普通物理实验“三层次”开放式教学模式中设计性实验研究

代清平，周 勋，韦 俊，李琼敏

（贵州师范大学，贵州 贵阳 550001）

物理学是一门以实验为基础的科学，通过对物理实验现象的观察分析和对物理量的测量，使学生掌握物理实验的基本知识、方法和技能，实验中运用物理学理论研究物理现象和规律，加深对物理学理论的理解。通过培养学生物理实验的素质，可以提高学生的科学素养、创新意识、创新能力。然而，目前我国大学物理实验教学中，仍然是以验证性、模拟性和纯测量性的实验为主，为了实验而实验，不但学生积极性较低，也不利于发挥学生的创造性，传统的物理实验教学模式也制约了实验对于物理理论教学[1]。

我们学校针对传统的教学模式进行了改革，采用了“三层次”开放式实验教学模式。“三层次”开放式实验教学模式将教学内容分成基础型、提高与综合型、研究设计创新型三个层次，教学目的并非在于简单的知识传授，而是要求学生在掌握知识的过程中逐步培养自主探索学习能力、创新精神和实践能力以及科研意识，全面促进心智和情感的协调发展[2]。在近几年的教学实践中，我们发现这种新型的教学模式是比较适合我们学校的实际情况的，收到了明显的效果，但同时也有许多值得改进和探索的地方。我们发现在“三层次”开放式实验教学模式中设计性实验是最需要加强的，还没有满足教学要求，有很多值得探索的地方。因此在教学中研究设计性实验有着迫切要求，本文结合本单位教学实践探讨设计性实验开发及教学。

1 设计性实验

设计性实验是在掌握基础性实验的前提下，以学生为主导，在具备综合知识及能力之后，对今后开展科学实验全过程进行初步训练的一种教学实验，是一种介于基本教学实验和实际科学实验之间的、较高层次的、类科研的实验训练。通过开设设计性实验提高学生素质，培养创新能力[3－5]。在一般的情况下，老师们经常把光学方面内容或电学方面的内容作为设计性实验内容，因为这些方面的内容易于出题也有很强的操作性。但这也有其弊端，就是这些实验在长期的实验教学过程中反复使用，学生们在查找资料时很容易找到现成的实验原理及实验步骤等，这样就把设计性实验变相地转变成了验证性实验，不利于学生的培养。为了更好地培养学生的创造力我们应该涉及更广范围的内容，增加学生对设计性实验的选择性，也有利于拓宽学生的知识范围，增强创造性空间。所以我们应该充分发挥实验仪器的作用，针对各物理实验室的仪器尽可能多地开设设计性实验项目。

2 设计性实验的设计步骤

2.1 选题

在学生做了基础型和提高与综合型这两个层次的实验后，学生对实验的基本技能以及理论知识都有了一个很好的积累，在做完前两个层次的实验后开设第三层次的研究设计创新型实验，学生们就能根据自己的兴趣和掌握的知识选择题目，在选择题目的时候老师可以给出一定的题目也可以让同学们自选题目。在实验选题之前，要求同学们多搜集相关知识，对自己选择的实验课题相关内容有一定的了解，这有助于选出合适自己的设计性题目。

2.2 搜索资料并拟定实验方案

在选题确定后首先需要确定实验研究的目的、要求和任务，在明确实验目的和任务后就需要搜索大量的相关资料，对搜集来的资料进行整理并分析，为进行实验设计准备资料，既是收集资料的过程，又是调查研究的过程。学会调查研究文献资料有助于以后的研究生阶段学习。资料准备的充分与否对实验设计是否科学、合理和先进，有很大关系。

根据搜集到的资料以及掌握的相关实验基础知识，结合物理学原理建立合理的物理实验模型，详细写出实验原理、实验方法和具体实施措施，初步拟定实验方案。拟定初步实验方案后需要对实验原理和实验方法的合理性、科学性以及可行性进行理论论证。理论论证之后还要求学生进行初步实验检验论证，主要针对实验方案的可行性进行实践论证，初步实验只需观察有关物理现象，少量测量各重要特殊点的数据，看实验是否能正常进行即可[6]。如果在实验操作过程中发现新问题，再重新修改实验方案，采取适宜的解决措施，如可以通过调整实验条件、更换实验仪器或改变测量方法等，并与同学和老师交流实验方案意见后最终确定实验方案。

2.3 进行设计性实验

在理论和初步实验检验都证明是正确可行的情况下，学生将按照实验需求自己安装调试或制作仪器及软件，正式进行实验，仔细观察实验现象，认真测量并记录、处理实验数据。在实验中遇到困难要进行反复琢磨并思考原因，多与同学和老师交流，老师要多提指导性意见，但不宜直接为学生解决困难，要让学生自己在解决困难中锻炼自己，这有益于学生综合能力的培养。

2.4 总结

在完成实验之后，要求同学们自己先对实验进行总结，总结的形式可以用写实验心得的方式。教师与同学们交流后，发现学生在实验过程中的优点和不足。对设计性实验完成得较好的同学，鼓励学生把他们的设计性实验成果撰写成论文进行公开发表。

3 设计性实验项目探究

我们学校作为普通的高等师范院校在实验教学改革的过程中非常重视设计性实验项目的开发，针对本校的实际情况对设计性实验进行了全方面的扩展，从以前主要集中在电学知识及光学方面的知识进行设计研究型实验开始拓宽到材料等非常规性研究型实验项目。这有利于学生拓宽知识视野，增强自主学习研究能力。立足现有仪器设备和技术条件，对旧有实验项目尝试多角度开发利用；结合新技术或科研工作中测试手段的需要，研究开发新型的设计性实验项目。下面举例介绍我们学校在针对本校实际情况下进行的设计性实验项目探究情况。

3.1 针对真空镀膜设备进行设计性实验

目前利用实验室北京仪器厂DM－450C大型真空镀膜设备，自制光学增透膜、增反膜，扩展到磁性多层膜等薄膜，通过学生的探索真空的获得、真空的测量，多层膜的制备、膜厚的测量技术、薄膜的应用等知识，并根据学生兴趣、特长，扩展设备功能。

针对这台仪器我们给出了以下实验题目，见表1：学生可以选择已经给定的题目进行实验研究，也可以自己寻找合适的题目。

表1 针对真空镀膜设备的实验

3.2 针对X射线衍射仪进行设计性实验

利用德国莱宝公司的X射线衍射仪，测定晶体的结构等，让学生通过探讨获得X射线在材料检测领域广泛使用的有关知识，并扩展设备使用功能。我们对此给出了以下设计性实验题目[7－10]，见表2。

表2 针对X射线仪的实验

当然以上两个实验仪器学生在进行研究实验时候会有更丰富的实验项目，由于教师没有限定学生必须在给出的实验项目当中选择，所以学生会根据自己的爱好和掌握知识的程度选择其它设计性题目。

根据选定的题目自行查阅资料设计实验原理，教师没有给出详细的实验原理，教师对学生设计的方案只进行方向性的引导。设计性实验指导书只是提纲挈领，仅提供一些仪器，提出实验目的和要求，我们在指导书中还写入一些课外阅读参考书籍的目录，以便丰富学生背景知识，拓宽知识面。例如：膜厚测量实验。我们在实验指导上会给出膜厚的测量方法。

（1）有光学测量法，包括光学干涉法、椭偏仪法、极值法、波长调制法、原子光谱吸收法。

（2）机械测量方法，包括轮廓仪法、显微镜观察断口、称重法。

（3）电学测量方法，包括石英晶体振荡法、电离式监控计法、面电阻法[11]。让学生从上述实验方法中去去选择一种适合自己所要测量的膜的最佳方法，并且告诉学生有哪些实验仪器，有的实验仪器是没有的需要借助其他实验室的可以帮助学生借用。在这过程中并没有写明实验的原理，这需要学生主动查资料去思考这些原理，而不是被动地去按照老师给出的实验原理去操作实验。而且在此过程中还鼓励学生通过查资料或设计出其它可行的实验方法。这有利于培养学生的创新能力，一旦老师把详细的实验原理给了学生那又成了传统通的实验教学模式。学生设计出实验原理让老师检查后，老师和同学一起探讨觉得可行后才开始拟具体的实验方案，方案拟定后才进行实验探究，在探究的过程中可能会出现设计中没有想到的问题，所以会根据实际情况调整实验设计后再进行实验。

4 结 论

我们学校通过最近几年的“三层次”开放式实验教学探索，发现学生们对设计性实验非常感兴趣，学生们愿意花时间在实验室里研究实验，大大地改变了实验学习氛围。设计性实验使学生了解了科学实验的全过程，培养了学生独立实验的能力和运用所学知识解决实际问题的能力。在整个实验的过程中，教师只作必要的咨询和检查指导，采用了开发式的教学方法，这有利于培养学生的创新意识和创新思维，也有利于培养学生综合运用知识和综合解决问题的能力。鉴于学生们非常喜欢设计性实验，教师们也进行了大量探索，其中就是对实验项目进行多角度的开发。作为普通的高等院校实验仪器不能与985高校等有条件的学校相比，但我们从学校现有的仪器入手，尽可能地把仪器的使用效果最大化，这也在一定程度上弥补了学校实验资金的不足，从而使得在条件有限的情况下提升实验教学水平和培养学生的能力。

[1]段志刚，赵旭云.大学物理设计性实验的研究与设计[J].实验室科学，2009（2）：75－77.

[2]朱昌平，黄 波，朱陈松等.通过“三层次实验”培养学生实践创新能力[J].实验室研究与探索，2007，26（7）：5－8.

[3]王秀杰.大学物理电学设计性实验的研究与实践[J].科技信息，2011（22）：99－99.

[4]王 媛.普通物理设计性实验的探讨.大学物理实验，2010，23（4）：93－94.

[5]杨述武.普通物理实验（一、力学及热学部分）[M].3版.北京：高等教育出版社，2000.

[6]赵秀英 王平军 赵滨华.大学物理设计性实验有关问题探讨[J].2007（3）：50－51.

[7]赵宗彦.X射线与物质结构[M].合肥：安徽大学出版社，2004.

[8]黄胜涛.固体x射线学[M].北京：高等教育出版社，1985.

[9]方鸿辉，刘贵兴.创新性物理实验[M].上海：上海科学普及出版社，1999.

[10]杨福家.原子物理学[M].北京：高等教育出版社，2000.

[11]张以忱.真空镀膜技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.