基于兴趣驱动和创新能力培养的实验教学改革*——以近代物理实验教学为例

王清亮 任恒峰 （忻州师范学院物理系）

作为物理学本科专业难度较大、综合性较强的实验课程，近代物理实验在整个物理学本科专业课程体系中占据了至关重要的地位，一方面该课程的大部分实验可以充分反映学生本科阶段对物理专业实验掌握的综合水平，另一方面该课程对于物理学实验的研究体系起到了承上启下的作用，因而近代物理实验的教学成效不仅对于是否能够成功培养合格本科物理人才具有非常重要的作用，而且直接或间接地决定了有志于从事物理研究的同学能否培养出强烈的创新理念和创新意识。近代物理实验的原理大都晦涩难懂，如若采用传统的教学手段往往会使得学生感到望而生畏，继而学习该门课程的积极性逐渐消退；又由于现代化的集成技术使得近代物理实验仪器集成化程度很高，这就导致学生即便是理解了物理原理的基础上操作实验，也往往是耗费了大量时间而难以使得理论与具体的实验结果进行吻合性理解，也就更谈不上创新性思维的培养了。鉴于此种背景，研究近代物理实验课程的新型教学方式，从而在整个教与学的过程中培养本科学生的学习积极性和创新性思维，是近代物理实验教学改革的一个重要研究方向。

一 近代物理实验传统教学模式的局限性

（一）近代物理实验传统教学模式已经僵化

很长的时期内，忻州师范学院、山西省乃至全国多数地方师范院校物理系近代物理实验大都是采用的传统填鸭式教学模式，这种方式可以称为是“五个固定”的模式，即：在固定的时间内上实验课，老师讲授固定的实验内容，采用固定的实验仪器，学生进行固定的实验操作，老师采用固定的考核方法。这种传统的教学模式下，虽然老师可以保质保量地完成教学大纲所固定的基本教学任务、学生们可以质高量优地完成基本学习内容；但与此同时其缺陷也是非常明显：多年来所形成的这种教学模式无法满足现代高校教学改革的整体要求，僵死的教学时间、陈旧的教学方法、落后的教学手段、难以与当前前沿热点相结合的教学内容，难以科学反映学生真实水平的考核方式等都已僵化，难以迎合当代大学生的学习需求，已经成为有效提高近代物理实验课程教学成效的阻碍，亟须进行必要的改革。

（二）学生学习近代物理实验课程的兴趣逐渐丧失

作为物理系物理学专业开设于高年级段的专业必修实验类课程，近代物理实验以本科阶段难度较大的原子物理学和量子力学为理论基础，具体的实验往往综合性、设计性强，同时实验仪器集成程度较高，从而导致学生难以从实验中直接体会相关理论如何得以实现。近代物理实验课程自身的这些性质本身就决定了学生们在学习和动手操作的过程中难以调动起强烈的主动积极性和浓厚的学习兴趣，而传统的已经僵化的教学模式则又落后时代、沉闷乏味，学生只是被动地接受知识、按照教师的要求在固定的时间使用固定的仪器进行固定的实验，而在教和学的过程中主动参与的比重较小，进而无法在近代物理实验整个教学过程中最大化地发挥学生的主体地位作用，使其逐渐地丧失学习近代物理实验的兴趣，久而久之使得当前的教学成效难以令人满意。

（三）近代物理实验教学难以培养学生的创新性思维

2014 年9 月李克强总理首次提出“双创”理念，自此“大众创业、万众创新”掀起了中国发展的新浪潮。作为一门综合设计性较强的实验课程，近代物理实验的教学课堂本该是培养学生创新性思维的绝佳阵地，学生在学习好物理基础知识、提高动手能力的同时，应该充分利用发散思维、融合学科前沿热点培养出自身较好的二次再创造的创新性思维，但在传统“五个固定”的教学模式中，由于学生学习兴趣的缺乏，学习该门课程仅仅是为了学而学，甚至部分同学仅仅是为了获取学分而学，这种教学模式所导致的学生的被动学习使得学生无法在常规的课堂教学过程中充分发挥自身的创造力，主动性地提出有较高质量的学术问题，最终导致在这种综合程度较高的实验教学中难以培养出学生独具创造性的创新性思维。

综上所述，要打破近代物理实验课程业已僵化的教学模式，激发学生学习综合性强的近代物理实验的兴趣和主动性，并在此基础上进一步培养较好的创新性思维，提高教学成效，必须采取先进的教学理念，改革陈旧的传统教学模式。结合前期教学研究成果，我们将在近代物理实验教学中采用研讨式教学模式，并在具体实践的基础上进行理论升华，逐步提高近代物理实验的教学成效。

二 培养学生创新思维的新型教学模式

（一）近代物理实验的研讨式教学模式

根据近代物理实验自身的原理难度大、操作综合性强以及仪器集成程度高等特点，结合传统的教学过程中难以培养学生创新理念的具体事实，这里我们主要研究在近代物理实验课上如何彻底打破常规的“五个固定”的传统教学模式，运用如框架图1 所示的研讨式教学法，在调动起学生学习主动积极性和提高学生实验操作动手能力的同时，培养学生的创新性思维，进而增强学生学习近代物理实验的整体学习效果，使实验课的教学有一个质的提高。

具体来讲，主要有以下几个方面：第一，采取全开放式的教学方式打破固定教学的时间，使学生随时根据需要进行实验。第二，以带着问题进行分组讨论的方式变革老师讲授固定实验内容的授课方式，让学生在掌握基本实验原理的基础上，接触并熟悉近代物理实验相关前沿热点动态，以灵活的讨论方式激发学生主动参与学习的学习兴趣。第三，培养学生仪器是进行物理实验的载体、仪器可以根据需要进行正确拼装的大胆科学理念，从而取代一个实验一套固定仪器的陈旧思想，鼓励并要求学生根据小组讨论所掌握的实验原理及相关的前沿理论，依托现有实验条件设计实验具体方案。要求学生在设计实验方案的过程中保持基本科学原则的前提下进行大胆的想象，养成独立思考和设计的基本科学素养，以发散性的思维模式进行实验具体处理，理论联系实际，进而培养出较好的科学创新能力。第四，要求学生以小组为单位、以专题研讨的形式根据自己的理想设计进行必要的实验操作。在研讨的过程中，学生根据近代物理实验室现有仪器的特点，分析讨论哪些设计可行，做出具体实验；哪些设计不可行，给出具体分析原因，能否进行改进，如果改进的话是对设计方案进行改进还是对仪器进行改良，如何改进和改良。在此过程中培养学生的初步分析研判能力，培养学生发现问题、分析问题并解决问题的能力，从而逐步提高学生对所培养的创新性思维有一个正确认识的理念。

（二）研讨式教学法的具体实施

如前所述，近代物理实验课程研讨式教学法实施的前提是在时间上打破以往在固定时间进行教学的授课方式，采用全开放式的、以学生需求为主的灵活教学模式，同学根据自己的学习进度随时联系老师适时进行实验。这样，同学们完全可以根据自己的进度、根据自己的需要来采取合适的时间来进行具体的实验操作，而由于实验时间的灵活性，同学们的实验操作的跨度也更加具有灵活性。在授课方式上，则彻底改变传统的填鸭式教学模式，无论是实验原理的教学还是实验操作的讲授上，都采取全新的研讨式教学法，在整个过程中强调学生的自主参与，在激发学生兴趣的同时培养学生的科学创新性思维。

研讨式教学法在近代物理实验教学过程中的具体实施方案包含以下几个部分：

第一，在实验原理的授课中，教师不对实验原理进行系统讲授，而是在进行每一个实验之前大概两周左右的时间内，通过班级学习委员向学生下发几个问题。在这些问题中不仅要包含体现学生对基本内容掌握程度的基础性原理问题，而且还要包含培养学生创新思维的创造性问题。

第二，让同学们带着这些问题，利用一周的时间阅读教材，但阅读的范围不止于教材，要求同学们利用图书馆、网络等各种资源进行调研。在自学阅读一周的时间之后，教师组织同学们利用课余时间分组讨论，将班级同学分成三组自行进行讨论。实验本身就是一个讲究团体合作和协作的过程，所以同学们之间的这种对理论和实验设想进行的深刻讨论具有非常重要的意义。通过一周左右的讨论探究，不仅解决上述基础性原理问题，而且根据创造性问题引导并要求每组同学解放思想、发散思维，设计出不低于3 种有价值的理想实验方案，这些方案也许在最后的真正操作中限于实验室的具体条件未必真正能够实现，但理论上必须是讲的通的。对于较难的无法通过讨论解决的问题，力求在老师最后组织的全班性大讨论中得以解决。在这种鼓励学生自行讨论原理和设计实验方案的教学模式中，教师由“讲授”的角色转变为“指导”，学生由被动“学习”的角色转变为主动的“参与”，从而使得学生在整个教学过程中参与度高，逐步可以激发学生的学习兴趣。

第三，小组自行讨论结束后，组织每班进行班级的专题讨论，一方面解决小组内未能解决的问题，另一方面，帮助同学们梳理整个理论和设计思路，尤为重要的是研究讨论小组讨论中所提出的实验设想的可行性，并且利用讨论结束后的时间，带领同学们简单熟悉实验仪器及其各部件，给同学们讲解实验仪器各部件的物理特点，让同学们了解到实验仪器与自己所设想方案的异同在哪里、实验仪器的局限性在哪里。

第四，通过“个人自学—小组讨论—设计实验—班级讨论”模式熟悉实验理论后，根据学生个人学习、设计进度和老师及实验室时间，分批次让学生进入实验室熟悉实验仪器，在熟悉的过程中要求学生进行试行实验和专题研讨。此过程中，一方面要求学生根据自己所学理论和设计，参考仪器具体情况进行试行实验，一方面要求同学们在具体操作验证自己设计的同时，充分与组内乃至组外同学进行实验可行性的专题研讨，并与大纲规定的方案对照，找出异同，研究难以实现方案的具体改进措施。学生在自行设计实验方案并进行验证改进的过程中，逐步出了培养学生分析问题、解决问题的创新性思维，并进一步培养了学生分析讨论自己创新思维科学合理性的研判能力，这也是兴趣驱动下培养学生创新能力的关键步骤。

第五，特别需要指出的是，同学们所设计的实验方案理论上可能是可行的，但由于实验条件的限制，我们实验室并不能真正实现。鉴于此，要求同学们在理论上对实验仪器进行改造，并画出改造的原理路线图，通过讨论论证仪器改造方案的可行性和自己所设计的实验方案的可行性。进一步给同学们留下思考问题：本实验如何与前沿研究相关领域结合，并进行可行性分析，此外思考实验可能的现实应用，最终这些均以小论文的形式提交。

第六，实验完毕后，要求学生对整个实验进行反思思考，要求同学们回顾整个实验历程，从原理的学习和讨论到设计方案的提出与实验，从重复教材上的实验到在此基础上进行的拓展性研究。让同学们在上面所写的小论文的最后写上自己对整个实验改革的反馈信息，内容主要包括与传统实验教学相比，这种“研讨式”教学方式的优点与不足，这种教学方式有哪些仍需改进的地方，该如何进行改进，这种教学方式该如何向其他实验进行推广。

（三）研讨式教学法的预期成效

在近代物理实验课堂教学中采用旨在激发学生学习兴趣、培养学生创新思维能力的研讨式教学法预期将会产生非常好的教学成效：

第一，学生学习近代物理实验的兴趣和主动积极性将会大大提高。与传统的教师系统讲授、学生被动听讲的教学模式不同，研讨式教学法使得学生一方面深入挖掘教材、查阅资料，在与同学老师的讨论中解决难点，另一方面使学生首先通过自学教材中所涉及的基本理论的应用部分，之后在具体实验中领会并掌握这部分知识，从而使教学效果较之传统上课模式显著改善。把学生从整个教学过程中由被动接受知识的客体变成主动学习、主动参与的主体，进而可以充分调动起学生的学习积极性和学习兴趣。

第二，学生的创新能力将会得到明显的提高。在研讨式教学法的实施过程中，学生掌握了实验的基本原理之后，带着兴趣参与教学的同时，自行设计自认为可以实现的多种实验方案，并将这些方案进行完善，之后去实验室熟悉实验仪器及其各个部件，并针对实验条件对实验方案进行对比，在教师的指导下，对实验方案进行修订，直至找出至少一套可以操作的方案来，对于无法在实验室实现的方案，将其设计修订成理想上可以操作的形式。这样充分挖掘了学生的设计能力和创新性思维，并在具体实验操作的过程中对自己的设计和创新进行较好的研判，进而逐步培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，学生在此基础上可以进行较高质量的创新性实验探究，撰写较高质量的创新性实验论文。通过这种自行设计实验的方式，预期可以较好地在兴趣的驱动下培养学生较强的自主创新能力。

在当前“双创”大背景下，激发学生自主学习的兴趣和培养大学生创新能力是当代大学教育的关键任务之一。本文首先研究了当前传统的近代物理实验的教学局限性，并针对性地引入了研讨式教学模式，详细研究了在近代物理实验课程的教学过程中如何具体实施研讨式教学法，讨论了采用此种方法进行教学的积极成效。