大学物理设计性实验的探索与思考

刘存海 张勇 孙江 张纪磊

海军航空工程学院基础实验部 山东烟台 264001

物理学是一门基础学科，也是一门实验学科，不管是历史上还是现在，它的发展和创新都与物理实验紧密相连[1]。大学物理实验教学是学生从中学进入大学后接受科学实验方法和实验技术训练的开端，通过对学生进行物理实验理论、实验方法和实验技能基本训练，使学生初步掌握科学实验主要过程和基本方法，建立合理的物理模型，培养他们从事科学实验的基本素质和开创性的科研能力[2]，能定性或定量研究某个物理过程变化规律，善于分析判断实验结果，为激发学生的想象力、创造力和创新意识，培养和提高学生独立开展科学研究能力奠定基础。

大学物理设计性实验是大学物理实验的重要组成部分，它突破了传统的实验教学模式，是一种以学生为主体、教师为主导的教学模式。它对学生独立解决问题的能力进行了全面训练，既提高了学生的实验热情，又巩固了所学的知识和技术，培养了学生的科研能力[3-4]。

1 大学物理设计性实验的内涵

大学物理设计性实验是学生经过常规和综合物理实验训练之后，为进一步培养和锻炼学生的科学素质而开设的具有创造性的实验。它要求学生能根据给定的实验任务，自行查阅相关资料、设计实验方案、组织实验系统和独立进行操作，最终对实验结果进行科学分析并撰写实验论文。它旨在培养学生的创新意识和创新精神，提高学生分析问题和解决问题的能力。从形式上区分大学物理设计性实验包括原理性设计实验、操作性设计实验和制作性设计实验；从知识要求上包括利用已掌握的知识和常用仪器、开拓常用仪器的新用法的设计、在一定方向扩展知识后利用新科技的设计等[5]。

2 开设大学物理设计性实验的必要性

近年来，随着社会的飞速发展，社会对人才的要求越来越高。高校作为人才培养的摇篮，如何培养出具有实践能力和创新能力的高素质人才，成了一个很大的现实问题。作为具有实验特点的物理学，如何在实验中培养学生的科研创新能力，成为物理实验教学近年来的研究课题。在传统的物理实验课程中，一切都由教师主导，这在一定程度上限制了学生的主动性和创造性，实验本身也只是简单的数据测量和理论验证，必会导致培养出来的学生缺乏创造性。近几年，为了克服传统实验带来的诸多问题，在高等教育实验中推行设计性实验便成了一种选择。应该看到，设计性物理实验在把学习主动权交给学生的同时，还能促使学生综合运用所学的物理知识解决实际问题。

3 大学物理设计性实验的特点

3.1 实验的综合性

大学物理设计性实验是在学生学习了基础、基本和综合实验之后，基本掌握了实验操作要领的前提下，具备了初级科学实验的能力基础上开设的，它是一种介于普通教学实验与实际科学探索实验之间，对科学实验全过程进行初步训练的教学实验。这类实验涉及力、热、光、电等学科，具有综合性，要求学生充分应用前期初级实验所学的理论知识和实验技能来完成实验，它有利于培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。

3.2 实验的自主性

大学物理实验中的基础物理实验和基本物理实验是学生在教师的指导下完成的，教师一般先讲解与实验有关的知识和一些注意的事项，然后学生按照固定的实验目的、实验内容和实验步骤进行实验。而物理设计性实验只设定需要学生完成的任务，不提供完成任务所需要的资料和实验方法，这就要求学生根据自己的实验选题，自行查阅和收集资料，并综合分析资料设计实验方案，最后按方案开展实验。在整个实验过程中，学生是主体，教师的任务是对学生在查阅资料、方案设计等各环节上给予方法上的指导，引导学生如何提出问题、分析问题和解决问题。

3.3 实验过程的探索性

大学物理设计性实验可以培养学生独立进行初步科学实验的能力，实验的选择、实验方案的制订以及实验的实施都具有多样性，这就给学生提供了较自由的科研氛围和选择余地，学生可以充分发挥各自的主观能动性，充分利用各自的思维与想象力，对实验中出现的各类问题用科学的方法加以解决，锻炼自己的创新意识和科研能力。

4 设计性实验的实施

由于大学物理设计性实验的项目多且时间有限，在设计性实验教学中，传统的讲授方法显然不再适用，因此在实际教学中要以引导为主。通过几年的教学摸索，找到一种行之有效的教学模式，主要分如下几个步骤进行。

1）实验选题。教师提出选题原则和要求，并给出可供选择的实验题目。学生通过查阅相关文献或相关工具书，并根据自身的专业特点和兴趣爱好选择适合自己的实验项目。这一阶段主要培养学生自行选择研究方向及检索文献资料的能力。

2）制订实验方案。学生根据题目的具体要求，在已查阅的相关资料的基础上，结合所学的知识确定具体实验方案和所需器材，并论证方案的可行性。实验方案的论证可分为理论论证和初级实验论证两个方面。理论论证主要论证方案在其他条件都具备的情况下，是否能从理论上顺利完成实验；初级实验论证主要是通过尝试性的前期初步实验，检验检查方案在实施过程中是否存在未曾考虑过的漏洞。

3）实验实操。学生按照前期制订的实验方案进行实验室实操，应尽可能自行解决实验中出现的问题。对实验中学生确实难以解决的问题，指导教师加以适当引导，反复实验达到方案中的预期目标。

4）论文撰写。由学生对实验得到的数据进行对比分析，分析数据之间的联系和实验规律，然后对实验规律做出合理的解释，找到实验结果出现的内部机理，最后撰写实验论文展示成果。

5）实验考核。教师对学生制订的实验方案、实验实操的过程及论文撰写质量做出综合评定。一般实验方案的制订占总成绩的30%，实验实操占40%，论文的撰写占30%。

5 大学物理设计性实验存在的问题及解决途径

1）课题选择不当。部分学生在进行课题选择时存在课题“过小”或“过大”的问题[6]。课题“过小”或“过大”都不能充分调动学生的学习积极性，也就达不到培养学生的独立思考和综合设计能力的目的。课题过小不利于培养学生自身创造能力，使设计性实验失去原有的意义；而课题过大会使学生在实验中难以解决出现的问题，并丧失继续进行实验的勇气，不利于培养学生进行科学探索的能力。选题的一般原则是以学生已经掌握的基本知识为基础，结合所学专业的特点，充分体现设计性实验的探索性和创造性。

2）激励机制不完善。从查阅文献、选题到最后的实验完成，学生需要付出大量的时间，这就要求学生必须有足够的时间，而教师从对实验方案的审查到后期实验的指导也要付出比普通实验课多几倍的劳动，但多付出的劳动往往没有任何报酬。这必然会导致学生急于完成实验，但完成质量不高，教师疲于应对教学问题的出现。因此，学校必须制定相应的管理制度和激励机制，调动教师和学生的积极性。

3）实验室开放难度大。设计性实验的完成要求学生要有尽量多的时间在实验室里学习，这就使实验室的开放管理具有了一定的难度。另外，每个学生的能力不同，完成各自实验所需的时间长短也不尽相同，这就需要实验室要长时间的开放，否则将会出现有些学生因进度缓慢而不能完成实验的现象。但目前，学生自由支配的时间相对较少，这就使得实验室开放成为难题。同时，实验室的开放必然会使设备的使用频率增加，设备损坏率提高，从而增加维修费用和教师的维修强度。为了解决这些问题，学校应加大对设计性实验的支持力度，保证学生的实验时间，增加实验室维修人员做好教学保障。实验室也应制定相应的实验室开放制度，确保实验室的正常开放。

6 小结

大学物理设计性实验是在创新理论指导下的一种科技创新型实验，它的开设打破了传统物理实验的教学模式，克服了传统实验教学不能培养出高素质创新人才的难题，这既是大学物理实验教学改革的需要，也是社会对人才需求的需要。大学物理设计性实验的独特教学方式和学习方式在激发学生强烈的求知欲望上，在综合应用知识能力方面以及培养学生严谨的科学作风方面，都起着重要的作用。

[1]彭凤梅.设计性物理实验的教学实践[J].高教论坛,2006(1):87-89.

[2]居桂方.设计性物理实验的设计方法和原则初探[J].广东工业大学学报,2007,7(6):84-85.

[3]谭福奎.浅谈设计性物理实验的教学[J].黔西南民族师范高等专科学校学报,2006(4):64-66.

[4]吴肖,周述苍,周誉昌.大学物理实验教学中开展设计性实验的探索[J].广东工业大学学报,2008,8(l):241-242.

[5]刘鹏.设计性物理实验教学的探讨[J].黄山学院学报,2010,12(5):130-132.

[6]高艳阳,董培荣,王金霞.对设计性实验的认识与思考[J].实验技术与管理,2003,20(6):125-127.