（课程与教学论专业论文）大学物理设计性实验教学研究.pdf

硕士学位论文 m a sf e r si h e s i s 摘要 大学物理实验是大学生系统接受科学实验方法和实验技能训练的开始，它对培 养爵素质刨新型人才具有不可替代的作用。然而，目前在我国高等院校的大学物理 实验中，仍然是以测量性、验证性物理实验为主，传统的物理实验教学模式严重制 约了创新型人才的培养，在一定程度上也滞后了我国高科技技术的发展。 本文在对近年来国内外一些大学改革物理实验教学调查的基础上，结合国内外 大学物理实验教学的实际情况，提出了在大学物理实验中开设设计性物理实验这一 举措。在对设计性物理实验教学相关教育学、心理学理论分析的基础上，对设计性 物理实验的内涵、设计性物理实验的特点、设计性物理实验的选题原则、设计性物 理实验的实旌步骤等作了详细的论述，并歹举了一些设计性物理实验教学案例，以 供大家参考。最后提出了当前设计性物理实验教学中存在的问题，这也是今后更好 地开展设计性物理实验教学应该努力改进的地方，以使设计性物理实验教学日趋完 善。 关键词：大学物理；物理实验；设计性实验；实验教学；创新 a b s t r a c t c o l l e g ep h y s i c se x p e r i m e n ti st h eb e g i n n i n go fc o l l e g es t u d e n t st ol e a r nt h em e a n s o fs c i e n t i f i ce x p e r i m e n ta n de x p e r i m e n ts k i l l ss y s t e m a t i c a l l y , w h i c hh a sa ne s s e n t i a l e f f e c t u p o nc u l t i v a t i n gs t u d e n t st o b eh i g h - e d u c a t e da n dc r e a t i v e h o w e v e r , l o t so f p h y s i c se x p e r i m e n t so r i e n tt o w a r d sm e a s u r i n ga n dv e i l f y i n ga tp r e s e n ti nc h i n a t h e t r a d i t i o n a lp h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n gp a t t e mn o to n l yb a d l yr e s t r i c t st h ec u l t i v a t i o no f s t u d e n t s c r e a t i v i t y , b u ta l s ol a gt h ed e v e l o p m e n to f h i g ht e c h n o l o g y t h ea r t i c l ew h i c hi sb a s e do ns o m er e s e n tc o l l e g es u r v e y so nt h er e f o r m a t i o na n d s i t u a t i o no f p h y s i c se x p e r i m e n tt e a c h i n gh o m ea n do v e r s e a , p u t sf o r w a r da ni d e at h a tw e s h o u l do f f e rp h y s i c sd e s i g n i n ge x p e r i m e n t si nc o l l e g e b a s e do nt h er e l a t e dt h e o r e t i c a l a n a l y s e so fe d u c a t i 0 1 1a n dp s y c h o l o g y , i tp r o v i d e ss p e c i f i ca n a l y s e so fe d u c a t i o no nt h e c o n c e p t ，c h a r a c t e r i s t i c ，p r i n c i p l e a n dp r o c e d u r eo fp h y s i c s d e s i g n i n ge x p e r i m e n t s m o r e o v e r , i tl i s t ss o m ee x a m p l e sf o rr e f e r e n c e a tt h ee n do ft h ea r t i c l e ，i tp o s e ss o m e p r o b l e m si nt h et e a c h i n g ，w h i c hi sb e n e f i c i a lf o rt h et e a c h i n g si m p r o v i n g ， k e y w o r d s ：c o l l e g ep h y s i c s ；p h y s i c se x p e r i m e n t ；d e s i g n i n ge x p e r i m e n t ； e x p e r i m e n tt e a c h i n g ；c r e a t i v i t y 硕士学位论文 m a s - f e r s1 1 h e s s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作糍：衍争魄7 年石月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 苫主，繇护日 日期： 司年6 月日 瑶z 导师签名：妒铭 日期： 口7 年g 月旷日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的规 定享受相关权益。回重趁塞逞童压进压；旦圭生；旦二：生i 旦三生筮生! 作者签名：稍百争 | 期：司年6 月3 日锄删 缸吵 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 第一章前言 1 1 物理实验教学的目的 物理学是一门以实验为基础盼科学，几乎所有的高等院校都把大学物理实验作 为理工科专业学生的一门必修基础课程。开设物理实验课有着明确的教学目的。 第一，通过对物理实验现象的观察分析和对物理量的测量，使学生进一步掌握 物理实验的基本知识、基本方法和基本技能，并能运用物理学理论、物理实验方法 研究物理现象和规律，加深对物理学理论的理解。 第二，培养和提高学生从事科学实验的素质，包括：理论联系实际和实事求是 的科学作风；严肃认真的工作态度；不怕困难、主动进取的探索精神；遵守操作规 程、爱护公共财物的优良品德；以及在实验过程中同学之间相互协作、共同探索的 合作精神。 第三，培养与提高学生科学实验的能力，包括：自学能力、动手实践能力、思 维判断能力、表达书写能力、实验设计能力。 1 2 物理实验教学的特点1 1 l 物理实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器设备，人为地控制、刨造或纯 化某种自然过程，使之按预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰因素的前提下进 行观测，以探究物理过程变化规律的一种科学活动。在实验中人们处于一种主动的 地位，可以充分发挥主观能动性，控制条件、改变客观状况和进程，使自然现象的 变化有利于得出规律性的认识。因此实验是人类发挥高度智慧的一种特殊的实践活 动。而实验教学是指借助于实验仪器、实验指导书，在教师的指导下，学生独立完 成仪器操作、现象观察、数据测量、数据分析、取得实验结果等的过程。由此可知， 实验教学具有直观性、实践性。 实验教学有助于学生掌握知识、了解实验方法、培养能力，是实现素质教育和 创新人才培养目标的重要教学环节。在整个实验过程中，学生的眼、手、脑并用， 既可以培养学生运用知识的能力、分析与综合能力以及创造性思维能力，又可以培 养学生严谨、求实的态度和不断求索的精神，同时又可以使学生享受到探索、发现 的乐趣，有利于提高学生的学习动机和兴趣。因此，实验教学帽对于理论教学更具 综合性和创造性。 总的说来，物理实验教学具有直观性、实践性、综合性和创造性。 硕士学位论文 m a s t e r sr h e s i s 1 3 物理实验教学的作用f 2 l i 3 1 1 4 1 物理实验，在物理学的产生和发展中，起着举足轻重的作用。每个物理概念的 建立、每个物理定律的发现，都有坚实的实验基础，实验在物理学的发展中有着巨 大的意义和推动作用。 物理实验课是物理教学的有机组成部分，它在引导学生深入观察各种自然现 象，建立合理的物理模型，定量研究物体各种运动的规律，分析、判断实验结果准 确性，激发学生的想象力、创造力，培养和提高学生独立开展科学研究工作的素质 和能力等方面有着其它课程无法替代的作用，因此它在物理教学中占有极其重要的 地位。特别是教育部在全国范围内进行本科教学评估以来，各个院校对物理实验课 的认识和重视程度也是前所未有的。 物理实验不仅能帮助学生形成正确的物理观念，加深对物理规律的理解，而且 是培养学生的科学素养、创新意识、创新能力的重要手段和途径。 大学物理实验是学生进入大学以后系统接受科学实验方法和实验技能训练的 开始，它在物理教学中的作用主要体现在以下几个方面： 1 , 3 1 培养学生良好的科学素养 ( 1 ) 培养学生实事求是的科学态度 物理学是- - f - j 以观察和实验为基础的学科，许多物理理论的产生都是来源于物 理实验，并且一个正确的物理理论必须经得起实验检验。“实践是检验真理的唯一 标准l 一这是物理学自诞生以来始终遵循的一条基本原则。物理实验教学对培养 学生实事求是的科学态度起到了潜移默化的作用。 ( 2 ) 培养学生严谨的科学作风 成功地完成一项物理实验，要求学生必须充分做好实验前的准备工作，认真分 析实验原理，耐心调试实验仪器，仔细观察实验现象，正确记录及处理实验数据， 悉心分析实验结果等。所有这一切都要求实验者具有认真细致的工作态度和坚忍不 拔的毅力。通过物理实验课的训练，可以培养学生严谨的科学作风。 ( 3 ) 有助于学生正确掌握科学实验方法 物理学的发展，自伽利略时代以来，就形成了完整的科学研究力法，归纳起来 有如下几个过程：现象观察、提出假设、运用数学和逻辑进行推理、实验检验、理 论形成。具体到大学物理实验课中的基本实验方法有直读法、放大法、平衡法、比 较法、转换变量法、模拟法和干涉法七大类，而物理学发展史上许多著名的实验都 2 硕士掌位论文 m a s t e r st h e s l 8 是单独或综合应用了这些方法。如迈克尔逊莫雷实验，运用的正是基本测量方法 中的光学放大法，得到了“以太漂移零结果”，从而验证了爱因斯坦狭义相对论中基 本假设的正确性。实际上每一个物理实验、每一种不同的方法均蕴含着一定的物理 模型、科学方法等思维训练素材。一个完整的实验过程一般由实验研究目的、实验 仪器选取、实验步骤的设计、实验过程的实施、实验数据的分析处理、实验结论的 获取等几个环节构成，因而通过完成一个物理实验过程，可以培养和训练学生的科 学思维方法。实验教学中教师能够通过引导学生对实验设计思想及实验资料、仪器 设备等的分析，有效地促成学生对科学实验方法的领悟。所以，实验是对学生进行 科学实验方法训练的有效途径，通过学生实验以及教师引导，可以达到培养和训练 学生掌握科学实验方法的目的。 通过物理实验教学，学生的实验技能得到了严格的训练，这为他们掌握正确的 科学实验方法，将来从事科学研究打下了很好的基础。 1 3 2 为物理理论学习提供丰富的感性材料 物理学中的很多理论是比较抽象的，学生在学习的时候通常会感觉到难以理 解，特别是低年级学生在学习物理时都有畏难情绪。如果我们在理论学习之后，通 过做相应的物理实验，给学生以丰富具体的感性认识，将理论与实践结合起来，这 样，理论学习就不会显褥那么枯燥晦涩。因此，物理实验教学有助于学生对理论知 识的消化和理解，是理论学习的有力支持和补充。 1 3 3 培养和发展学生的能力 实验能力的培养不能仅依靠教师的讲解实现，必须在具体的实践活动中才能得 到发展。通过实验的设计、实施和评价，可以使学生获得实验技术理论和实验操作 技能的训练，迸一步提高动手能力，培养实验能力。除此之外，通过实验还可以培 养学生的想象能力、思维能力等。铆如，在进行观察与实验中，需要敏锐的洞察力， 及时捕获一些重要现象，从而培养观察能力；通过设计实验、分析结果等能锻炼和 培养想象能力和分析能力；在研究原因、结果和形成概念的过程中，要进行概括、 抽象的逻辑思维和辨证思维，通过分析、比较、判断、推理等能培养逻辑思维能力； 通过想象、假设也能锻炼和发展想象能力、创造能力；在实际操作和总结交流实验 结果的过程中，还能培养组织能力、表达能力等。可见，在实验教学过程中，学生 的能力可以得到全方位的培养和发展。 1 4 大学物理实验教学的现状1 5 1 1 6 l 目前，国内高校所开设的物理实验课程主要还是沿袭了以往的一套教学模式。 这种教学模式可以使学生在模仿、重复前人的工作中受到一定的训练。这种教学模 式的特点是； ( 1 ) 实验内容陈旧 实验教学内容几乎全都是经典物理的实验内容，缺少最新科研前沿成果的内 容；并且以验证性、模拟性和纯测量性的实验为主，缺乏由学生自己设计的带有研 究性的、综合性的实验内容。 ( 2 ) 教学方式呆板 传统物理实验教学过程一般是：先由教师讲解实验目的、实验原理，为学生选 好实验仪器，并不断提醒学生实验的注意事项，在学生背熟实验步骤和注意事项等 后，再按教师或教材所述实验步骤重复实验，测量数据，验证结果。学生实验基本 属于机械性的模仿，因此很多学生傲实验时马马虎虎，应付了事。 ( 3 ) 实验教学评价方式不合理 实验成绩由平时成绩和期末考核两部分组成。这种实验评价方式的评价主体和 评价过程都比较单一，学生实验完成的好坏往往由教师一个人说了算，并且教师的 评价标准也是以实验数据结果和实验报告为主要依据，忽略了学生在实验过程中体 现的多元智力，严重挫伤了一部分学生实验的积极性，压抑了学生个性的全面发展。 ( 4 ) 实验室管理制度不完善 据资料显示，国外很多大学的实验室都是全天对学生开放的，以便学生随时进 实验室做实验。我国经济水平相对发达国家来讲比较落后，国内高校的实验室资源 相对国外大学来讲显得很匾乏，再加上实验室只有实验课时才对学生开放。这样一 来，本来就很有限的实验室资源更没有得到充分的利用。 1 5 传统物理实验教学模式的弊端5 1 1 7 传统的物理实验教学模式“以实验室为环境，以教师为中心，以现成的教材为 工具”，这种实验教学模式可使学生在模仿、重复前人的工作中受到一定的训练， 僵这种模式过于强调已有知识和技能的传授，注重韵是传统知识成果的继承和学 习，形成了一种以课堂、教师、教材为中心的教学模式，强调的是统一模式人才的 培养，不利于发挥学生的个性和创造性。随着教学改革的不断深入和社会对人才质 量要求的不断提高，传统的物理实验教学模式已不能适应这一要求。传统物理实验 教学模式在培养高素质、创新型人才方面的弊端逐渐显露出来。 4 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s ( 1 ) 不能激发学生做实验的兴趣 教材上从实验目的、实验原理、器材选择、操作步骤、注意事项等写得面面俱 到，并每次实验时教师还要花相当长的时间去讲解实验目的、实验原理然后， 学生照着现成的实验步骤动几下实验仪器，得一些数据，计算出结果，实验就算完 成了更有甚者，实验时根本不动手，只是旁观，实验结束时自己编造一些实验数 据蒙混过关。调查结果表明，这种步骤现成、结果已知、方案唯一的实验教学模式 很难引起学生的实验兴趣。 ( 2 ) 不利于学生能力的提高 在现行的实验教学模式下，学生把做实验当作一种任务来完成，测量、记录出 数据后就觉得大功告成了。这种实验教学只是对学生所学知识的验证、重复和再现。 虽然在实验教学中，不少教师也注重培养学生的发现问题、解决问题的能力，但往 往受有限的时间和单一实验教学模式的限制，效果并不佳。 ( 3 ) 不利于学生的创新能力的培养 在传统的实验教学中，教师或教材已将实验目的、实验原理、实验仪器、实验 步骤、实验数据表格及实验数据如何处理等写得十分详细，学生做实验时只需按部 就班的操作就一定能得出实验结果。很少有学生会对实验提出疑问，这种僵化的、 广播操式的教学模式在很大程度上抑制了学生的积极性和主动性，很难激发学生思 维的积极性，因而不利于学生创新意识和创新能力的培养。 1 6 物理实验教学改革趋势1 8 】1 9 l 从现代教学论的观点对大学物理实验教学模式的认识来看，这种以教师为中 心、抑制学生个性、阻碍学生能力发展的被动学习的教学模式显然是过时的，应该 被淘汰。 杨振宁在一次讲学中曾指出：“在国外，中国留学生无论在普通大学还是在一 流大学，学习成绩都是非常出色的。但中国留学生胆子小，老师没讲过的不敢想， 老师没做过的不敢做。”这说明，按照我国高校现行的实验教学模式培养的学生和 其他国家的学生相比，虽然在考试中可以名列前茅，但在实际工作中，却常常缺乏 动手能力，更缺乏独立思考和创新精神。 在科学技术飞速发展的今天，社会对人才质量的要求也越来越高，培养和造就 大批具有突出科研能力的、高素质的、创新型人才已经成为当务之急，我们按照传 统教学模式培养出来的学生已很难适应这一要求。 在一些专家和学者的推动下，许多高校对大学物理实验教学进行了一系列改 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 革，旨在建立一种适合当代科技发展、有利于培养具有深厚基础知识的仓造性人才 的教学新模式，其教学内容应反映当代教育思想和高科技成果，教学方法和手段应 改变过去的单一模式。设计性实验教学正符合现代教学论的观点，也顺应了社会对 培养高素质、创新型人才的需求。 与传统的物理实验教学模式相比，设计性物理实验教学有如下优势： ( 1 ) 教学内容新颖 通过开展设计性物理实验教学，一些高校在实验教学内容上趋向于压缩部分基 础性实验内容，即减少一些测量性、验证性的实验内容，而适当增加一部分以培养 学生探索和研究能力为主的能够反映当代教育理念和高科技成果的设计性、研究 性、综合性实验内容。 从国外一些大学的物理实验教学改革情况来看，同样有缩短基础物理实验内 容、调整和增加设计性、应用性实验内容的趋势。 ( 2 ) 突出学生主体地位 在传统的实验教学中，教师是整个教学活动的主体，在教学过程中教师始终处 于中心地位而设计性实验教学改变了教师的主体地位，积极转向以学生为主体。 在设计性实验教学中，教师仅对学生的学习加以必要的引导。例如对于以简单仪器 的使用、操作技能培训为目的的实验，可以对学生开放实验室，学生可进入开放性 实验室随时动手操作；对综合设计性实验，教师提供知识范围和仪器设备，学生自 己查阅资料，自行设计实验方案，完成设计性实验。在设计性实验中，学生的主体 地位真正得以体现。 ( 3 ) 促进学生个性发展 设计性实验教学是一种以学生为主体、教师为主导，以学生自主的学习活动为 基础的较新的物理实验教学模式。这种实验教学模式不仅做到了时间上、仪器设备 上的开放，更重要的是傲到了实验内容上的开放，有利于因材旌教。同时设计性实 验的方案往往并不唯一确定，不同的学生可以采用不同的途径和方法，设计出不同 的实验方案，有利于学生的个性发展。 6 硕士擘位论文 m a s t e r s t h e 8 1 5 第二章设计性物理实验概述 2 1 设计性物理实验的内涵f l o l 目前对设计性物理实验尚没有明确的定义，综合各种表述，我们可以得出设计 性物理实验下面的定义： 设计性物理实验是指学生在学习了一定的物理学基本理论，掌握了一些必要的 物理实验技能的基础上，针对某给定的实验题目或实验要求，为完成某一实验任 务而进行的自行设计实验原理、自己选择( 或组装) 实验仪器、自己制定实验方法 和步骤的，带有科学探索与研究、设计与创新性质的实验。 设计性实验是最近几年实验教改中涌现出来的新的实验类型，它是一种介于基 本教学实验和实际科学实验之闻的、较高层次的、类科研的实验训练。它是指学生 在教师的指导下，根据给定的实验目的和实验条件，自行查阅资料，自己设计实验 方案，选择实验器材，组装实验设备，拟定实验程序，加以实现并对结果进等分析 处理的实验。与常规实验相比，其要求和目的也发生了根本性的变化。这类实验的 开设，打破了传统实验固定的教学模式，学生由被动学习转变为主动学习，学习的 积极性得到了有效调动。同时，由于设计性实验的方案往往并不是唯一确定，不同 学生可以采用不同的途径和方法，设计不同的实验方案以达到同样的实验目的，因 此在设计性实验过程中，学生有更强的自由性，具有更广阔的创造空间，学生的独 立思维、才智、个性得到充分展现和发挥。设计性实验改变了干人一面的教学模式， 有利于创新型人才的培养。 由于设计性物理实验弥补了传统实验的种种弊端，适应了社会对培养高素质、 创新型人才的需要，所以它已经成为实验教学改革中创新的重点。 2 2 设计性物理实验的特点n 1 1 2 1 1 1 3 l 设计性物理实验在客观上给学习者创造了一种促使学习者把强烈的自我发展 意识转化为自身努力获取知识和提高能力的实际行为，学习者积极发挥自己的主观 能动性和聪明才智思考所遇到的问题，突破常规思维限制，创造性地提出解决的方 案，并反复再三，才可以完成实验。这样的实验，对学生的动手能力，研究能力， 特别是创新能力的培养是有积极作用的。总的来讲，设计性实验有以下几个主要特 点： 硕士擘住论文 m a 8 t e r st h e s i s ( 1 ) 主体性 设计性物理实验一个很重要的特点就是以学生为主体，需要每个学生充分发挥 其自身的聪明才智和主观能动性去解决问题而完成整个实验。与传统的从实验原 理、实验方法到实验仪器、实验步骤全都由教师设计的物理实验相比，学生有更多 自我空间，有较强的主体意识。 整个设计性实验过程，始终体现了以学生为中心的原则，充分认识到学生是认 知的主体。学生在设计性物理实验实施过程中的时空比较宽松，进出实验室不受时 间的限制，对于实验场地、仪器装备也有较大的选择余地，学生可以努力构造自主 的学习环境。设计性物理实验的实施，充分体现了学生的自主设计、自主实施、自 主发挥、自主分析实验过程中不断出现的新情况、新问题，客观上创造了一种促 使学生把强烈的自我意识转化成自身努力获取知识和提高能力的实际行为，学生自 身建构知识和发展能力的行为促进了学生个性的全面发展和潜能的充分发挥，对智 力的开发有重要的整合作用。 ( 2 ) 探索性 大学物理中的基础物理实验部分都有相应的讲义或教材，里面详细地介绍了实 验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤等。这种实验可操作性强，实验的具体过 程较为明确，对训练学生掌握基本的实验操作能力，掌握基本的物理实验测量手段 和方法有较好的效果。而设计性物理实验则大不相同，在设计性实验中，教师仅提 出任务和要求，然后提出一系列的问题。学生则要根据教师所提出的任务与要求， 探索实验所涉及的诸多方面。例如，实验原理的探究、实验方案的形成、最佳测量 方法的选取、实验仪器的选择、实验条件的选择以及实验步骤的逐步修改、形成等。 这整个过程是一个不断提出问题、解决问题的过程，学习者需要不断地探索和加工 记忆中的信息，积极地进行严密而有序的推理和判断。 ( 3 ) 综合性 设计性物理实验是在学生完成了基础物理实验课程的学习，在学生己经具备了 一定的物理理论知识和基本的物理实验技能的基础上进行的设计性物理实验的题 目具有一定的综合性，学生要综合应用所学的理论知识和实验技能才能完成实验的 全过程。有利于培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。 ( 4 ) 创造性 创造性是设计性物理实验所体现的一个很重要的特征。设计性实验的完成，要 求学生大胆假设、多方求异、突破传统思维束缚，创造性地提出解决问题的方法和 途径。无论是实验原理的分析、实验方法的策划，还是实验仪器的选择、实验步骤 硕士学位论文 m a s t e r l st h e s i s 的制定，都需要学生有一定的创新精神。在设计性实验中，我们选择某个内容可能 是基于多方面的考虑，比如说实验原理的设计、实验仪器的设计、实验测量的创新 等，这些都要求学生能沿着不同的方向去选取与重组信息，不墨守成规，多方寻求 变异，从多方面寻求设计实验的方法与途径。实际上，构思和设计实验的过程，就 是思维不断“发散聚合”的过程。0 理学研究表明，经过从发散思维到集中思维，再 从集中思维到发散思维的多次循环，就是一个创造性活动的全过程。由此可见，设 计性实验的过程中充分体现了对学生创造性思维的培养。 2 3 设计性物理实验教学的意义1 1 4 1 1 1 5 1 高等教育的目的并非在于简单的知识传授，而在于培养学生自主探索学习的能 力、刨新精神和实践能力以及他们的科研意识以问题式学习为基础的设计性实验 教学，正体现了这样的目的。通过开设设计性实验，可以让学生参与到实际问题的 解决过程之中，学生通过查阅资料，自我引导学习和小组协作学习，体验科研过程， 培养科研意识。在物理实验教学中开设设计性物理实验具有如下重要意义。 2 3 1 完善物理实验的功能 设计性物理实验作为物理实验的一种新形式，弥补了传统的测量性、验证性实 验的不足，进一步完善了物理实验教学的功能，尤其在培养学生科学素养、逻辑思 维能力以及创新能力等方面具有不可忽视的重要作用。学生选择了设计性物理实验 课题后。必须对课题的背景作深刻的了解，因此学生要复习已学过盼知识，并查阅 相关资料，自学有关知识，熟悉有关实验器材的名称、用途、主要的构造以及如何 进行正确的测量，从而使原有的知识和技能得到巩固和提高。 2 3 2 促进学生的发展 ( 1 ) 开设设计性物理实验，大大调动了学生做实验的积极性和主动性。在设 计性物理实验教学中，学生表现得十分踊跃，热情很高。实验教学由“要我做”变为“我 要做”。教学中心由以教师为主体变为学生为主体。调查中有的学生说道：“增加设 计性实验是一个非常好的举措，它可以使人感到一种挑战性，从而激发人的兴趣， 发挥人的主观能动性，完成以后，给人一种成就感，增强人的自信心。” ( 2 ) 培养学生的创造性思维，增强理论联系实际的能力、独立工作能力和创 新能力。设计性物理实验中有很多闯题需要解决，追使学生发挥其聪明才智，独立 地运用所学的知识分析问题和解决问题，使学生的创造能力得以发挥。 ( 3 ) 设计性实验为后续的专业实验以及毕业论文工作奠定了良好的基础。通 9 过设计性物理实验的锻炼，学生的实验技能得到了明显的提高，在设计性物理实验 中，学生要查阅许多的参考资料，并且撰写实验报告或科研论文，这为学生后续的 专业实验和撰写毕业论文奠定了良好的基础。 ( 4 ) 设计性物理实验主要以小组形式开展研究活动，有助于培养学生的合作 意识，团队意识，也有助于学生关注社会、了解社会，提升学生的社会责任感。 2 3 3 促进教师的提高 设计性物理实验课程的开设也给教师提出了新的挑战，这种挑战一方面促进教 师的教学观念发生改变，另一方面也促进了教师自身素质的提高，主要体现在以下 几个方面。 ( 1 ) 促进教师形成新的人才观 长期以来，一元化的以学习成绩为依据的评价标准，不仅造成了人才在培养上 的严重“失根现象”，也导致教师的人才观上产生严重偏差。设计性物理实验课程给 学生提供了展现才能的广阔的空间和渠道。在教学中，一些平时学科成绩平平或较 差的学生，在课题研究中崭露头角。教师应从多元化的角度评价学生，发现学生的 才能，从而更加客观、全面、科学地评价学生。 ( 2 ) 建立新型的平等的师生关系 设计性实验作为一种新的实验教学模式，要求教师要转变观念，突出以学生为 本的教学理念。在设计性物理实验中，学生是主体，教学过程以学生自主开展为主 要内容。教师的任务是服务、指导和管理，是为学生提供主题或有关背景资料。教 师的指导要顺着学生的思路，帮助学生解决困难；教师的管理是进行协调、督促、 组织交流和进行评价。这种师生关系是一种新型的平等的师生关系，在设计性实验 中真正实现了师生平等的地位。 ( 3 ) 促进教师综合素质的提升 在设计性实验教学中，教师既是指导者、参与者、组织者，同时也必然是学习 者和研究者。教师要有效地开展设计性实验教学，他自身必须要具有扎实的本学科 知识功底，同时要具备相关学科的基本技能和知识。所以在设计性实验教学中教师 也是学习者，这在一定程度上也提高了教师的综合素质。 2 4 设计性物理实验的分类i l 6 i 2 4 1 针对原理的设计性实验 对某一物理量的测量或对某一定律的验证进行实验的设计，对同一个测量目的 i o 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 可采用或依照不同的原理进行设计，原理设计性实验是操作设计性实验的基础，若 条件许可而且设计合理可也转化为操作性设计实验，这种原理设计性实验通常只给 出采用何种原理来测量物理量或验证物理规律，甚至是一种设想，没有仪器范围的 限制，学生有很大的思考余地和选择范围。譬如对重力加速度的测定，就可以依据 以下几个原理来进行设计： ( 1 ) 从运动学的角度进行设计，如自由落体运动； ( 2 ) 从动力学角度进行设计，如气垫导轨上滑块的运动； ( 3 ) 利用与g 有关的物理公式进行设计，如单摆、复摆、圆锥摆等。 2 4 2 针对实验方法的设计性实验 物理实验思想的形成和实验方法的设计，是大学物理实验教学的核心。依据同 一原理而采用不同的实验方法来进行物理实验设计，能极大地提高学生发散思维的 能力，培养其丰富的想象力及创造力。譬如依据斯托克斯定律测液体的粘滞系数， 可设计出不同的实验方法。现有的物理实验教材中分别介绍了落球法、毛细管法、 旋转圆筒法，现在还不断有新的实验方法设计出来。确定了测量的基本原理后，其 实验方法是在碰到不断涌现出来的需要解决的问题后，通过积极的思维并采取相应 的手段和对策予以解决中逐渐形成的。 2 4 3 针对仪器装置的设计性实验 实验思想的贯彻和实验目的的达到，都是通过实验仪器装置得以实现的。所以， 仪器装置的设计是设计性物理实验重要而关键的环节，对实验仪器装置的改进与创 新一直是设计性物理实验的重要内容。可以说有些物理实验的设计过程，就是探寻 和组装恰当而可行的仪器装置的过程。譬如电磁学中对电阻的测量，就其实质而言， 就是针对不同的情况和精度要求，而设计出不同的仪器装置来进行测量的过程。测 量电阻最简单的方法就是用伏安法，但无论是外接法还是内接法都存在较大的误 差，于是在原先外接法的基础上，通过改进设计出一个“没有电流通过而能测出电 压”的电压表，那便是惠斯通电桥。如若要对低电阻进行精确的测量昵? 那还得对 惠斯通电桥进行设计和改进，想方设法减少线路，开尔文双臂电桥便是基于此思想 对惠斯通电桥进行装置上的设计改进而产生的。 2 4 4 针对实验目的的设计性实验 实验的目的是实验的指令和方向，目的的变化会导致实验仪器的选择、实验技 能的创新和实验步骤的变化。继承和发展、传统与创新，这是一对永恒的矛盾，又 硕士学位论文 m a s t e r st 硅e s i s 是一个永恒的课题。针对目的的设计性实验就是对大学物理实验中己有的实验进行 目的上的创新，抛开原有的实验的目的和要求，另辟蹊径找寻恰当途径去达到另外 一种目的，是在原有实验基础上的拓展，所以又叫拓展型设计性实验。它既包含了 已有实验的理论和方法，又要求学生在此基础上进行变通和创新。拓展型设计性物 理实验的教学，就是在考虑学生原有认知水平的前提下，创设能使多数学生通过自 身努力而能进行仓新的教学情景，它能极大地激发学生探索仓4 新的动机，在引导学 生探索过程中渗透新的实验理论和方法，使多数学生都能取得仓4 新成果。针对目的 的拓展型设计性实验的明显特点是：教师在原有实验的基础上，通过改变原有实验 目的和要求来提出新的课题，要求学生利用原有的实验仪器，适当增加新的仪器， 对原有的实验进行创新、改进设计，确立并完成新实验课题的实验方案，从而培养 学生改进原有实验和设计新实验的创新能力。改变原有的实验目的和要求可以从以 下几个方面来进行：把原来的验证性实验变为测量性实验；把原来的测量性实 验变为验证性实验；把原来测量某一物理量的测量性实验变为测量另一物理量的 测量性实验；改变实验处理要求( 如将线性回归法处改为用图像法处理) ；改变 实验测量精度要求。 2 4 5 基于数据处理的设计性实验 物理实验中经常碰到这样的情况，在测量的过程中存在的系统误差是恒定的， 是可以预知的，但却很难直接修正。在进行相应的实验设计的过程中，就要考虑系 统误差可能对实验结果带来的影响，这时的实验设计就要基于数据处理而削减恒定 的系统误差而进行，数据的获得和处理就显得尤为重要。比如自由落体运动中释放 点到任一点的高度的测量，单摆的悬挂点到摆球的球心的距离的测量等，因起点和 终点难于找到和确定，从而会带来较大的系统误差但可找多个数据点求出其各次 的差而进行数据处理。还有弹簧振子的有效质量、刚体的轴套的摩擦力矩等，都是 很难测准的量。但可以通过多次测量，用作图法进行数据处理，从而避开对此物理 量的测量。基于这种数据处理而进行设计，从而可以削减恒定的系统误差，实验精 确度可进一步提高。 2 5 设计性物理实验教学开展情况1 1 7 】1 1 洲i i9 1 1 2 0 1 1 2 1 f 2 2 h 2 3 l 以往的基础性物理实验课程内容多以验证性实验为主，学生容易养成重模仿轻 研究的实验模式，缺乏一定的独立思考和解决闻题的能力，尤其使学生的个性发展 上受到制约，所以有必要适当削减一部分验证性实验内容，而开设具有层次上可变 化、内容上可拓展、方案不唯一的设计性实验课程。 当前，国内很多综合性及理工科大学都在设法开设设计性实验的课程。从国外 大学物理实验教学模式来看，同样有缩短基础物理实验的内容，不断调整和增加设 计性实验内容的趋势。 设计性物理实验是一种能够培养学生综合应用物理知识并体现学生戗新能力 的很好的实验形式。好的设计性实验，不仅可以培养和检验学生应用理论知识、掌 握实验原理、选择与操作仪器、确定测量条件等方面的能力，也能给学生一个较宽 阔的思考空问和选择余地，让学生可以发挥自己的想象力和创造力，使他们的仓口新 意识与创新能力受到启发与锻炼。所以在物理实验教学中开设设计性实验内容，可 以培养学生的逻辑思维能力、想象力与综合应用物理知识的能力。 2 5 1 国外情况 德国作为曾经的科学中心，它也是量子论、相对论的诞生地。德国大学就十分 重视物理实验教学，所开设的物理实验课偏重于设计性实验。教材中一般不给出实 验如何进行，而只是提出问题，学生要完成实验，就必须自己去图书馆或上网找参 考书通过查阅资料，自己设计实验方案，包括分析实验原理、选择实验仪器和制 定实验操作步骤等等。实验所用的仪器大多不是现成的，而是由学生自己设计组装 的，再秘用自己组装的实验仪器进行测量。比如几何光学实验中，我们是用现成的 显微镜和望远镜测量它们的放大倍数和分辨本领，并与标示值相比较，而他们的实 验室只有几块透镜，学生需要利用所学知识和所查资料，自己先组装显微镜和望远 镜，然后测量它们的放大倍数和分辨本领，再与计算结果相比较。显然他们完成实 验的难度较大，但这种设计性实验对学生动手能力的培养却有很好的效果。 英国曼彻斯特理工大学对实验课教学也相当重视。学校在开实验课之前，先上 一些辅助实验的课程，如“物理计算”、“数值分析的统计”、“近似方法”、“技能”等 课，这些课程都是围绕实验课开设的。从大一开始，物理系的学生就做设计性实验， 比如他们开设有“装配并测试一台望远镜”、“利用风洞来研究机翼的几何形状”、“磁 陀螺悬浮问题的研究”等等。在这些实验中，教师只做一些适当的提示，不提供现 成的实验方案，而由学生分组来完成实验任务。在设计中，小组成员分工协作，搜 集各种有用资料，一起分析，讨论实验所遇到的问题，寻找解决问题的办法，最后 取得一致意见。在实验过程中，他们会发挥各自的专长，做好实验的测量、记录、 数据整理、论文的书写等。大一、大二学生的设计性实验都是参与到教师的科研中， 使学生逐步适应独立的科学实验工作。 硕士擘位论文 m a s t e r 。st h e s i s 2 5 2 国内情况 近年来，国内不少高校相继针对商年级学生开设了一定的设计性实验，给一部 分能力较强、要求较高的学生得以提高和发展的机会。 复旦大学对物理设计性实验相当重视，因此复旦大学也走在国内高校物理实验 教学改革的前列。他们对低年级和高年级学生设置不两类型的设计性实验，所用的 设计性实验，教材中没有实验步骤，只有实验研究课题：没有实验原理，只有一系 列的问题。同时教材中歹| j 出了相关的必读与选读参考书，学生必须自己查阕参考书， 只有回答了教材中的问题后，才能设计并进行相关的实验。对低年级学生在做常规 实验的同时插入了设计性实验，让基础较好的学有余力的优秀学生傲这些设计性实 验；对于高年级学生他们开设了一门选修课叫做“设计性研究性实验”，要求学生在 一个学期的学习中，完成1 2 个课题。学生通过自己调研和查阅资料，自己设计实 验，装配和调试实验装置，直至完成课题。在设计性实验教学的全过程中，教师设 法让学生把所学到的知识和技能有创造性地应用在实验的课题中，并进一步得至巩 固和提高。学生的设计性课题都以论文的形式书写，并进行正规的答辩。 浙江大学的物理实验教学中开设有“小课题实验”，主要是设计性实验。实验采 取教师、学生与课题二位一体相结合的方法。具体实施过程是，首先由学生选择所 研究与开发的课题，课题可以自己选定，也可以在指导教师所列的题目中选取。教 师为学生提供仪器、资料等，完成时间一般为一个学期。在完成课题的全过程中， 学生随时可以得到教师的帮助，教师必须指导好学生以完成课题，最后学生须拿出 研究成果，并写出科研论文。 北京交大在推行大学物理课程体系改革的同时，全面改革了大学物理实验教学 模式，核心就是变原来的解释性实验为设计性实验，让学生在亲自参与和动手设计 中训练实际动手能力和数据分析能力。 中南大学以培养学生的综合实践能力和创新意识为指导，强化现代物理知识的 学习和现代测试手段的应用，建立了以培养三基”为基础，以创新能力培养为主线， 以综合设计性实验为主体，“五个层次”的物理实验课程新体系。 我院于2 0 0 5 年在物理实验中增设了综合设计性实验，开设的对象是大学四年 级优秀本科生。到目前为止，己经有三届学生接受过此类训练。实验内容有硬磁薄 膜的制备及磁特性测量研究、材料微观结构分析、光谱与激光技术实验、碳纳米管 的合成及表征、纳米氧化锌压敏陶瓷制备研究、扫描探针显微技术。通过设计性物 理实验的训练，学生的实验能力得到了显著的提高，受到了师生的一致好评。 1 4 2 6 设计性物理实验教学的理论基础让1 | 2 4 1 | 2 5 1 1 2 6 1 | 1 1 2 s i 2 6 - 1 杜威的教育理论 杜威是美国划时代的教育家，他所提出的教育理论在世界范围内产生了广泛的 影响。 杜威从社会角度观察教育，他认为教育的职能就是延续社会生命，b 口教育能传 递人类世代积累的经验，丰富人类经验的内容，增强经验指导生活和适应社会的能 力，从而维系和发展社会生活。不管正规教育还是非正规教育，实际上都在进行经 验的改造。由于改造经验必须与生活密切结合，因此杜威简明扼要地提出“教育即 生活”、“教育即生长”杜威认为生活和经验是教育的灵魂，离开了生活和经验就没 有生长，也就没有教育。 杜威以教育即“生活”、“生长”和“经验改造”的理论为基础，提出“从做中学”的 教学论思想。传统观念认为教学就是传授知识，然而杜威认为学生从教师口中被动 听来的知识不是真正的知识，这种教学方法只能抑制学生的活力和阻碍学生创造才 能的发展。因此，教学不应直接注入知识，而应诱导学生全身心地参加活动，在活 动中以迂回的方式无意识地获取经验和知识，于是就应“从做中学”。做是根本，是 学生学习知识的媒介。 在大学物理教学中开展设计性物理实验，可以以杜威的相关教育理论为基础。 比如在设计性实验中，改变学生被动接受知识的地位，让学生根据自己的兴趣和需 要，主动地、自觉地去探索知识。教师也并非知识的灌输者，而是学生成长和经验 改造的启发者和指导者。 2 6 2 布鲁纳的认知结构学习理论 布鲁纳的认知结构学习理论的基本观点可以概括为：在学生学习过程中，为学生 提供信息是必要的，但是掌握这些信息本身并不是学习的最终目的，学习应该超越 所给的信息。学生的心智发展遵循他自己特有的认识程序，教学就是帮助或形成学 生的智慧或认知的生长。布鲁纳提倡发现学习法，强调学生的学习过程。 在教学过程中，学生是一个主动的积极的知识探究者，教师的作用是要形成一 种学生能够独立探究的情景，而不是提供现成的知识。发现学习法还强调学生内在 动机，与其让学生把同学之间的竞争作为主要动机，不如让学生向自己的能力提出 挑战，形成学生的能力动机，使学生有种寻求才能的内驱力。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l 8 2 6 3 皮亚杰的建构主义学习理论 建构主义是一种学习的哲学。作为认知主义学习理论的一个重要分支，建构主 义理论包含了一系列对于知识、学生、学习活动与学习环境等方面的基本观点。