醫用物理學設計性實驗探討*

崔春雨，莫　增，廖新華（第三軍醫大學生物醫學工程學院物理學與生物物理學教研室，重慶400030）

醫用物理學設計性實驗探討*

崔春雨，莫增，廖新華
（第三軍醫大學生物醫學工程學院物理學與生物物理學教研室，重慶400030）

【提要】醫用物理學設計性實驗要求學生自主地設計實驗過程，達到驗證物理原理、解決物理問題等目的，在該實驗過程中培養學生嚴謹的科研精神、自主創新能力和動手能力，是培養新時期創造性人才很好的教學方式之一，是創新性教育的一部分。該文就以時差法測聲速為例來介紹大學物理設計性實驗的內涵、要求及教學過程。

物理學；醫學；設計性實驗；教學方法

物理學是一門實驗性科學，很多物理原理都來源于現象、猜想、實驗、驗證的過程。因此，物理實驗對于理解物理規律必不可缺，學習醫學物理學必然要進行物理實驗。傳統的醫學物理實驗僅僅是根據課本所設計好的實驗原理和方法進行驗證物理規律的過程，學生是被動地進行整個實驗，不利于發揮學生的創新能力［1］。而物理設計性實驗內容具有自主性、探索性和綜合性，沒有固定的方法和過程可尋，要求學生根據所學的物理知識，需要解決的物理問題和驗證假設的物理原理等，設計具體的實驗方案和過程，自主地進行探索性實驗，最后進行實驗數據的分析和總結。物理設計性實驗是醫學物理實驗課程中的重要組成部分，介于基本教學實驗與科學研究之間，是物理教學的深入，是學生獨立提出實驗題目并進行設計制作過程的實驗課程。在實驗過程中指導教師僅起到輔助作用，這樣有利于培養學生的動手能力和創新能力。設計性實驗將使學生經歷一次科學實驗過程的基本訓練［1］，學生從實驗題目的選題到設計內容和步驟，選擇儀器，進行實驗驗證，需要學生反復地思考和修改，得出滿意結論，有利于培養學生的科學研究的精神和素養。醫學物理學設計性實驗因此成為醫學院校教學改革重要的一部分，是創新性教育重要的環節之一。目前，設計性物理實驗課程的開設已成為物理實驗課程改革的趨勢［2-4］。

1　醫學物理設計性實驗內容的提出

選擇適合的設計性實驗題目是完成設計性實驗的關鍵［5］。經過醫學物理學1年的學習，學生基本都具有了一定的物理思想和知識，通過醫學基礎性實驗的開設，學生也具備了一定的實驗動手能力，掌握了一些基本的實驗技能，但總體來說其實踐經驗仍然較少、操作水平不高，所以必須從學生現有基礎條件出發，控制好實驗題目的難易程度和合理性，才能達到預期的教學效果。在此基礎上，指導教師引導學生進行自主性地設計物理實驗，可以設計實驗操作驗證課本上的物理規律，也可以利用物理規律測量數據，得出新的結論。還可以改造現有的實驗方法和改進實驗儀器，利用現有實驗測量其他物理量等。充分利用學生所學的知識、方法和想象能力，大膽地嘗試新的實驗內容。例如：有學生做完聲速測量的實驗后，聯想到利用聲速測量是否可以找到聲速與液體密度關系；有的學生思考將現有的液體黏滯系數測量儀改造為智能型的實驗儀等，這些均是很好的設計性實驗內容，可以發揮學生創新的能力和科研精神，由此達到培養人才的目的。

2　醫學物理設計性實驗內容的準備

根據學生所要做物理實驗的方向和內容，提出實驗具體題目，然后查閱資料和準備實驗器材，做好預實驗，摸索一定的實驗條件，設計具體的實驗方案，撰寫實驗目標、原理、步驟、條件計算過程等。以小組為單位選題后，遞交實驗設計方案，指導教師對設計方案進行初步論證后，學生開始實驗，實驗過程中教師各小組輪流指導。實驗完成后，以小組為單位進行實驗匯報，并提交個人撰寫的實驗論文［6］。

在使用聲速測量儀研究聲速和液體密度關系的實驗中，學生在做聲速測量實驗時，利用液體來測量聲速，有學生就在此找到了靈感，想到能不能利用聲速測量儀來測量液體密度，于是，他們就用不同的液體密度來測量聲速，由此來發現二者關系。他們實施了一定的預實驗后，就確定了實驗題目，撰寫了實驗計劃，準備好了實驗材料包括聲速測量儀、水槽，分辨率為0.1 us計時器、量筒、精度為0.1 g的電子秤等。所用試劑為上海國藥生產的氯化鈉（相對分子質量為58.44），葡萄糖粉末（相對分子質量為198.17）。做好實驗器材的準備后，注意實驗條件的探索，看看實驗與環境溫度等是否有關，設定好實驗條件和大體步驟，先測什么，再測什么，寫出1份預實驗報告。

3　醫學物理設計性實驗的實施

設計性實驗實際上就是找到實驗方法和步驟，按照步驟進行實驗，獲得數據的過程。學生在實驗中遇到了問題，很容易對實驗方案輕易放棄，或急于求助教師而不能自行思考解決問題。所以，指導教師應讓學生明確設計性實驗的步驟，根據設計好的實驗方案，開始實施實驗。由于是創新的實驗方法和內容，所以按照所想的實驗目標，需要邊根據邊修改實施實驗的過程，可能還需要根據實驗結果，反復探索實驗條件，總結經驗，提煉出實驗所涉及的物理原理和得出具體的試驗步驟，最后得出實驗結果進行分析［7-9］。

學生在做聲速與液體密度的關系實驗時，先將聲速測量儀連接好［3］，實驗發現需將發射和接收增益設定為2。將氯化鈉晶體和葡萄糖晶粉從0開始，依次加25g，直到250 g，配成不同密度的溶液，每改變一個密度，游標卡尺等距進行移動，測出聲波傳播的時間，計算出平均聲速，將實驗數據做成表格進行分析得出結論。

4　設計實驗結果的分析和總結

物理設計性實驗對結果的分析是非常重要的一步，也是對實驗后續可行性的分析。在學生反復地進行實驗后，對得到的實驗原始數據進行整理計算，得出結論，看是否符合預期目標，能否進行下一步探索，指導教師在此過程加以建議和分析，讓學生將整個實驗進行總結和交流分析，寫出完整的實驗報告，包括實驗目的、原理、內容和數據處理過程等。如果設計性實驗有創新性的發現，可以鼓勵學生繼續實驗研究，申請專利或發表論文。另外，指導教師還應以設計性實驗為例闡述文獻調研和檢索的方法，培養學生獲取資料的科研素養及良好的版權意識［10-12］。

在使用聲速測量儀研究聲速和液體密度的關系實驗中，學生得出的實驗數據分析發現：在溫度、氣壓一定的條件下，以氯化鈉溶液、葡萄糖溶液為介質傳導的超聲波聲速與密度呈良好的線性關系。實驗得出這個線性關系的具體表達式后，可以利用其求出不同聲速值所對應的液體密度值，這就為液體密度的測量提供了一種新的、簡潔的、可操作的方法。說明學生這次的設計性實驗很有意義，培養了他們的實驗技能和創新能力。

5　小　結

醫學物理設計性實驗是現在醫學物理實驗必要的補充，基礎性實驗培養了學生的動手能力，而設計性實驗培養學生的創新能力和科研精神［5］。設計性實驗從提出問題、解決問題到總結經驗均要求學生獨立完成，這樣能激發學生獨立思考和不斷探索的精神，由此還可以培養一批具有科研能力的學生繼續深造。第三軍醫大學作為軍隊院校，盡管物理實驗條件一般，作者克服各種困難在生物醫學工程專業的醫學物理實驗教學中，增加了設計性實驗的課題，學生通過自己查閱資料，制訂實驗方案，選擇儀器裝置，確定實驗步驟，最終完成實驗，寫出完整的實驗報告。并以此為契機，尋找學有余力的學生參加軍隊和重慶市的大學生物理創新競賽，制作的自動輸液器和仿真聽診教學機取得了優異的成績。實踐證明，醫學物理設計性實驗與傳統的驗證式實驗相比，在充分發揮學生主觀能動性方面，在培養學生綜合應用物理知識方面及培養學生實踐能力和創新能力方面有著不可代替的重要作用。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2016.04.050

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1009-5519（2016）04-0601-02

國家自然科學基金青年項目（11405269）。

（2015-12-29）