相結(jié)合，平時成績占60%，操作考試占40%。操作考試的實(shí)驗(yàn)題目，在平時實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，有所變化，學(xué)生舉一反三，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，操作采用單人單組的形式，學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，老師直接現(xiàn)場對學(xué)生所做的實(shí)驗(yàn)做出評判。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)中基本科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)的改革與實(shí)踐

物理實(shí)驗(yàn)課程是一門基礎(chǔ)課程，重在培養(yǎng)學(xué)生的基本素質(zhì)，因此在日常的實(shí)驗(yàn)中加強(qiáng)對學(xué)生進(jìn)行以下方面的培養(yǎng)：培養(yǎng)學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)教材和查閱資料的能力，讓學(xué)生通過閱讀實(shí)驗(yàn)教材和查閱資料，掌握基本的實(shí)驗(yàn)原理及方法，物理實(shí)驗(yàn)當(dāng)中蘊(yùn)含豐富的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法，每做一個實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生深入理解和體會每一個實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和本質(zhì);培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會正確使用各類實(shí)驗(yàn)儀器的能力，每一類的實(shí)驗(yàn)儀器都有不同的特點(diǎn)，操作的規(guī)程也不相同。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生掌握電學(xué)儀器、光學(xué)儀器、力學(xué)以及熱學(xué)等各類儀器操作規(guī)程，正確使用儀器進(jìn)行測量，測量的訓(xùn)練落實(shí)到具體到每一個實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，例如：量程的選擇，零點(diǎn)的調(diào)節(jié)，以及讀數(shù)的規(guī)則等等;培養(yǎng)學(xué)生正確記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能力，物理實(shí)驗(yàn)作為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，不僅是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，還要對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果學(xué)會正確的計(jì)算處理和表達(dá)。實(shí)驗(yàn)中學(xué)會各類數(shù)據(jù)處理的方法，例如：逐差法，作圖法等，為將來從事科學(xué)研究，撰寫論文打下基礎(chǔ)。

五、實(shí)踐活動創(chuàng)新的改革與實(shí)踐

日常生活中，教師應(yīng)該鼓勵學(xué)生參加各種科研活動，引導(dǎo)他們注重對身邊事物的觀察，用物理實(shí)驗(yàn)的思維去進(jìn)行創(chuàng)作，改變身邊的環(huán)境。鼓勵學(xué)生參加物理實(shí)驗(yàn)的各類比賽，在比賽中自己設(shè)計(jì)創(chuàng)造，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，去體驗(yàn)科新創(chuàng)新的辛苦和快樂。老師組建各種物理實(shí)驗(yàn)小組，讓學(xué)生利用空閑時間來到實(shí)驗(yàn)室，幫助老師準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，調(diào)試儀器，或者做一些實(shí)際的手工制作，例如焊接導(dǎo)線，修理簡單的儀器等，或者根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，布置一些小的課題，引導(dǎo)學(xué)生以小組的形式共同探索研究，構(gòu)建相互學(xué)習(xí)、相互促進(jìn)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)氛圍，集思廣益，在共同的研究中激發(fā)出創(chuàng)新的火花。

六、仿真實(shí)驗(yàn)平臺的探索與實(shí)踐

隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)也進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的嘗試。特別是2020年，突如其來的疫情打亂了正常的教學(xué)秩序，我們按照“停課不停學(xué)”的要求，利用仿真實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。仿真平臺對于教師和學(xué)生來說，都是一個全新的體驗(yàn)，一切都要從頭摸索。經(jīng)過一段時間的探索，終于掌握了平臺的使用，利用平臺圓滿地完成了實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，最大限度減少了疫情帶來的影響。

（一）仿真平臺的優(yōu)勢

仿真平臺是伴隨著互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的新興事物，實(shí)驗(yàn)室由“實(shí)體”實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)為“虛擬”的實(shí)驗(yàn)室，平臺進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法比擬的優(yōu)勢。仿真平臺優(yōu)勢之一就是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作過程不受時間和空間的制約。首先，教師對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行集中講解，講解完畢后，在實(shí)驗(yàn)平臺安排實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、操作以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等各項(xiàng)任務(wù)。接著，學(xué)生根據(jù)教師的安排，自主安排實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)操作可以多次進(jìn)行，不斷的完善和改進(jìn)操作，直到完全弄會弄懂，好多學(xué)生實(shí)驗(yàn)一做就是五六個小時，沉浸在實(shí)驗(yàn)操作的樂趣之中，為每一次實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)的刷新而興奮，不斷的挑戰(zhàn)自我。其次，仿真平臺的優(yōu)勢之二就是省去了教師大量課前的儀器設(shè)備調(diào)試維修工作。一般傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)課前，教師每次都要對儀器反復(fù)調(diào)試，并進(jìn)行維修維護(hù)，實(shí)驗(yàn)操作過程中，也容易出現(xiàn)儀器損壞等問題，一旦出現(xiàn)儀器故障，就會影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)，而利用平臺實(shí)驗(yàn)則完全不用擔(dān)心儀器出現(xiàn)故障，學(xué)生放心，教師放心，完全消除了儀器故障帶來的問題，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本。

（二）仿真平臺的不足

任何事物都是一分為二的，仿真平臺帶來便捷的同時，也存在著一些不足。仿真平臺是在虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行操作，與真正的實(shí)驗(yàn)室操作相比，有著截然不同的感受。學(xué)生不能親身感受實(shí)驗(yàn)室的氛圍和環(huán)境，不能親眼所見，親手操作儀器設(shè)備，實(shí)驗(yàn)操作過程當(dāng)中出現(xiàn)問題，教師指導(dǎo)起來極為不便。另外，仿真平臺在實(shí)驗(yàn)操作各環(huán)節(jié)的評定方面，各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之間大同小異，不容易體現(xiàn)特色，平臺設(shè)動的程序都是固化的，不能靈活調(diào)整。

七、結(jié)語

讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主研究和探索，培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)，提高動手能力、創(chuàng)新能力，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的根本宗旨。遵循“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室開放等是調(diào)動學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)主動性、積極性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。我們在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要多措并舉，勇于改革，不斷地進(jìn)行探索和研究，以適應(yīng)新時代的發(fā)展和要求。