物理设计性实验中的学生实验行为

2013-04-10熊建文

实验室研究与探索 2013年1期

吴肖，熊建文

(1.华南师范大学物理与光电工程学院;2.广东工业大学实验教学部，广东广州510006)

0 引言

近年来，大学物理设计性实验越来越受到各个理工科院校的重视，不少实验工作者也通过教学实践深切的体会到，与传统的验证性实验相比，设计性实验更有利于培养学生的综合素质和创新能力［1-2］。新颁布的“非物理类理工学科大学物理实验课程教学基本要求”里也明确指出，“设计性或研究性实验的目的是使学生了解科学实验的全过程、逐步掌握科学思想和科学方法，培养学生独立实验的能力和运用所学知识解决给定问题的能力”，并要求“各校应根据其实际情况设置该类型的实验内容”［3］。在这一基本要求的指导下，我校(广东工业大学)自2007 年进行了大学物理设计性实验的开设，实施近4 年，的确取得了不少成绩，但也发现了一些问题。下面以我们的教学实践为依据，对学生在设计性实验中的实验行为进行研究，剖析学生较为普遍存在的问题，并有针对性的对大学物理设计性实验的教学实施提出一些改进措施。

1 课程的基本介绍

我校开设的设计性实验课程的对象是大学二年级的工科类学生，均已完成大学物理基础性实验的学习。整个课程分为理论课和实验课两部分，理论课主要介绍物理实验方法及计算机在物理实验中的应用，为后续的设计进行实验方法的储备。实验课之前先进行设计性实验的选题，采取教师提供选题和自主选题相结合的形式。以小组为单位选题后，递交实验设计方案，教师对设计方案进行初步论证后，学生开始实验，实验过程中教师各小组轮流指导。实验完成后，以小组为单位进行实验汇报，并提交个人撰写的实验论文。

2 实验行为的分析框架

我们采用以下3 个过程阶段的分析框架来剖析学生进行设计性实验中存在的问题。

阶段1.实验前——计划与设计。

实验方案的合理性?

实验方案是否具有创新性?

实验前的准备是否充分?

阶段2. 实验中——研究与探索。

是否有能力正确使用测量手段和工具以获得有意义的数据?

是否有能力在实验中遇到的问题时找到其根源并及时地解决?

是否有探究的意识?

阶段3.实验后——解释与分析。

能否正确分析数据以得出结论?

对实验过程中误差能否正确地分析?

抓住国家加大农业、农村基础设施投资的机遇，千方百计多渠道争取资金。精准农业应用系统投资较大，一套精准节水灌溉系统下来要在10万元以上。一是要探索整合财政支农资金方式。统筹安排使用支农资金，围绕发展主导精准农业进行整合，通过资金整合，既有利于集中财力办大事，也有利于发挥财政资金“四两拨千斤”的作用。二是拓宽精准农业投入来源渠道。进一步优化农村投资环境，吸引民间资本更多地投向精准农业[2]。加快农村金融组织、产品和服务创新，扶持农业信贷担保组织发展，扩大农村担保品范围。加快发展农业保险，政策性保险与商业保险相结合，健全农业再保险体系。

在处理与理论或预测不一致的数据时，是否有重复探究过程或者修改探究设计去进一步核实数据?

实验汇报和实验论文的质量如何?

3 学生在进行大学物理设计性实验时较为普遍存在的问题

采用以上框架对学生整个实验行为进行分析，可以发现实验前中后普遍存在以下问题:

3.1 实验前——计划与设计

实验前，学生对于某些实验选题的研究方向没有很好的明确。教师在给出实验题目时，有的目的性很强，比如“基于声卡和MMUSE 软件的单摆周期测量［4］”;有的只是给出研究的范围，比如“计算机实时测量实验:研究电容的瞬态过程”，由学生自己去决定研究的具体内容和方向。学生对此却并未深入思考，抱着“先把电路设计出来，研究什么，实验时再说吧”的想法。

而在实验方案的设计上，学生容易过分的依赖于文献资料，教师给出选题后在网上找到类似的实验方案，全番照搬，没有经过自己大脑的思考，提不出具有创造性的设计，这样也就达不到设计性实验开设的效果。

对于实验的预期进行猜想或者理论分析的学生更是很少，如实验题目“研究大摆角情况下的影响单摆周期的因素”，学生对于摆角是否对周期有影响?如何影响?在实验前并没进行深入的思考。

特别值得一提的是，学生常常会忘记对数据记录表格的设计，因为基础实验时教材上都详细地提供了数据记录表格。实际上设计系统又全面的数据记录表格是实验设计里非常重要的一部分。

3.2 实验中——研究与探索

对于一些学生而言，设计性实验实际上就是找到实验方法和步骤，按照步骤进行实验，获得数据的过程。他们会遵循步骤收集很多数据，却较少质疑数据收集过程及数据本身的可靠性和有效性;当实验中遇到了问题，很容易对实验方案轻易的放弃，或者急于求助教师而不能自行思考解决问题。在实验中，很少学生将重复观察和测量作为实验的必要，也不会记录测量数据以外的现象;当成功的设计好了实验时，却不知道改变一些参数进行更深入的探究。数据记录凌乱，相关参量忘记记录的情况也时有发生。

3.3 实验后——解释与分析

结果分析时，存在的主要问题是对数据与现象的关系认识不清。学生有时会根据自己已有的经验强加判断，套上规律或结论。在处理与理论或预测不一致的数据时，没有重复探究过程或者修改设计方案去进一步核实数据。对实验过程中存在的误差置之不理，对实验的有效性和精确度没有进行有效的评估。

实验汇报时，过多的将实验过程中拍摄的图片进行展示，对结果的分析常常几句话带过，强调实验的完成忽视了实验的成效。交上来的实验论文，有些与实验报告并无区别。

4 研究启示与建议

上述分析表明，学生虽然经历了整个设计性实验过程，却不一定能够内化成设计性实验的能力。针对学生普遍存在的问题，我们在教学上进行下述尝试性的改进，取得了较好的成效。

4.1 注重基础实验与设计性实验间的衔接

在基础实验中，学生基本是依照书本上详细的实验方法和步骤完成实验。到了设计性实验阶段，没有固定的模式和方法很容易使学生感到不适应。为了消除学生的这种不适应，教师应注重基础实验与设计性实验间的衔接［5］。首先，在进行基础实验教学时，有意识对实验内容进行一些拓展，要求学生进行一些简单的实验方案的设计，进行基础的“思维训练性实验”。如密度的测量实验后要求学生学生设计多种方案，或者改进实验提高测量精度等［6］。其次，在基础实验教学中，尽量减少实验项目的独立授课，关注实验项目之间物理原理(或测量技术)的内在联系，做到这一点有助于学生在进行设计性实验时找到物理量之间的相关性及进行实验原理(测量技术)的迁移［7-8］;再者，在基础实验中，学生对于实验结果误差的分析往往是实验数据的测量误差，导致学生在设计性实验中对实验精度的重要性及其影响因素考虑甚少。因此作为教师在基础实验中就应该多鼓励学生进行全方面的误差分析以及思考如何消除一些不必要的误差，为设计性实验奠定基础。

4.2 在设计性实验中强调科学探究

实验本身与科学探究是紧密联系的［9］，尤其在设计性实验中，实验原理的不确定性，实验结果的可拓展性要求学生具备探究的意识，掌握探究的基本原则和技巧［10］。一次完整的探究过程应经历:提出问题—猜想与假设—制定计划与设计实验—进行实验与收集证据—分析与论证—评估—交流与合作等几个阶段［11］。这与设计性实验的实验过程是基本吻合的。教师有意识地强调科学探究，在设计性实验中设置探究性的内容，我们发现很有助于激发学生的探索热情和提高研究问题的能力。

4.3 在设计性实验中强调全面科学的评价指标［12］

全面科学的评价指标的建设可以使学生明确设计性实验的具体要求，从而在实验过程中进行有效地反思和改进。设计性实验开展之前就给学生提出“设计的创新性，研究的全面性，结果的精确性”等评价指标及权重，学生实验时不盲目，避免了不少之前存在的一些问题。

4.4 在设计性实验中渗透元认知的教学策略

越来越多的教师意识到元认知对学生学习的重要性，在设计性实验中，我们发现在实验进行的不同阶段，通过一些问题让学生进行思考，可以有效的促进学生的元认知转变，其实很多时候学生只要意识到问题的关键所在，就会去想办法转变和解决［13-15］。如在实验之初，提出:你为什么选择这一实验方法?你预计采用这一实验方法可以达到的测量的精度是多少?是否所有相关的变量都已经充分的考虑到?仪器是否充足?实验表格是否已经设计好?数据分析的方法是否确定好?在实验之中，提出:实验操作是否合乎规范?测量的数据是否有效?是否需要重复测量?在实验之后，提出:分析的实验结果是否与理论相符?测量的误差有多大?产生误差的原因是什么?哪些地方还可以改进?学生通过思考问题对元认知进行监控，调整自己的行为。教师也根据学生作的回答，了解到学生更具体、更细节的想法，为自己更进一步指导实验的进行提供了依据。

5 结语

通过对学生在大学物理设计性实验中的实验行为进行研究，学生在实验中较为普遍存在的问题显现出来，针对这些问题，我们在教学上进行了改进，注重基础实验与设计性实验间的衔接，强调科学探究，强调全面科学的评价指标，渗透元认知的教学策略。这些改进措施的成效已经初步显现，学生面对设计性实验时，思路更加开阔，分析问题更加全面，也更加乐于探索，学生的创造潜力在逐步挖掘，部分学生撰写的实验论文经教师修改后还在高质量的杂志上发表。在今后的大学物理设计性实验教学中，我们将进一步深化教学改革，将这门课程建设得更好。

［1］顾牡.对于重新制定的《理工学科非物理类专业大学物理课程教学基本要求》的认识和体会［J］. 物理与工程，2007，17(1):1-4.

［2］何深知，崔纯莹，段薇，等.在设计性实验中培养学生的综合能力［J］.实验室研究与探索，2009，28(6):134-136.

［3］教育部高等学校物理基础课程教学指导分委员会. 理工科类大学物理课程教学基本要求［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［4］吴肖，杨友源，周少娜.基于声卡和MMUSE 软件的计算机辅助单摆实验［J］.实验室研究与探索，2011，30(6):75-76.

［5］李冬萍，洪波，栾小宁.发掘基础物理实验的创新空间［J］. 实验室研究与探索，2009，28(10):99-101.

［6］戴玉蓉，熊宏齐. 将基础性密度测量实验打造为设计性实验［J］.实验室研究与探索，2008，27(11):14-16.

［7］李潮锐，姚若河，何振辉，等.开放式物理实验交流平台及教学辐射作用［J］.物理实验，2010，30(11):15-20.

［8］李潮锐.物理实验相关性在教学积累中的作用［J］. 实验技术与管理，2006，23(10):94-96.

［9］何光宏，韩忠.大学物理实验探究式教学的思考［J］.实验室研究与探索，2011，30(7):292-294.

［10］方丽梅，刘根旺.工科大学物理教学中科学素养与科学探究能力的培养［J］.实验技术与管理，2008，25(8):134-136.

［11］潘祥成.物理设计性实验对培养学生科学探究能力作用的实验研究［D］.北京:北京师范大学，2006.

［12］张勇，李岩，陈莉，等. 大学物理设计性实验多维度评价的研究与实践［J］.实验技术与管理，2008，25(9):146-148.