物理实验中三段法训练与应用型人才培养

史淑惠，马春雨

（邯郸学院，河北 邯郸 056005）

实验是物理教学中的重要一环，如何在学生观察各种实验现象和进行实验结果分析过程中，培养想象能力、创新能力、观察能力和动手能力在我们倡导培养应用型人才的今天，这些能力的养成尤显重要。在当今的实验教学中，许多教师都是预先讲授实验原理、方法和步骤等内容，实验要求整齐划一，有的老师唯恐学生在实验中出现问题，实验前细致地讲解，完整地演示，甚至学生在实验过程中出现和教师演示操作步骤不一样的地方，就要受到指导教师的责备。这种实验教学方式，可能减少了指导教师的麻烦，减少了实验仪器的损坏率，方便了教师教学，但却扼杀了学生的求知欲望，导致了学生思维和行动的懒惰，不利于应用型人才的培养。

为了适应社会的需求，完成人才培养的转型，我们对基础课程的实验进行了改革，实施了三段训练法：对每门课程的实验训练分成基本技能型实验、综合型实验、设计型实验三类。基本技能型实验，以训练学生的基本动手能力和实验仪器的使用方法为主要目的；综合型实验用于训练学生实验技能和对实验数据收集和处理的能力；设计型实验是教师给出实验课题，学生自己设计实验流程，自己对所需实验设备和实验方案进行选择和设计，从而达到所要求的实验目的。通过近三年的实践，我们对这种实验教学的改进取得了较为满意的结果，学生普遍认为在实验中得到了训练，学到了东西，动手能力和实验能力明显地有所提高。

1 实验与应用型人才培养的哲学依据

实验和观察作为物理学形成和发展的重要环节之一，在人类对大自然的认识过程中起到了重要作用。从亚里斯多德的对事物的观察到伽利略实验科学的产生，人类对自然界运动规律的认识发生了质的飞跃，展示了科学实验在人类认识能力的提升和科学知识的增长中所呈现的不可替代作用，其根本原因在于伽利略将哲学和实验科学相结合［1］。

实验，作为基本技能训练，在对所学知识验证的同时，对人类认识能力的提升起着重要的辅助作用。没有亲自的观察，人们无法想象全息照相中的立体成像是什么样子的；不经过验证，学生无法理解晶体管中各个电流的关系；伽利略的望远镜不指向月亮，人们大概永远也不会知道月球上还存在环形山；没有伽利略的斜面理想实验，牛顿第一定律也就不会被人们所认识和发现；没有1932年美国物理学家卡尔·安德森在实验中证实了正电子的存在，狄拉克的反物质粒子只能是理论上的假说。

因为受教育理念的影响，普通高校对学生实验的要求多数只限于完成教学任务，不太注重实验教学对学生创新能力的培养问题。在多数人看来，学生所完成的实验多数是验证性实验。其目的是，通过验证教学中所讲授的东西，将理论所得到的结论实验结果结合，加深学生对理论知识的理解和认识。如果说谈到能力的培养，也基本限制在实验技能的培养问题上，很少有人关注实验教学在学生创新能力和应用型人才养成中的作用。

探讨实验在应用型人才培养中的作用，首先要明白一个问题，那就是什么是科学实验？实验的目的是什么？近代著名的科学哲学家波普尔在论证理论和实验的时候曾经说过，“理论先于观察”，他认为，对科学实验结果的观察和解释具有很强的目的性和选择性，这种目的性和选择性来源于实验者所持有的科学理论、兴趣和期望解决的问题。我们所面对的事实是无限复杂多样的，我们实验的目的只是观察其中我们所选择的、十分有限的实验结果。如果你想什么都观察，其结果是什么都没有观察到［3］。所有实验都是有目的、有选择的对某种事实的观测，因此必须依据一定的理论、观点为指导。其次，在观察中必须有所解释，无解释的观察只是熟视无睹，而解释必须在一定理论观点指导下进行，这就会影响观察的结果。或者说，我们指导学生所完成的实验都是来源于某一理论的指导，这是教育者默认，但始终在受教育者面前有意或无意回避的一个问题。

我们所有的教学用实验仪器，编排的实验内容和实验步骤，无一不遵从一个默认的规则，那就是实验仪器的实验原理［2］。我们不得不承认，每种实验仪器都是在一定原理基础上设计，而实验结果同理论的吻合是实验仪器产生的必然结果。如杨氏干涉实验装置和迈克尔逊干涉仪，虽然是不同的观察干涉现象的仪器，但是制造它们所依赖的理论都是光的干涉，实验仪器的设计者们，都是想方设法使仪器能产生两束满足相干条件的可见光，然后让这两束光相遇。可以想象，如果没有光的相干性原理作为理论支撑，谁能去设计这种怪模怪样的仪器。

如何利用教学大纲所规定的实验项目，以应用型人才培养为目标，对学生进行创新能力的培养，如何在常规的实验训练中让学生体验理论发现者的乐趣，这是每一门实验课程所必须思考的问题。正如波普尔所说的，“科学家旨在发现一个世界，特别是关于世界规律性或‘规律’的真实的理论或描述。这种理论或描述应该是对可观察事实的一种解释”［3］。我们认为，提高学生对实验结果的描述和结果的解释，尤其是综合性实验和设计性实验中所测量结果的解释，是对学生创新能力训练的一个极好方法。

波普尔曾说过，科学研究的目的，“就是找出需要解释的东西的令人满意的解释”［4］。实验的一个很重要的过程，就是实验结果分析和实验结果的解释。例如在模拟电子技术实验中，由于所用仪器和器件参数的离散性，实验结果中出现同理论值偏离的现象时有发生，每组得出的实验结果均有差异。学生如何利用所学的知识对这些结果进行分析和解释，本身就是对理论知识体系的应用和再理解，或者说是一种应用能力养成的训练。

2 依据应用型人才培养目标，改革实验课程

根据应用型人才培养目标的要求，实验教学中，在培养学生实验操作能力的同时，重点关注学生自我处理实验过程，自我分析实验结果的能力训练是我们改革的核心。对于普通类本科院校学生来说，在中学阶段，由于用于理论课学习的时间比较多，对高考的关注度较高，对实验动手能力和课程的深入理解及拓展能力相对较弱。根据学生的这个特点，我们修订了实验教学计划，依据课程目标的要求，设计学生所完成的实验题目和内容，对每门课程实施了基本技能型实验、综合型实验和设计型实验。基础型实验以对学生实验基本技能和仪器使用的训练为目的，一般设置一到两个实验，用来完成本门课程实验中所用仪器的掌握；第二阶段，设置三到四个综合型实验，对学生所学知识和实验技能进行综合性和应用性训练，提高学生对所学知识理解和应用的同时，重点放在综合分析、动手能力和创新意识的培养。以培养学生实践能力的综合素质为目的，每门课程一般设置一到两个设计型实验。在实验中，以训练学生对实验的整体把握和实验结果的处理为手段，以能力的提高和创新意识的养成为主线，让学生独立完成实验。

第一阶段的训练为基础训练。其训练内容为每门实验课程所涉及的实验仪器的使用和基本实验能力的训练。如电学实验中，这一阶段的实验训练主要为，示波器的使用、基本仪表的选择和使用、电路连接的训练等。部分学生在中学阶段养成的依附教师的习惯带到了大学学习阶段，影响了学生自主学习和自我管理能力的养成和提高。在实验课程中表现的也较为明显和突出，部分学生等老师演示实验，然后模仿指导老师的实验，看似学生实验完成得很快，但实质上学生根本没有理解所做实验的目的，没有理解所完成的实验过程，更谈不上对学生创新能力培养了。针对学生这一特点，我们在这个阶段，重点关注学生动手能力的训练，以动手能力训练为抓手，提高学生自主学习的意识和能力，从而使学生尽快转变角色，适应大学学习生活。对基本技能型实验，采用了以学生自学和自己动手演练为主，教师讲解和演示为辅，并且逐渐地过渡到教师对所做实验项目不再讲解和演示，学生独立完成实验项目。所有接受这种训练的学生，从一开始对实验不知所措（因为这类学生对教师的依赖性太强了）到经过几次基础性实验的训练后，学生摆脱了对指导教师的依赖，为下一步学生动手完成综合性实验和设计性实验，奠定了技术、思想和能力上的基础。同时消除了部分学生思想、行为懒惰，不重视实验教学的现象。

第二阶段，综合型实验训练。在学生基本技能型实验基础上，对学生进行综合实验能力的训练。由教师提出实验目的和实验任务，不在对实验步骤和仪器使用和操作做过多的解释，但对实验结果的记录和处理依然对提出要求。通过我们的教学发现，在做完基础实验技能培训后的学生，基本上可以在没有实验指导教师的指导下，依据实验教师提出的实验要求，很好地完成实验任务。而且学生对这种教学模式感觉收获大，教学效果满意。提高了学生的自主学习能力和知识应用能力的养成。

实验能力训练的第三阶段，设计型实验的训练。在此实验训练阶段，指导教师给出学生的实验题目和要求。但是不再为学生提供实验用的原理图和实验步骤。同时对所使用的仪器不再做出硬性的要求，而是让学生根据实验室所能提供的实验仪器，自己查阅资料、自己根据需求选定所用的实验器材。每个实验小组编写实验项目计划书（包括实验目的、实验原理、实验所用仪器、实验步骤、实验结果记录表等），指导教师审阅批准后，实施实验项目。例如我们在模拟电子技术这门课程中所设置的一个设计型实验，RC信号发生器的实验，给学生提出了实验的目的和要求，组装多档位可调节的RC信号发生器，并用示波器显示产生的波形。要求学生自己在电工电子综合试验台上完成。通过实验训练，学生在掌握实验技能的同时，对所学知识有了一个系统的理解。通过学生自己根据要求，利用已经学过的知识，设计出实验原理图并实施实验操作，是对学生所学知识应用能力的极好训练。即培养了学生对所学课程的整体理解和综合能力，又提升了对所学知识的应用能力。

3 实验教学改革的体会

通过三段法对学生实验能力的训练，在学生提高实验技能的同时，训练了学生动手能力，学生的综合分析问题的能力。不仅仅是对仪器使用能力的训练，更重要的是对实验方法和应用能力的训练。尤其在综合型设计性实验训练阶段，基本上摆脱了教师的指导，在自己对实验原理和仪器性能理解的基础上，自己设计实验装配图和实验步骤，这种训练，对于多数学生来说可以说是第一次。许多学生在完成实验后，感到收获很大，第一次感受到了应用能力的体现。通过实验训练，养成了自我提出问题、分析问题、解决问题的自觉性。更为重要的是，学生通过三段法训练，摆脱了自上学以来形成的对教师的依赖习惯。

［1］周小红，等.学物理课程理论与实验教学新模式的探索与实践［J］.大学物理实验，2008，3.

［2］何云宝.充分认识物理理论与物理实验的关系［M］.内蒙古科技与经济，2001，4.

［3］〔英〕卡尔·波普尔.猜想与反驳［M］.傅季重，译.北京：中国美术学院出版社，2003，6.

［4］纪树立，编译.科学知识进化论.波普尔科学哲学选集［M］.生活.读书.新知三联出版社.

［5］宁锌.大学物理仿真实验在教学实践中的应用［J］.大学物理，2012（1）.