设计性实验教学实践与思考——以“电表的扩程与校准”实验为例

张双成 晏翠琼 魏生贤 顾凌吉 李 杰 周应强

（曲靖师范学院 物理与电子工程学院，云南 曲靖 655011）

0 引言

设计性实验是教师给定实验目的和实验条件后,由学生自行设计实验方案并在老师指导下加以实现的探索性实验,同时也是介于基础教学实验和实际科学实验之间的、具有对科学实验全过程进行初步训练的教学实验,着重培养学生独立解决实际问题的能力、创新能力以及组织管理能力，目的是提高学生的综合能力[1-5]。作为新建本科院校开展设计性实验还处于摸索阶段，学生对于实验过程中可能出现的问题缺乏预测和掌握,出现突发情况感觉无从下手。为了达到开设设计性实验的真正目的，本文以设计性实验特点、要求为基础，结合曲靖师范学院（2000年新建本科院校）物理实验教学示范中心在电磁学实验课程中开设的设计性实验“磁电式电表的扩程与校准”总结几点教学实践经验，为今后更好开展设计性实验夯实基础。

1 对象和方法

1.1 教学对象

教学研究对象选择曲靖师范学院物理与电子工程学院2010级物理学专业本科二年级学生，1个班共69人。

1.2 教学方法

曲靖师范学院物理与电子工程学院针对2010级物理学专业开设《电磁学实验》课程总计33学时共10个实验项目，其中完成1个设计性实验项目。具体安排是学生先完成9个必做实验项目的学习任务，内容是学习基本电路的接法、特点，了解基本电学仪表仪器的性能、结构和使用，验证稳恒电磁场特点及其所遵守的规律；要求学生学会排除基本电路故障的方法，掌握测量电学量的基本方法，进一步认识电磁场所遵守的规律，学会处理实验数据的基本方法。学生完成9个基础实验项目之后再完成1个设计性实验项目。

开学初第一次课指导教师将本课程主要内容和要求、开课进度做了具体安排。对于设计性实验——磁电式电表的扩程与校准，要求学生在完成设计性实验项目之前认真查阅资料，做到了解电表的性能、结构、工作原理；掌握改装电流表、电压表和欧姆计原理；掌握确定电表等级的方法。每个学生在实验前先写出实验方案。实验过程中由于实验室条件限制，不能满足一个学生完成一块电表改装并校准，所以将全班分为14个小组，平均4～5人一组，每组指定一个组长。具体办法是在实验前两周指导教师先根据学生的实验方案将完成相同或相近任务的同学划为一组，同时兼顾学生成绩优中差搭配。然后由各组长组织讨论本小组各组员的实验方案，最终由组员共同提议确定或整合一个方案来完成实验任务。教师在小组讨论过程中或参与或旁听。实验方案成熟1个，允许实践改装1块电表，最终学生的具体任务是将一块G表改装为较大量程的电流表、电压表或万用表；改装后的电表可以是单量程、双量程或多量程的，量程大小自由选择，但每组不一样；电路设计方便、安全、高精度为原则；电表改装好以后要求校准并确定等级，在校准过程中，如果改装好的电表准确度太低，需要反复调整、更换电路中电阻元件或改变原来电路设计，直到达标为准。学生完成实验操作环节后，总结实验过程、分析实验结果撰写小论文。论文要求每人1份，同一小组除方案、实验原始数据一致，其余各自独立完成。

在学生进行实验操作之前，教师必须清楚在学生进行改装和校准电表实验过程中电表类别、量程、电路图的设计，电阻元件参数的选取和电路焊接的技巧、方法，表头内阻的测量方法和注意事项等。在学生实验阶段，完全实现学生是学习的主体，学生自己准备实验、操作实验、发现问题、解决问题，当学生遇到突发问题和无从解决的问题时，教师只做引导者，不帮学生直接解决问题。

1.3 学生成绩考核方法

教师对学生设计性实验成绩的评价办法是采取考核学生实验过程中几个环节的情况，其中包括：实验准备环节30分、实验操作环节30分、论文成绩30分、参与活动的主动性10分。具体操作：实验前两周，教师收齐学生拟定的实验方案，根据学生查找资料和运用的情况、实验方案的可行性、实验参数的合理性、实验原理和实验方法掌握情况给出实验准备环节成绩；实验操作成绩，主要考查学生在实验过程中操作的规范性、熟练程度、发现问题和解决问题的思路和能力；论文成绩主要看论文结构、实验数据处理情况、分析实验结果的角度、深度广度，论文的条理性，语言表述的准确性；学生参与活动的主动性成绩是综合前面三个环节同时结合在小组讨论中学生的参与度来给出评价。

2 教学效果与分析

图1-图5是作者在教学过程中严格按照上述考核办法对学生成绩评定的结果。图1统计设计性实验学生总成绩，数据表明：学生能够圆满完成设计性实验并取得良好效果，其中有26%的同学取得优秀（90-100分），55%的同学达到良好 （80-90分），19%的同学达合格以上成绩（60-80 分）。

图1 设计性实验学生总成绩

图2-图4统计实验过程中各环节成绩。图2显示准备阶段，学生根据老师所给实验任务，独立自主查找资料，研究资料，开展小组讨论等活动设计实验方案。结果近70%的同学能够设计出有一定设计思想、可行合理的实验方案；26%的同学基本能够完成简单、合理可行的设计方案；6%的同学需要帮助完成设计达到要求。此环节学生在学习活动中从传统的被动接受知识转变为主动的去获取知识，经历查找资料、归纳总结提升资料寻找解决问题方法的过程，这是锻炼学生逻辑思维的过程。开展小组讨论修订实验方案又是让学生学会合作、培养学生组织管理能力的过程。

图3表明：实验操作阶段，学生根据自己所设计的方案进行实验测试、调试和校准。结果60%的同学能够规范、熟练的进行实验，能够及时发现问题和解决问题；36%的同学能够按照自己的方案进行实验，但在实验过程中需要老师一定的指导；4%的同学需要老师反复指导完成。在这一环节中，学生理论联系实际进行实验操作，观察实验现象，发现问题、分析问题、解决问题，最后完成设计性实验任务。实验操作均由学生自己完成，能充分锻炼学生的动手能力。出现问题均由学生自己解决，教师只简单提示和引导不做解决问题的工作，这样能提高学生分析问题和解决问题的能力。

图2 准备阶段成绩

图4 论文成绩

图4统计学生论文成绩，其中17%的同学论文结构完整、思路清晰、语言表达通顺，说理清楚但深度广度还需继续加强；54%的同学能够将论文框架搭起来，并对论文每一部分的撰写方法有一定的认识，但要达到结构完整、层次分明、说理清楚等还需下功夫；还有29%的同学基本没有脱离实验报告。总之，论文撰写环节是整个教学过程中的薄弱环节。当然作为大学二年级第一学期的学生没有任何论文撰写常识的情况下，单凭一次实验指导老师对论文写作要求的简单介绍和学生通过查阅文献、研究文献就有近70%的同学能够将实验数据写成结构基本完整，有一定条例的文章，甚至有少部分同学基本达到标准文章的雏形，这其实是教学过程中一个很大的成果。这一环节是实验结束要求每个同学总结实验过程、分析实验结果得出自己的看法，这是进一步锻炼提升学生归纳、总结和分析问题的逻辑思维能力。

图5 学习主动成绩

实验过程中，学生的主动性贯穿整个实验过程，从查找资料、设计方案、小组讨论和实验操作中发现问题、解决问题及其论文写作等过程中的参与程度和成效来考核学生的主动性。图5显示71%的同学主动性很高，26%的同学能主动参与，2%的同学专业成绩不理想，但还是按要求参与各项任务。总体上看，开展设计性实验，学生的主动性很高。

3 教学思考

电表是电磁学实验中最基本最常用的仪表。电表的改装与校准实验项目可开成验证性实验、设计性实验或综合性实验，实验内容和要求伸缩范围很大，能满足不同层次学生的需求。本中心将“电表的改装与校准实验”开成设计性实验，其内容结合学生实际、设计性较强、具有启发性、学生能够完成设计性实验的任务是提高学生学习积极性的重要因素。

学习过程是学生获取知识、锻炼能力的过程，学习过程中学生在每一个环节上获得的努力成效，直接影响学生学习的积极性。教师评价学生学习成绩采取考核环节成效的办法，能客观公正给出学生成绩、肯定学生的智慧和努力。教师客观公正评价学生，是对学生的尊重、肯定和鼓励，同时对学生起到一定促进作用。学生在最大程度上获得尊重、肯定和鼓励，同时加以适当督促是完成设计性实验过程中提高学生学习积极性的关键因素。

指导教师对教学活动进行科学合理的规划，给学生明确的任务、充分自主的学习时间和空间，同时提供及时有效的方法指导，是学生能够顺利完成设计性实验、提高学生学习积极性的有力保障。

在完成设计性实验整个过程中教师就是一个引导者，学生就是一个发现、创造、生产的实践者，实验过程就是培养和提高学生综合能力的过程。在实验教学中积极开展设计性实验是培养当今社会所需具有较强综合能力的建设者的有效途径，如何有效开展设计性实验是实验教学一线的教师责无旁贷的重任。

［1］王一冰.开展设计性实验提升实践教学水平[J].西南民族大学学报：自然科学版,2011,37(S1):115-116.

［2］张新华.综合性和设计性实验中支架式指导策略[J].实验室研究与探索,2010,9(8):261-266.

［3］孙宇航.设计性物理实验教学探讨[J].大学物理实验,2009,22(3):108-110.

［4］朱世坤,聂宜珍.综合性、设计性实验教学的探讨[J].大学物理实验,2007,20(4):87-90.

［5］黄剑平,龚银香,童金强.设计性实验教学的实践与探索[J].实验技术与管理,2009,26(5):135-143.