設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐

設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)是一種新的教學(xué)模式，實(shí)踐證明它能很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。為了能更好地組織和開展設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)，有必要對(duì)設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)方法與實(shí)施策略等問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，重視學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，努力營(yíng)造提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)、創(chuàng)新能力和充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主能動(dòng)性的環(huán)境，構(gòu)建設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新體系，是深化高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立要參照以下兩個(gè)方面的原則:一是系統(tǒng)化原則，具體來(lái)說(shuō)就是進(jìn)行專業(yè)調(diào)整，打破課程的界限。要從專業(yè)整體和學(xué)生發(fā)展的角度來(lái)考慮，學(xué)生應(yīng)該具備什么樣的實(shí)驗(yàn)理論和技能，實(shí)驗(yàn)將相關(guān)要素構(gòu)成科學(xué)合理的體系；另外一個(gè)是階段性原則，實(shí)驗(yàn)課的設(shè)立要考慮到不同層次，不同專業(yè)的需要和理論的協(xié)調(diào)。因此，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要分層次和模塊化。我院的普通物理實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)方案，以物理實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容改革為切入點(diǎn)，實(shí)施物理實(shí)驗(yàn)分層次教學(xué)平臺(tái)建設(shè)。“普通物理實(shí)驗(yàn)”課程整體依照由淺入深的認(rèn)識(shí)規(guī)律，按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分三個(gè)層次進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。第一層次基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，注重基本實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)，學(xué)習(xí)基本物理量的觀測(cè)技術(shù)方法及其正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、分析處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確描述和規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第二層次綜合性實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)物理研究實(shí)際過(guò)程，注重實(shí)驗(yàn)方法的綜合運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和科技創(chuàng)新能力。第三層次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，注重基本物理現(xiàn)象的觀測(cè)及研究方法，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。應(yīng)該說(shuō)，第一層次強(qiáng)調(diào)基本技能訓(xùn)練，第二層次突出實(shí)驗(yàn)綜合能力的培養(yǎng)，其教學(xué)過(guò)程更專注于實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)涵和物理現(xiàn)象的探索，第三層次培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新能力。為了達(dá)到普通物理實(shí)驗(yàn)課程的分層次教學(xué)目標(biāo)，我們對(duì)普通物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了整合。使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目安排分別注重實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)兩方面，注重物理研究的內(nèi)在聯(lián)系。如開出模塊化的示波器系列實(shí)驗(yàn)、分光計(jì)系列實(shí)驗(yàn)和電位差計(jì)系列實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)相關(guān)項(xiàng)目構(gòu)成課程的單元，由這些實(shí)驗(yàn)單元組合成實(shí)驗(yàn)課程整體，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程一體化。進(jìn)一步根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)要求，對(duì)實(shí)驗(yàn)相關(guān)子集中每一項(xiàng)目的教學(xué)重點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)層次結(jié)構(gòu)。在物理實(shí)驗(yàn)分層次教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，第一層次和第二層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容面向所有學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)生，第三層次項(xiàng)目?jī)?nèi)容則進(jìn)一步分“通才”要求和“專才”要求來(lái)設(shè)置。前者定位于滿足所有本科學(xué)生教學(xué)需要，但在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法上有所提高，有所創(chuàng)新，也有自己的教學(xué)特色；后者體現(xiàn)了綜合創(chuàng)新及使用現(xiàn)代化測(cè)量手段，它面向?qū)W有余力的優(yōu)良和優(yōu)秀學(xué)生，滿足“優(yōu)生優(yōu)培”的教學(xué)需要。

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀分析

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)普遍存在實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較差，實(shí)踐能力培養(yǎng)收效不大，學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)的狀況，其原因可概括為以下幾個(gè)方面。

1.對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)認(rèn)識(shí)不足。由于在教育過(guò)程中重視理論和考試，造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的重要作用認(rèn)識(shí)不足，客觀上形成了教師在黑板上教實(shí)驗(yàn)，學(xué)生背書本實(shí)驗(yàn)的應(yīng)試教育模式，沒(méi)有發(fā)揮實(shí)驗(yàn)對(duì)消化、加深理解理論知識(shí)的互動(dòng)作用。在實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)上以教師為主體，學(xué)生被動(dòng)接受，還有部分學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課不認(rèn)真，對(duì)待實(shí)驗(yàn)采取應(yīng)付的態(tài)度。這樣就達(dá)不到通過(guò)實(shí)驗(yàn)課培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的目的。

2.項(xiàng)目選擇缺乏創(chuàng)新性和綜合性。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏有助于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)生無(wú)法深入探究和了解實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程，只能按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)證性操作，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主動(dòng)性不掌握在學(xué)生手上，更談不上創(chuàng)新活動(dòng)。這樣的實(shí)驗(yàn)體系束縛了學(xué)生的創(chuàng)新潛力，不利于培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計(jì)的能力。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的弊端，國(guó)內(nèi)高等學(xué)校開展了新世紀(jì)教育改革工程，一些大學(xué)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，將物理實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)幾個(gè)模塊，刪除了一些內(nèi)容陳舊對(duì)培養(yǎng)學(xué)生能力作用不大的題目，將原來(lái)的力、熱、光、電磁三個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)整合為預(yù)備性、基礎(chǔ)性、基礎(chǔ)應(yīng)用和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)這四個(gè)階段，建構(gòu)了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。總的來(lái)說(shuō)，大多數(shù)高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容都包含有綜合性、設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，并且綜合性、設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中所占的比例呈逐年上升趨勢(shì)。

開展設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)

進(jìn)步主義教育理論認(rèn)為“由直接經(jīng)驗(yàn)激勵(lì)的興趣是學(xué)習(xí)的最好刺激”，“教師應(yīng)當(dāng)是學(xué)習(xí)活動(dòng)的引導(dǎo)者和教育資源的提供者”。進(jìn)步主義教育既是發(fā)生在美國(guó)教育界的一場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是致力于將學(xué)習(xí)者從機(jī)械學(xué)習(xí)、背誦課本及教師權(quán)威中解放出來(lái)的一種理念，進(jìn)步主義教育提倡多種教育形式如設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、問(wèn)題解決、項(xiàng)目學(xué)習(xí)等，進(jìn)步主義教育更多關(guān)注的是學(xué)習(xí)者而不是學(xué)科本身，更多地強(qiáng)調(diào)活動(dòng)和經(jīng)驗(yàn)而不是口頭和書面表達(dá)技巧。總體來(lái)講，進(jìn)步主義教育把教與學(xué)看作是一個(gè)積極主動(dòng)的、富有創(chuàng)造性的、令人激動(dòng)的變化過(guò)程。在皮亞杰的建構(gòu)主義學(xué)習(xí)模式下，學(xué)習(xí)被視為一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，學(xué)習(xí)者并不是把知識(shí)直接從外界搬到記憶中，而是以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)通過(guò)與外界的相互作用來(lái)獲取、建構(gòu)新知識(shí)的過(guò)程。學(xué)習(xí)的過(guò)程是通過(guò)學(xué)習(xí)與外部環(huán)境的相互作用，實(shí)現(xiàn)同化和順應(yīng)，來(lái)逐步建構(gòu)有關(guān)外部知識(shí)的內(nèi)部圖式，從而使自身的認(rèn)知結(jié)構(gòu)得以轉(zhuǎn)換和發(fā)展。在這種學(xué)習(xí)中，學(xué)生要主動(dòng)建構(gòu)客觀事物及其關(guān)系的表征，這種建構(gòu)是自己主動(dòng)對(duì)新信息加工而成的，因此這種學(xué)習(xí)更加強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、情景性、協(xié)作性。建構(gòu)主義提倡的是一種更加開放的學(xué)習(xí)，這種模式中教師和學(xué)生的作用也有了新的定位，學(xué)生不再是教學(xué)內(nèi)容的被動(dòng)接受者，而是知識(shí)的主動(dòng)獲取和建構(gòu)者；教師從以教授知識(shí)為主變成以輔導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)為主，成為學(xué)生建構(gòu)意義的指導(dǎo)者。總的來(lái)講，設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)秉承了進(jìn)步主義教育理論的精神，淡化了教材的概念，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主性和實(shí)際動(dòng)手操作，不再?gòu)?qiáng)調(diào)教師的權(quán)威性，即教師不再主宰學(xué)生的學(xué)習(xí)而是變成學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，學(xué)生可以自由地和教師交換想法和意見。而設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)模式重心在于通過(guò)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自主地建構(gòu)和完善自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，這種學(xué)習(xí)模式把設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)大體上分為三個(gè)階段，即沖突階段、建構(gòu)階段和應(yīng)用階段。在沖突階段，教師要積極地創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，學(xué)生則積極地搜索已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，為認(rèn)知結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)。在建構(gòu)階段，由沖突而引發(fā)學(xué)生的探索欲望，學(xué)生對(duì)沖突中出現(xiàn)的新問(wèn)題進(jìn)行研究和分析，借助有效的學(xué)習(xí)和思維策略解決沖突。這種教學(xué)模式充分體現(xiàn)了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀和布魯納的認(rèn)知結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)理論，重視學(xué)生在知識(shí)內(nèi)化的過(guò)程中探索研究的作用，重視教學(xué)過(guò)程中有關(guān)問(wèn)題情景的創(chuàng)設(shè)，重視知識(shí)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)施

設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)和選擇合理的實(shí)驗(yàn)方案，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中檢驗(yàn)其正確性。因此，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心是設(shè)計(jì)和選擇實(shí)驗(yàn)方案，并檢驗(yàn)方案的正確性與合理性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題：

1.實(shí)驗(yàn)方案的選擇與審定。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課題確定后，教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)審定是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，教師在審定實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案應(yīng)給予必要的指導(dǎo)，和學(xué)生共同修訂設(shè)計(jì)方案，從研究實(shí)驗(yàn)方案的可行性、設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)手段、顯示方式等方面入手，培養(yǎng)學(xué)生的想象能力和創(chuàng)造性思維能力。

2.實(shí)驗(yàn)方案的指導(dǎo)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)課題的要求和所研究的問(wèn)題，查閱參考資料來(lái)解決有關(guān)問(wèn)題。教師可以介紹一些查閱資料的方法，指出相關(guān)資料的來(lái)源，通過(guò)指導(dǎo)學(xué)生查閱資料和修改實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

3.實(shí)驗(yàn)方法的選擇。指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)課題的要求和研究對(duì)象，收集各種可能的實(shí)驗(yàn)方法，即根據(jù)一定的物理原理，確定在被測(cè)量與可測(cè)量之間建立關(guān)系的各種可能的方法。然后，比較各種實(shí)驗(yàn)方法所能達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度、實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)施的可能性，以便確定“最佳”實(shí)驗(yàn)方法，或選擇其中幾種分別進(jìn)行試驗(yàn)后，確定“最佳”實(shí)驗(yàn)方法。

4.測(cè)量方法的選擇。實(shí)驗(yàn)方法選定后，為使各物理量測(cè)量結(jié)果的誤差最小，需要進(jìn)行誤差來(lái)源及誤差傳遞分析，并根據(jù)可能提供的儀器確定合適具體的測(cè)量方法。因?yàn)闇y(cè)量一個(gè)物理量，可能有多種測(cè)量方法可供選用。

5.測(cè)量?jī)x器的選擇。實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方案確定后，應(yīng)合理選擇測(cè)量?jī)x器，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)儀器的作用，有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，儀器、裝置的合理選擇及正確的搭配對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量至關(guān)重要。

6.測(cè)量條件的選擇。確定測(cè)量的最有利條件，也就是確定在什么條件下進(jìn)行測(cè)量引起的誤差最小。實(shí)驗(yàn)條件的選擇是否恰當(dāng)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的成敗和效果影響很大。實(shí)驗(yàn)裝置和器材是影響實(shí)驗(yàn)條件的因素之一，在選擇實(shí)驗(yàn)裝置和器材時(shí)應(yīng)注意滿足實(shí)驗(yàn)所要求的條件。

7.實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的多樣性特性決定了實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方式的創(chuàng)新性。既然設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)有其本質(zhì)上的獨(dú)特性，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)也不能像針對(duì)以前的實(shí)驗(yàn)?zāi)菢樱瑔螒{預(yù)習(xí)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)報(bào)告就給定分?jǐn)?shù)。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可能要經(jīng)歷多次的失敗，多次的嘗試，最后卻不一定能獲得成功。因此，我們必須建立一種著重體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，著重培養(yǎng)學(xué)生自己體會(huì)、理解和創(chuàng)新的評(píng)價(jià)體系，才能適應(yīng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)發(fā)展的要求。

結(jié)束語(yǔ)

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的創(chuàng)造性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:（1）強(qiáng)調(diào)多元化評(píng)價(jià)。一是評(píng)價(jià)主體的多元化，除了將教師作為評(píng)價(jià)主體之外，還應(yīng)有實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的評(píng)價(jià)和個(gè)人自我評(píng)價(jià)部分；二是評(píng)價(jià)過(guò)程的多元化，評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)不僅是看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而是把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)成整體，對(duì)全過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)，特別是對(duì)于學(xué)生修正的過(guò)程也要給予正確的評(píng)判，以此促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力和科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。（2）注重個(gè)體差異性，使評(píng)價(jià)個(gè)性化。任何僅以一種智力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)人的智力水平是片面的，不科學(xué)的。在設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)中，教師應(yīng)該把握住學(xué)生個(gè)體的實(shí)際情況和差異性，在評(píng)價(jià)中應(yīng)該注意到學(xué)生各方面的表現(xiàn)，而不應(yīng)該只單純用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告來(lái)衡量學(xué)生的成績(jī)。（3）關(guān)注評(píng)價(jià)過(guò)程中所反映的動(dòng)態(tài)變化。在一般的實(shí)驗(yàn)中，教師關(guān)注得更多的是實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)這些靜態(tài)指標(biāo)。而在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，評(píng)價(jià)更要關(guān)注的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，即學(xué)生的成長(zhǎng)變化。實(shí)驗(yàn)過(guò)程本身就是一個(gè)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)、情感的交流、合作與碰撞的過(guò)程，是動(dòng)態(tài)變化的。作為教師，應(yīng)當(dāng)時(shí)刻關(guān)注這些動(dòng)態(tài)的變化，恰當(dāng)?shù)亟o學(xué)生評(píng)價(jià)和指導(dǎo)。

與一般的常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)相比，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)更注意了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，開拓學(xué)生的智力，培養(yǎng)和發(fā)揮學(xué)生創(chuàng)造設(shè)計(jì)的能力。