大學物理自主設計性實驗教學模式研究

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摘要:大學物理實驗是理工科學生必修的一門單獨設課的基礎課，是培養和提高學生科學實驗能力、科學實驗素養和創新能力的重要課程。近年來，我們在傳統教學模式的基礎上，在實驗教學中增加了自主設計性實驗項目，通過自主設計性實驗教學模式的實施，學生的實驗能力和創新能力顯著提高。

關鍵詞:大學物理實驗;自主設計性實驗教學模式;創新能力

一、自主設計性實驗教學模式實施的意義

高校實驗教學改革和實驗室建設作為強化實踐教學環節和培養創新人才的基礎，在培養理工科學生的實踐能力和創新精神，提升學生的科學素質方面有著極其重要的作用［1］。實驗課程中開設自主設計性實驗，是實驗教學改革的重要舉措。在傳統的實驗教學模式中，實驗教材詳細列出實驗步驟、線路圖、實驗原理，學生的實驗過程就是按部就班的完成實驗，實驗的思路被限定，主觀能動性得不到發揮。自主設計性實驗教學模式是一種以學生為主，教師為輔來培養學生自主學習探索及創新能力的新型教學模式。具體來說，就是學生在教師的指導下，根據實驗題目、實驗條件，通過查閱資料，自主設計實驗方案，自擬實驗操作步驟，在一定的時間內完成實驗，經歷一次科學實驗的全過程。學生在設計實驗方案的過程中，實驗的思路開闊了，學生的思維活躍了，創新能力與解決問題的能力不斷提高。

二、自主設計性實驗教學模式的具體實施

(一)實驗教材的編寫與自主設計性實驗的安排。為配合自主設計性實驗教學模式的實施，我們首先對實驗教材進行了調整與改編。實驗教材共有28個實驗項目，根據教學模式和實驗內容的不同分為四個模塊。分別為基本訓練、基礎實驗、近代綜合與應用實驗、自主設計性實驗等四個部分組成，其中自主設計性實驗模塊作為教材中一個相對獨立的部分，占據了整個教材四分之一的內容。這個模塊的實驗項目全部采用自主設計性實驗教學模式，這些實驗項目撰寫的格式與其他傳統實驗不同，實驗教材中只提供實驗題目、實驗原理、實驗要求以及實驗思考題，具體的實驗線路圖、實驗步驟、實驗表格全部省略，要求學生自己擬定，這樣就避免了傳統實驗中學生照本宣科地弊端，給學生留下了思考和發揮的空間。另外，大學物理實驗課程分兩個學期進行，考慮到自主設計性實驗項目難度較大，對學生的實驗能力要求較高，因此，第一學期的前半程主要安排基礎性實驗，實行傳統型實驗教學模式，通過實驗課程訓練，學生的基本實驗操作能力得到提高。在此基礎上，在第一學期后半程或者第二學期安排自主設計性實驗項目，由于實驗學時有限，自主設計性實驗只能安排2至3個實驗。(二)自主設計性實驗項目的選題。對于自主設計性實驗項目的選題，我們結合學生的實驗能力和實驗室現有的實驗設備，本著“設計性實驗既要有所創新，又要結合實際，讓學生能夠切實可行”的原則，進行反復與研究，在實驗教材中選定了七個不同的設計性實驗項目。這些實驗涵蓋了力學、電學、光學等方面，實驗題目分別是:氣墊導軌測量重力加速度，不規則物體密度的測定，落球法測量液體的粘滯系數，分壓電路輸出特性研究，電學元件伏安特性曲線的描繪，電表的改裝與校準，非平衡直流電橋測量電阻。這些自主設計性實驗項目的選題具有如下特點:選題緊扣大綱，立足基礎、適當延伸，實驗內容相對比較熟悉，實驗難度適中，運用所學的實驗方法，進行適當轉換后，就可以完成;選題具有一定的探索性，需要學生查閱資料，方案的形成過程中要不斷探索研究;選題具有實用性，盡量選擇現實生活中可能遇到的問題，使學生對所選的實驗有濃厚的興趣;選題具有開放性，實驗方法不單一，可以通過多種方法實現實驗目的，以保證學生之間設計方案多樣性與差異性［2］。(三)自主性設計性實驗課前準備工作。由于自主設計性實驗沒有現成的實驗方案，所以實驗課前教師和學生都需要做大量的準備工作。實驗課前，教師提前下發通知并指定實驗題目，學生按照通知要求，根據實驗題目，查閱相關資料，寫出完整的實驗預習報告，預習報告中包括實驗線路圖、實驗步驟、實驗數據表格等一整套的實驗設計方案，通過這一環節，使學生對所做的實驗進行認真思考，形成實驗方案的基本雛形。實驗預習報告要求在實驗課前兩天上交給指導教師，指導教師對設計的實驗方案進行批閱，重點把握實驗方案的可行性與科學性，保證實驗在實驗室的現有條件下能夠順利實施。通過批閱預習報告，把實驗方案中存在的問題指出來，讓學生再進行修改完善，不合理的實驗方案令其重新整改。由于實驗選題都比較切合學生實際，學生設計起來難度不大，實驗方案確定后，直接可以在課堂實施。指導教師除了批閱預習報告，還要根據學生的實驗方案，準備實驗所用的儀器設備和各種耗材，以確保實驗方案實施。(四)自主設計性實驗課堂操作與課后總結。課前準備工作完成后，學生帶著預習報告進入實驗室開始實驗，教師在實驗過程中起著指導和監督作用。實驗之前，教師結合預習報告中出現的共性問題進行講解，提醒大家注意，由于學生在實驗中普遍存在著安全意識缺乏的問題，好多設計的線路都沒有保護措施，對于元件參數的計算不夠精準，實驗中容易出現燒壞儀器元件的現象，因此，對于實驗儀器的安全使用問題，教師在課堂上反復強調，以避免實驗中出現隨意損壞儀器情況。在保證儀器安全使用的前提下，學生利用實驗室提供的儀器元件，按照擬定好的實驗方案進行操作，實驗時一般兩人一組，實驗當中出現問題，兩人共同討論，共同排查故障，共同解決問題，通過不同的測量與比較，切磋研究，學生分析問題、解決問題能力、科研能力與創新能力得到全面提高。實驗結束后，要求學生寫出完整的實驗報告，實驗報告是對整個實驗的概括與總結，實驗的整個過程以及數據結果要清晰準確的表述出來，同時，對實驗當中出現的問題進行分析，找出問題所在，對于實驗當中成功的地方，予以肯定和提煉。從最初的預習報告到最終的實驗報告，學生通過對比分析，得到成長與進步，對實驗的理解上升到新的高度，完成了一次從理論到實踐，再從實踐到理論的科學實驗全過程。

三、自主設計性教學模式的效果及存在的問題

自主設計性實驗教學模式實施以來，打破了固有的舊思維模式，充分激發了學生的主觀能動性，學生對基礎知識的掌握有了明顯的提高，從簡單理解上升到靈活應用，舉一反三，實驗中更注重實驗方法與實驗思想的學習，學生的思維能力和創新能力得到提升，學生實驗的積極性得到增強，由過去的“按照實驗步驟做”，變成“按照自己的思路走”，由“要我做”變成“我要做”，學生真正成為了實驗的主導者［3］，好多學生對科學研究產生了濃厚的興趣。但是，在自主設計性實驗教學模式的實施過程中也出現了一些問題，首先，實驗教師的科研能力還需要提高，迫切需要打造一支高素質的實驗教學隊伍。教師作為自主設計性實驗的組織者，應該具備深厚的學術功底、扎實的專業知識，從實驗選題到實驗方案的實施，每一個環節都要全面掌握和了解，針對實驗當中出現的各類問題，做出及時的判斷與分析，引導和啟發學生思考。因此，教師需要加大教學投入的力度，不斷提高自己的科研能力;其次，學生設計的實驗方案重復性較高，由于學生知識儲備的局限性，使得學生設計的實驗方案大同小異，新穎性不夠，學生參與實驗的積極性和創造性還需要進一步提高;另外，實驗室儀器設備需要不斷更新，長期以來，實驗室儀器設備種類比較單一，大部分儀器都是批量購買，好多的實驗方案只能局限在現有的儀器設備范圍內。因此，實驗室要加大儀器設備經費的投入，以保證自主設計性實驗教學模式的實施。

四、結語

隨著教學改革的不斷深入，自主設計性實驗教學模式的研究與探索已成為高校實驗教學改革的重要內容。目前，在自主設計性實驗教學模式的實施中，還存在諸多的問題，這給我們的實驗教學提出了挑戰，我們要迎難而上，接受挑戰，不斷優化教學內容、改進教學模式，使自主設計性實驗教學更加規范化。

參考文獻:

［1］劉天寧，徐清．高校實驗教學改革和實驗室建設與創新人才培養［J］．昆明理工大學學報，2007．7(6):101-103．

［2］徐勝，夏思墨，韓超峰，王全興．自主設計在免疫學實驗教學中的探索與實踐［J］．基礎醫學教育，2019．21(9):718-721．

［3］竺鋁濤．紡織工程專業自主設計性教學模式探究［J］．紡織服裝教育，2019，34(04)259-362．

作者:孫學軍 金熒熒 孫正鳳 單位:山東科技大學濟南校區