設計性實驗教學實踐與思考——以“電表的擴程與校準”實驗為例

張雙成 晏翠瓊 魏生賢 顧凌吉 李 杰 周應強

（曲靖師范學院 物理與電子工程學院，云南 曲靖 655011）

0 引言

設計性實驗是教師給定實驗目的和實驗條件后,由學生自行設計實驗方案并在老師指導下加以實現的探索性實驗,同時也是介于基礎教學實驗和實際科學實驗之間的、具有對科學實驗全過程進行初步訓練的教學實驗,著重培養學生獨立解決實際問題的能力、創新能力以及組織管理能力，目的是提高學生的綜合能力[1-5]。作為新建本科院校開展設計性實驗還處于摸索階段，學生對于實驗過程中可能出現的問題缺乏預測和掌握,出現突發情況感覺無從下手。為了達到開設設計性實驗的真正目的，本文以設計性實驗特點、要求為基礎，結合曲靖師范學院（2000年新建本科院校）物理實驗教學示范中心在電磁學實驗課程中開設的設計性實驗“磁電式電表的擴程與校準”總結幾點教學實踐經驗，為今后更好開展設計性實驗夯實基礎。

1 對象和方法

1.1 教學對象

教學研究對象選擇曲靖師范學院物理與電子工程學院2010級物理學專業本科二年級學生，1個班共69人。

1.2 教學方法

曲靖師范學院物理與電子工程學院針對2010級物理學專業開設《電磁學實驗》課程總計33學時共10個實驗項目，其中完成1個設計性實驗項目。具體安排是學生先完成9個必做實驗項目的學習任務，內容是學習基本電路的接法、特點，了解基本電學儀表儀器的性能、結構和使用，驗證穩恒電磁場特點及其所遵守的規律；要求學生學會排除基本電路故障的方法，掌握測量電學量的基本方法，進一步認識電磁場所遵守的規律，學會處理實驗數據的基本方法。學生完成9個基礎實驗項目之后再完成1個設計性實驗項目。

開學初第一次課指導教師將本課程主要內容和要求、開課進度做了具體安排。對于設計性實驗——磁電式電表的擴程與校準，要求學生在完成設計性實驗項目之前認真查閱資料，做到了解電表的性能、結構、工作原理；掌握改裝電流表、電壓表和歐姆計原理；掌握確定電表等級的方法。每個學生在實驗前先寫出實驗方案。實驗過程中由于實驗室條件限制，不能滿足一個學生完成一塊電表改裝并校準，所以將全班分為14個小組，平均4～5人一組，每組指定一個組長。具體辦法是在實驗前兩周指導教師先根據學生的實驗方案將完成相同或相近任務的同學劃為一組，同時兼顧學生成績優中差搭配。然后由各組長組織討論本小組各組員的實驗方案，最終由組員共同提議確定或整合一個方案來完成實驗任務。教師在小組討論過程中或參與或旁聽。實驗方案成熟1個，允許實踐改裝1塊電表，最終學生的具體任務是將一塊G表改裝為較大量程的電流表、電壓表或萬用表；改裝后的電表可以是單量程、雙量程或多量程的，量程大小自由選擇，但每組不一樣；電路設計方便、安全、高精度為原則；電表改裝好以后要求校準并確定等級，在校準過程中，如果改裝好的電表準確度太低，需要反復調整、更換電路中電阻元件或改變原來電路設計，直到達標為準。學生完成實驗操作環節后，總結實驗過程、分析實驗結果撰寫小論文。論文要求每人1份，同一小組除方案、實驗原始數據一致，其余各自獨立完成。

在學生進行實驗操作之前，教師必須清楚在學生進行改裝和校準電表實驗過程中電表類別、量程、電路圖的設計，電阻元件參數的選取和電路焊接的技巧、方法，表頭內阻的測量方法和注意事項等。在學生實驗階段，完全實現學生是學習的主體，學生自己準備實驗、操作實驗、發現問題、解決問題，當學生遇到突發問題和無從解決的問題時，教師只做引導者，不幫學生直接解決問題。

1.3 學生成績考核方法

教師對學生設計性實驗成績的評價辦法是采取考核學生實驗過程中幾個環節的情況，其中包括：實驗準備環節30分、實驗操作環節30分、論文成績30分、參與活動的主動性10分。具體操作：實驗前兩周，教師收齊學生擬定的實驗方案，根據學生查找資料和運用的情況、實驗方案的可行性、實驗參數的合理性、實驗原理和實驗方法掌握情況給出實驗準備環節成績；實驗操作成績，主要考查學生在實驗過程中操作的規范性、熟練程度、發現問題和解決問題的思路和能力；論文成績主要看論文結構、實驗數據處理情況、分析實驗結果的角度、深度廣度，論文的條理性，語言表述的準確性；學生參與活動的主動性成績是綜合前面三個環節同時結合在小組討論中學生的參與度來給出評價。

2 教學效果與分析

圖1-圖5是作者在教學過程中嚴格按照上述考核辦法對學生成績評定的結果。圖1統計設計性實驗學生總成績，數據表明：學生能夠圓滿完成設計性實驗并取得良好效果，其中有26%的同學取得優秀（90-100分），55%的同學達到良好 （80-90分），19%的同學達合格以上成績（60-80 分）。

圖1 設計性實驗學生總成績

圖2-圖4統計實驗過程中各環節成績。圖2顯示準備階段，學生根據老師所給實驗任務，獨立自主查找資料，研究資料，開展小組討論等活動設計實驗方案。結果近70%的同學能夠設計出有一定設計思想、可行合理的實驗方案；26%的同學基本能夠完成簡單、合理可行的設計方案；6%的同學需要幫助完成設計達到要求。此環節學生在學習活動中從傳統的被動接受知識轉變為主動的去獲取知識，經歷查找資料、歸納總結提升資料尋找解決問題方法的過程，這是鍛煉學生邏輯思維的過程。開展小組討論修訂實驗方案又是讓學生學會合作、培養學生組織管理能力的過程。

圖3表明：實驗操作階段，學生根據自己所設計的方案進行實驗測試、調試和校準。結果60%的同學能夠規范、熟練的進行實驗，能夠及時發現問題和解決問題；36%的同學能夠按照自己的方案進行實驗，但在實驗過程中需要老師一定的指導；4%的同學需要老師反復指導完成。在這一環節中，學生理論聯系實際進行實驗操作，觀察實驗現象，發現問題、分析問題、解決問題，最后完成設計性實驗任務。實驗操作均由學生自己完成，能充分鍛煉學生的動手能力。出現問題均由學生自己解決，教師只簡單提示和引導不做解決問題的工作，這樣能提高學生分析問題和解決問題的能力。

圖2 準備階段成績

圖4 論文成績

圖4統計學生論文成績，其中17%的同學論文結構完整、思路清晰、語言表達通順，說理清楚但深度廣度還需繼續加強；54%的同學能夠將論文框架搭起來，并對論文每一部分的撰寫方法有一定的認識，但要達到結構完整、層次分明、說理清楚等還需下功夫；還有29%的同學基本沒有脫離實驗報告。總之，論文撰寫環節是整個教學過程中的薄弱環節。當然作為大學二年級第一學期的學生沒有任何論文撰寫常識的情況下，單憑一次實驗指導老師對論文寫作要求的簡單介紹和學生通過查閱文獻、研究文獻就有近70%的同學能夠將實驗數據寫成結構基本完整，有一定條例的文章，甚至有少部分同學基本達到標準文章的雛形，這其實是教學過程中一個很大的成果。這一環節是實驗結束要求每個同學總結實驗過程、分析實驗結果得出自己的看法，這是進一步鍛煉提升學生歸納、總結和分析問題的邏輯思維能力。

圖5 學習主動成績

實驗過程中，學生的主動性貫穿整個實驗過程，從查找資料、設計方案、小組討論和實驗操作中發現問題、解決問題及其論文寫作等過程中的參與程度和成效來考核學生的主動性。圖5顯示71%的同學主動性很高，26%的同學能主動參與，2%的同學專業成績不理想，但還是按要求參與各項任務。總體上看，開展設計性實驗，學生的主動性很高。

3 教學思考

電表是電磁學實驗中最基本最常用的儀表。電表的改裝與校準實驗項目可開成驗證性實驗、設計性實驗或綜合性實驗，實驗內容和要求伸縮范圍很大，能滿足不同層次學生的需求。本中心將“電表的改裝與校準實驗”開成設計性實驗，其內容結合學生實際、設計性較強、具有啟發性、學生能夠完成設計性實驗的任務是提高學生學習積極性的重要因素。

學習過程是學生獲取知識、鍛煉能力的過程，學習過程中學生在每一個環節上獲得的努力成效，直接影響學生學習的積極性。教師評價學生學習成績采取考核環節成效的辦法，能客觀公正給出學生成績、肯定學生的智慧和努力。教師客觀公正評價學生，是對學生的尊重、肯定和鼓勵，同時對學生起到一定促進作用。學生在最大程度上獲得尊重、肯定和鼓勵，同時加以適當督促是完成設計性實驗過程中提高學生學習積極性的關鍵因素。

指導教師對教學活動進行科學合理的規劃，給學生明確的任務、充分自主的學習時間和空間，同時提供及時有效的方法指導，是學生能夠順利完成設計性實驗、提高學生學習積極性的有力保障。

在完成設計性實驗整個過程中教師就是一個引導者，學生就是一個發現、創造、生產的實踐者，實驗過程就是培養和提高學生綜合能力的過程。在實驗教學中積極開展設計性實驗是培養當今社會所需具有較強綜合能力的建設者的有效途徑，如何有效開展設計性實驗是實驗教學一線的教師責無旁貸的重任。

［1］王一冰.開展設計性實驗提升實踐教學水平[J].西南民族大學學報：自然科學版,2011,37(S1):115-116.

［2］張新華.綜合性和設計性實驗中支架式指導策略[J].實驗室研究與探索,2010,9(8):261-266.

［3］孫宇航.設計性物理實驗教學探討[J].大學物理實驗,2009,22(3):108-110.

［4］朱世坤,聶宜珍.綜合性、設計性實驗教學的探討[J].大學物理實驗,2007,20(4):87-90.

［5］黃劍平,龔銀香,童金強.設計性實驗教學的實踐與探索[J].實驗技術與管理,2009,26(5):135-143.