（课程与教学论专业论文）高师物理设计性实验教学的研究与思考.pdf

摘要 科学技术的高速发展对人的创新能力要求越来越高，加强学生创新能力的培养已成 为当前高师院校教育改革中的重要任务。然而，长期以来，基础物理实验教学模式单一、 教学内容陈旧。教师指出实验的目的要求、阐明实验的基本原理、描述实验的仪器设备、 介绍实验方法和实验步骤，并指明实验中的注意事项。实践已经证明，这种千篇一律的 教学方式在一定程度上限制了学生的主动性和积极性，对于学生的动手能力、创新能力 的培养是远远不够的。新世纪对大学教育提出了更高的要求，设计性物理实验做为课程 改革的一种新的方式已经慢慢渗透到高师院校中。通过设计性实验教学，学生能深入理 解物理原理，提高探索创新能力，从而更大地发挥实验的教育功能。 本文共分为六个部分： 第一部分，在论文的引言中，简单介绍了实验教学中存在的问题，阐述了课题研究 的背景以及研究现状，并说明了课题的研究方法与思路； 第二部分，从理论上对设计性物理实验教学进行分析，包括设计性实验教学的内涵、 类型、特点，并结合心理学中的认知主义、人本主义、建构主义等学习理论对设计性实 验教学进行了探讨； 第三部分，通过对物理设计性实验教学的调查分析，从实践层面探讨设计性实验教 学中存在的优点和不足之处： 第四部分，着重研究了物理设计性实验的教学模式，对教学模式、物理设计性实验 的教学模式进行了释义，介绍了该模式的构建原则，重点探讨了设计性实验教学的模式， 对实验教学的相关程序做了分析； 第五部分，提出了优化物理设计性实验教学的途径与策略； 第六部分，对本文进行总结，展望了物理设计性实验教学的前景。 关键词：高师院校；设计性实验教学；教学改革；教学模式 独创性声明 本人郑重声明：所提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 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 名l d 学位论文作者签名：堑之丛日期：2 盟星、笸、兰 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：被 日 期：五星、占、y 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：赴邋 日 期：丝! 圣：i ：羔 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 一、引言 科学技术的迅速发展和社会文明的不断进步，人们对教育的指导思想、方法、手段 和目的的认识都在与时俱进，这对传统的高等教育人才培养模式提出了挑战，高等学校 的教学应该由传统的致力于传授知识向传授知识与发展能力、提高素质转变，以培养具 有开拓精神和创新能力的高素养人才。传统的物理学科曾对2 0 世纪的社会发展起到了 根本性的作用，其作为基础学科仍在不断地影响着当今社会的变革，并对其它学科的产 生和发展起到了有力的推动作用，但同时又受到新学科和当今社会新科技快速发展的挑 战和冲击。 国务院在关于深化教育改革，从而推进素质教育的决定中指出：“加强课程的 综合性和实践性，重视实验课教学，培养学生的实际操作能力。 这就要求我们在今后 的教学实践中，必须从“重理论，轻实践，重灌输，轻启发 的观念中彻底转变过来， 把培养学生的创新素质作为实验教学的根本目的。 ( 一) 问题提出 物理学是一门以实验为基础的学科，长期以来，大学基础物理实验的教学模式比较 单一、教学内容比较陈旧、教学方法比较落后。实验内容基本上是验证性和测量性的， 缺少一些由学生自己设计并带有研究性的内容。这种千篇一律的实验教学内容和方式在 一定程度上限制了即将走出高师的学生( 未来的中学教师) 的学习主动性与积极性的发 挥，难以激发他们独立思考的兴趣和激情，因而不利于创新人才的培养。 2 0 0 1 年7 月教育部颁布了全同制义务教育物理课程标准( 实验稿) ，标准要 求学生“尝试考虑影响问题的主要因素，有控制变量的意识 、“认识制定计划与设计实 验在科学探究中的作用、“经历制定计划与设计实验的过程 ，并给出了具体的实施建 议。在此基础上，2 0 0 3 年4 月教育部又制定了普通高中物理课程标准( 实验) ，该标 准要求学生“能根据实验目的，设计并讨论实验方案，确定科学、合理的实验步骤”、 “能根据实验要求合理选择并安装实验器材，正确进行实验操作”、“能够对实验方案和 实验结果进行评估与反思，具有对结果进行质疑、改进方案的意识”。粤从以上可以看出 基础物理课程标准对学生实验设计能力的要求日益提高。而且，在近年来的高考物理试 卷中，实验设计题几乎成了必考的内容，可见高考考查学生物理实验设计能力已成趋势。 然而，当前高中学生物理实验设计能力却不尽人意。学生实验设计能力水平不高，教师 难词其责。因此，在高师物理实验中进行设计性物理实验教学，切实提高高师学生的设 计性实验能力是对未来中学教师的一个必然要求。 伞同制义务教育物理课程标准( 实验稿) s 北京：北京师范大学出版社，2 0 0 1 普通高中物理课程标准( 实验稿) s 北京：人民教育出版社，2 0 0 3 1 东北师范大学硕士学位论文 在高师物理实验教学课程改革中，设计性实验作为其中的重要环节，是最值得关注 的方面之一。设计性实验教学就是学生在教师的指导下，根据给定的实验目的和实验条 件，自己设计实验方案，选择实验器材、拟定实验程序，自己加以实现并对结果进行分 析处理的实验。应对新一轮课程改革，如何在高师院校中更好地发挥设计性实验的功效， 培养高师学生的探索创新能力，是一个值得研究的课题。 ( 二) 研究背景 联合国教科文组织在其学会生存的报告中指出：“人们对付当今世界性问题和 挑战的能力，归根到底取决于人们能够激发和调动的创造力的潜力。”哈佛大学前校长 陆登庭在北京大学演讲时也指出：“在迈向新世纪的过程中，一种最好的教育就是有利 于人们具有创新性，使人们变得更善于思考，更有追求的理想和洞察力，成为更完善、 更成功的人。”社会的发展要求创新；新一轮的课程改革对教育工作者提出了新的要求， 在教学活动中采取科学的、艺术的、。创新性的教学方法和手段，开发学生的创新潜能， 培养创新意识、创新精神和创新能力，启迪学生的创新思维，塑造学生的创新品格，正 是每个教师的神圣职责。物理是一门以实验为基础的学科，物理学史上的重大发明创造 都与设计性实验密切相关，设计性实验在高校的教学中已经越来越受重视。 近年来，国内不少高校相继开设了一定的选题性实验、综合性实验和设计性、研究 性实验的内容，给一部分能力较强、要求较高的学生得以施展想象力和培养动手、动脑 和创新发展的机会。例如，复旦大学物理教学实验中心近年来积极改革实验内容。大力 引进新技术、推出新实验。使基础实验紧跟时代发展而不断更新，取得了一定效果。首 都师范大学删除了一些内容陈旧对培养学生能力作用不大的题目，将原来的力、热、光、 电磁三个学期的实验整合为预备性、基础性、基础应用和综合设计性实验这四个阶段。 浙江大学的“3 + 1 课程体系也比较新颖，它把所有的物理实验按照由易到难，由浅入 深，从低到高的原则，根据实验内容的基础性、难易程度与学生的知识水平和各专业的 培养目标划分成a ，b ，c 三大类，再增加一些与物理实验相关的课题归成小课题研究与开 发类。 继2 0 0 6 年教育部首批公布的1 1 所物理类国家实验教学示范中心后，2 0 0 7 年1 1 月 2 7 日，教育部又公布了2 0 0 7 年度国家级实验教学示范中心，其中物理类的有中南大学、 武汉大学、复旦大学、西南交通大学、吉林大学、中山大学、苏州大学、福建师范大学、 河北工业大学、大连大学、浙江工业大学。实验教学示范中心是实验教学改革的优秀成 果，它以高素质的专门实验师资队伍和先进优良的设备为基础，采用科学规范的管理体 系，以培养学生能力为核心、结合最新科研实践成果，以分层次建设的实验课程体系为 蓝本而建设的高标准教学实验室。实验教学强调以学生为中心，采取自主、合作、研究 开放的学习方法启发学生学习，从而达到逐步培养学生的创新意识和解决问题的能力的 效果。 总的来说，为加强创新意识和实践能力的培养，大多数高校大学物理实验的内容均 2 东北师范大学硕士学位论文 包含设计性物理实验，且设计性物理实验在大学物理实验内容中所占的比例呈上升趋 势。这些改革取得了一定的成果，有很多值得我们借鉴的经验。由于各高校各自实际情 况不同，都是根据自身实际可能进行改革。因此对于一些一般本科院校来说，由于资金、 师资、生源等多方原因，实验教学改革起步较晚，步伐也较慢，实验教学内容仍较陈旧， 教学手段较落后，验证性实验比重偏重，综合性、设计性实验偏少，这种状况不利于学 生能力的发展，与当代素质教育理念很不相符。因此，如何在实验教学工作中培养学生 的科学素养、提高学生的实践能力仍值得我们去探讨。 ( 三) 研究现状 实验教学的研究作为科学教育的一个重要分支历来被科学教育专家，科学教育研究 机构所重视。加州大学的l e i 曲m mh a e f n e r 和c 矾az e m b a l s a u l 对科学实验教学研究 划分为三个阶段，第一个阶段是分立阶段( i s o l a t i o nc o n t e x t ) ，从1 8 世纪末到1 9 世纪中 叶，实验教育简单的分为演示实验和学生实验。这个阶段的心理学理论是行为主义心理 学，注重人的行为的结果而忽略行为发生的心理过程，用“刺激一反应 来说明人的行 为发生。第二个阶段是交互作用阶段( i n t e r a c t i v ec o m e x t ) ，从1 9 世纪5 0 年代起，实验研 究融入了“信息加工观点( p r o c e s s i n gp e r s p e c t i v e ) ，“心理发展观点”( d e v e l o p m e n t a l p e r s p e c t i v e ) ，“问题解决的观点 ( p r o b l e m s 0 1 v i n gp e r s p e c t i v e ) ，使实验教学研究与最新 的心理学教育学理论结合，为更有效的指导科学教学提供方法和手段。第三个阶段是合 作阶段( p a n n e rc o n t e x t ) ，这个阶段的实验研究主要以建构主义理论( c o n s t m c t i v i s m ) 为指 导，强调创设实验情境促进学生的认识发展，在实验中特别强调促进学生自我控制和推 理能力的发展。而且这些方式首先被运用到教师的培训方面。此外还有很多实验研究和 s t s 教育，探究( i n q u i d r ) 和n o s ( n a t i j r eo f s c i e n c e ) 结合起来，其目的在于发挥实验教学 与这些理论结合的潜在价值，即通过实验来实现s t s 教育，发展学生的探究技能，使学 生了解科学的本质，当然这些研究基本方法都是采用测量、评价和统计理论，其研究具 有真实可靠性，并指出了实验教学在实现这些教育目标上具有不可替代性。 近年来国内关于实验教学的研究也不少。对于设计性实验的内涵，沈元华教授在设 计性研究性物理实验教程中将其界定为一种较高层次的实验训练，它要求学生自己查 找和阅读各种参考资料，在此基础上，根据一定的实验要求，自行选择实验仪器、设计 实验步骤、观察和记录实验现象和数据、研究实验过程中发现的种种问题，最后完成实 验。漆建军、肖化在设计性物理实验在大学生智力开发中的积极效应一文中定义的 设计性实验，就是让学生应用所学的物理知识，根据指导教师提供的实验题目或自身另 选的实验题目，自行查阅参考资料，自行设计实验方案，自选与组装实验设备，自拟实 验操作步骤，在规定的时间内完成的实验： 设计性实验的教学模式，查有梁先生在其编著的物理教学论一书中指出，实验 模式的基本教育过程是“观察实验问题讨论”，从认识论来看，实验模式 陈权高师探究性物理实验的教学设计与实践【d 】：硕士学位论文金华：浙江师范大学课程与教学论，2 0 0 6 3 东北师范大学硕士学位论文 应当包容感知模式、游戏模式、具体模式、形式模式、直觉模式等。因为，实验模式本 身也有一个由低级阶段向高级阶段发展的必要。胡森在其硕士学位论文大学物理综合 性、设计性实验问题研究中总结综合性、设计性实验的教学模式“新主要体现在实 验教学组织形式的多样性；实验场地、设备、时间的开放性、实验评价方式的创新性。 关于设计性实验教学的意义，郭立群等在对设计性实验的讨论和体会中总结为 好的设计性实验，可以培养和检验学生应用理论知识、掌握实验原理、正确选择与操作 仪器、确定测量条件等方面的能力能给学生一个较宽阔的思考空间和选择余地，可以发 挥他们各自的思维与想象力，使学生的创新意识和综合能力受到启发与锻炼，可以培养 学生坚韧不拔的意志品质、实事求是的科学态度、相互帮助的协作精神。在其硕士论文 大学物理研究性实验教学体系的构建中指出研究性实验是学生获取直接知识的渠 道，有利于扩大知识面和提高师资水平。 可以看出，我国的实验教学研究也取得了定的成果。但事实上融入先进的心理学 理论和教育学理论的研究成果并不多，而且研究很少运用科学的研究方法，所提出的教 学原则往往缺少心理学、统计学上的意义，很难在实际教学中推广，缺乏普遍的指导意 义。 ( 四) 研究的方法与思路 1 问题研究的基本方法 ( 1 ) 文献查阅法：这是本课题采用的最主要的研究方法。通过阅读大量国内外文 献，其中有专家学者等发表的相关论文，也有教育学心理学和实验等方面的专著，从中 国期刊全文数据库、中国优秀硕士论文全文数据库、e b s c o 电子期刊数据库、p r o q u e s t 等数据库以及相应的中英文期刊中进行文献检索，从所查文献中归纳出与课题相关的研 究。 ( 2 ) 调查访谈法：以调查问卷和访谈的形式调查高师学生对设计性实验的认识、 对实验教学所持的态度以及设计性实验教学的具体效果。来自问卷调查的大量内容经过 利用专业软件的数据分析方法作出数据分析，为优化物理设计性实验教学提供了依据。 ( 3 ) 课堂观察法：通过深入实验室对学生实验进行观察，从中发现学生对实验的 情感、态度、价值观，总结出设计性实验教学中存在的问题及解决的方法。 ( 4 ) 实验法：运用实验法，设计物理实验方案，深入实验室进行动手操作，体验 设计性实验的过程，从中发现设计性实验教学中的相关问题。 2 研究思路与框架 本研究在分析研究了有关物理设计性实验的相关理论的基础上，力图结合高师院校 物理实验的特点，采用质化和量化结合的方式，通过在实验室的调查研究，建立一种受 师生欢迎的设计性物理实验教学体系。研究的关键问题是对物理设计性实验的相关程序 进行分析，设计针对性强的调查研究要点，并亲手去做实验，以建立有利于学生发展的 教学模式，优化物理设计性实验教学。 4 东北师范大学硕士学位论文 本文从有关物理设计性实验教学的理论入手，研究设计性教学的内涵、类型、特点， 对其进行理论探讨，再通过实践的调查研究，探索物理设计性实验的教学模式，对优化 设计性实验教学的策略提出一系列的思考，企盼在未来的教学实施中得以验证。 东北师范大学硕士学位论文 二、物理设计性实验教学的理论分析 物理实验是科学认识的源泉，是进行科学方法教育的有效途径。设计性实验教学作 为实验教学的一种形式，旨在培养学生的独立探究能力，发展学生的创新思维，体验科 学研究过程中的辛苦和愉悦。要达到这个目的，首先要了解物理设计性实验教学的相关 理论。 ( 一) 物理设计性实验教学的内涵 物理设计性实验是在学生学习了一定的物理学基本理论原理，掌握了一些必要的物 理实验基本知识和基本技能的基础上，针对某一给定的实验题目或实验要求，为完成某 实验任务而进行的白行设计实验原理、自行选择实验仪器、自行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。山 设计性实验是高师院校物理实验改革中的一种新的实验方式。还处于不断试验、充 实、发展和完善之中。与传统实验相比，其要求和目的发生了根本性变化。在新课程理 念下，它打破了传统老师讲实验、学生做实验的教学模式，学生由被动学习转变为主动 学习，学习的积极性得到有效的调动；另外，由于设计性实验方法的多样性，不同的学 生可以通过不同的途径和方法达到同一个实验目的。学生的独立思维、个人的才智和个 性在实验过程中得到了充分的尊重，有利于创新人才的培养，体现了以人为本的教育思 想。 应该明确的是，设计性实验与传统的验证性、测量性实验并不对立，在一定条件下 是可以相互转化的。设计性实验强调学生自主探究进行实验，它验证性、测量性实验在 研究的内容上可以是相同的，关键区别在于它们的教学方法不同。传统实验多采用接受 式教学，实验原理、设计方案和实验步骤事先讲明，而设计性实验则强调实验原理、设 计方案和实验步骤未知，实验在教师指导下由学生主动探究进行。 设计性实验是一项创造性的工作，更能体现出一个人的独立实验能力和聪明才智。 知识是发明创造的基础，知识越丰富，创造能力越强，否则就是无源之水，无本之木。 进行设计性实验需要较强的实验技能、扎实的理论基础，广泛的实践经验和周密严谨的 头脑。因此，在高校里，设计性实验一般安排在实验课程中后阶段，在学生对普通物理 学基本原理和基础物理实验有了一定的学习和掌握的基础上进行。针对本科生的学业水 平所开设的设计性实验是一种类科研的训练，是探究、设计实验系统或实验过程的一种 途径。 周波，田源，聂玉梅等基于建构主义理论的设计性物理实验【j 】实验技术与管理，2 0 0 6 ，7 ：p 9 8 6 东北师范大学硕士学位论文 ( 二) 物理设计性实验教学的特点 1 自主性 自主性是设计性实验教学的一个很重要的特点。在整个实验实施的过程中，要充分 顾及到学生是学习的主体，体现以学生为中心的原则。设计性物理实验是从给定的一些 物理实验题目中进行选题，学生也可以自己根据自己的爱好、特长选择感兴趣的题目， 通过题目和问题来组织课程。在设计性物理实验中，学生不是被动地重复操作己有的实 验内容，而是敏锐地发现问题，主动地提出问题，积极探求寻找解决问题的方法。这 种教学可以真正体现学生在学习过程中积极主动的获取物理知识、认识和解决物理问题 的自主性。 2 探究性 与基础性实验不同的是，设计性实验仅由教师提出任务和要求，学生主动去探索实 验涉及到的各个方面。例如问题的发现处理、观点的表达等都没有现成的结论，是一系 列以“探究”为核心的活动，需要学生在“探究”的过程中自己去寻找。这一整个过程 都是以“探究为中心的逻辑思维活动，让学生在这样的过程中了解科学研究的一般过 程，掌握科学研究的基本方法。 3 开放性 开放性是物理设计性实验教学的一个很显著特点，现在各高校的设计性实验教学都 提倡在开放的环境中进行，开放性不仅是指在时间和空间上的开放，更重要的是在教学 内容、教学方法上的开放。 4 过程性 与验证性实验重视获取知识的目标不同，设计性实验注重过程性。它注重实验过程 中学生的思维方式、个人体验及对信息的处理和整合；注重在学生体验探究过程中，培 养学生的学习能力和研究能力。 5 综合性 设计性物理实验一般是继一些前导实验和基本训练实验之后进行的，是对已学过的 物理理论知识和物理实验的综合与总结，所涉及的不只是物理实验某一方面或某一层次 的内容，而是具有高度的概括性与综合性，在设计性物理实验的完成过程中，要求学生 必须综合运用所掌握的基本理论知识、实验技能以及各测量原理和方法来组织进行，设 计性物理实验具有对学生进行科学实验全过程初步训练的性质，也是对学生掌握实验技 能和理论知识进行综合运用的一次检查，在这个过程中，其训练的内容与层次更高，体 现较强的综合运用知识的能力和综合解决问题的能力。 6 趣味性 设计性实验教学往往充满了趣味性，实验过程中总是闪耀着学生智慧的火花，实验 孙世志，余虹研究性物理实验与大学生创新心理品质培养川大学物理实验，2 0 0 6 1 9 ( 2 ) ：p 8 1 陈权高师探究性物理实验的教学设计与实践【d 】：硕士学位论文金华：浙江师范大学课程与教学论，2 0 0 6 漆建军，肖化设计性物理实验在火学生智力开发中的积极效应【j 实验技术与管理2 0 0 3 ，2 第1 3 肚1 3 2 页 7 东北师范大学硕士学位论文 现象里也经常蕴藏着更多的趣味。一个个小发明、小制作的成功，给学生带来了成功的 喜悦，也为设计性实验增添了无穷的乐趣。 ( 三) 物理设计性实验教学的类型 大学物理实验中设计性实验教学应有不同的形式和不同的要求。从形式上分，可分 为针对原理的设计性实验教学、针对操作能力的设计性实验教学、针对实验方法的设计 性实验教学、针对制作仪器设备的设计性实验教学；从知识要求上分包括利用已掌握的 知识和常用仪器所进行的设计性实验教学、开拓常用仪器的新用法所进行的设计性实验 教学，以及在一定方向扩展知识后，利用新知识新技术所进行的设计性实验教学；从 培养学生某一方面的能力出发，我们可以把大学物理设计性实验教学划分为思维操作 型、操作思维型、手段移植型、数据处理型、理解拓展型等。当然实际的设计性实验 往往很难界定为上述哪一种类型，下面就形式上的分类进行具体分析。 1 针对原理的设计性实验教学 针对原理的设计性实验教学是指对某一具体实验题目，要求学生从原理上给出必要 的公式推导过程、写出具体实验方法与步骤、列出可能需要的实验仪器并分析减小误差 所采取的可能措施等；或者利用学过的理论知识设计一个装置，对设计的装置可纯粹是 一种原理上的设想，暂时不考虑在实际实施过程中的具体问题。 我院2 0 0 5 级谢同学在 电磁学设计性实验中选择了“弱电流放大器( 测谎仪) 的制作”，通过实验进一步理解 三极管放大电流的原理。 2 针对操作能力的设计性实验教学 操作是实验必不可少的一个环节，针对操作能力的设计性实验教学指重点强调操作 意义上的实验设计。例如白组万用表这一设计性实验，学生在制作之前需要了解万用表 的构造、测量原理、电压表如何分压、电流表如何分流、电阻档刻度为何不均匀等，然 后找出合适的电阻进行组装。而要成功做出一个万用表，最重要的还是良好焊接、合理 布线、精确校准，这将促使学生在操作时更细致、更谨慎，从而更好地锻炼实验操作能 力。 3 针对实验方法的设计性实验教学 针对实验方法的设计性实验教学是指针对某一实验目的在确定了实验原理之后选 用最优的实验方法。如在惠斯登电桥测电阻实验中，除了直接用给出的惠斯登电桥测电 阻外，对于微安表的内阻也可以不用检流计只用开关来测量；还可以用滑动变阻器代替 电桥中的两个电阻进行测量，然后从中选择最佳实验方法。 4 针对制作仪器装置的设计性实验教学 针对制作仪器设备的实验教学要求学生凭借一定的物理知识，设计并制作某一装 置，来验证某一规律或达到某一特定的目的。它侧重的是学生设计并动手制作实验装置， 郭立群，高德文，张奕林对设计性实验的讨论和体会【j 】大学物理实验，2 0 0 3 ，1 6 ( 1 ) ：p 7 2 张敏锐人学物理设计性实验分类川现代物理知识，2 0 0 7 ，5 ：4 8 - 4 9 俞晓明高帅物理实验教学中提高实验设计能力的思考与实践【d 】：【硕士学位论文】南京：南京师范人学，2 0 0 4 8 东北师范大学硕士学位论文 以提高学生动手设计和制作的能力。如“自组平行板电容器及其相关特性的验证”实验， 目的在于加深理解平行板电容器的特性，学会利用已有材料组装电容器，验证电容大小 与极板相对面积及距离的关系。 ( 四) 物理设计性实验研究的理论探讨 1 认知结构理论 认知结构理论的代表人物是瑞士心理学家j 皮亚杰、美国的心理学家j s 布鲁纳。 他们认为认知结构，就是学习者头脑里的知识结构，它是学习者全部观念或某一知识领 域内观念的内容和组织。他们认为，学习使新材料或新经验和旧的材料或经验结为一体， 这样形成一个内部的知识结构，即认知结构。皮亚杰指出，这个结构是以图式、同化、 顺应和平衡的形式表现出来的。布鲁纳认为，学习不在于被动地形成反应，而在主动地 形成认知结构。学习由一系列过程组成，要重视研究学生的学习行为，教学应注意学习 各门学科的基本结构。他认为，学习知识的最佳方式是发现学习。近些年来的教学实践 和实验研究表明：采用一定手段有意控制学习者的认知结构，提高认知结构的可利用性、 稳定性、清晰性和可辨别程度等，对于有效的学习和解决问题是有作用的。我们的设 计性实验就是培养学生的认知加工能力，促进学生的认知加工。 2 人本主义学习理论 人本主义心理学的主要代表人物为马斯洛、罗杰斯等。人本主义强调学习的基本原 则必须是尊重学生，重视他们的意愿、情感和观念；必须相信人都能教育自己，并认为 学习就是个人潜能的充分发展，是人格的发展。这种学习以个体的积极参与和投入为特 征。罗杰斯认为，教师的任务不是教学生知识，而是为学生创造一种学习的环境，帮助 学生明确学习的内容，给学生提供适当的学习材料，并帮助学生发现所学知识的个人意 义。设计性物理实验教学提倡学生的参与、探究，教学过程强调学生的自由发展，教 学原则是真诚、信任和理解，教学方法强调非指导性原则，是人本主义学习理论在教育 中的应用。 3 建构主义学习理论 建构主义理论是认知理论的进一步发展。建构主义认为，学习是个体主动建构自己 知识的过程，知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下， 借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方 式而获得。它更强调学习者的主体作用，强调学习的主动性、社会性和情境性。因此， 情境、协作、会话、意义建构是学习环境设计的四大要素。在设计性物理实验中，学生 要想成为真正意义上的主动建构者，必须从以下几个方面发挥主体作用： ( 1 ) 使用探索法、发现法去建构知识的意义； ( 2 ) 在建构意义过程中主动去搜集并分析有关的数据与资料，对所学习的问题提出 陈琦，刘儒德当代教育心理学【m 】北京：北京师范大学出版社，2 0 0 7 1 6 0 1 6 4 千升研究性学习的理论与实践【m 】北京：教育科学f ；版社，2 0 0 2 p 7 6 张承芬教育心理学 m 济南：山东教育出版社，2 0 0 0 1 0 卜1 0 3 9 东北师范大学硕士学位论文 各种假设并努力加以验证； ( 3 ) 要求学生把当前学习内容所反映的事物尽量和已掌握内容相互联系，并对联系 进行深入的思考。如果学习者能把联系和思考的过程同合作学习中的协商过程( 即交流、 讨论的过程) 结合起来，意义建构的效率就会更高、质量更好。 l o 东北师范大学硕士学位论文 三、物理设计性实验教学现状的调查与分析 对物理设计性实验教学进行研究，仅从理论上是不够的。因此，鉴于对设计性实验 教学的了解程度，加之教育学、心理学上的相关理论，笔者对物理设计性实验教学的现 状进行了调查，并对调查结果做了分析。 ( 一) 调查的目的 设计性物理实验做为实验教学改革中一种新的教学探索，正逐渐深入到各个高校 中。为了更好地了解学生的心声，进一步提高学生的设计性实验技能，学生在新课改下 需要什么样的教学方法，对实验指导教师有哪些需求。本调查的目的之一就是探索高师 物理设计性实验教学的途径，建立一种旨在提高广大学生设计性实验能力的教学模式。 ( 二) 调查的对象 本研究的调查对象为我校物理学院2 0 0 4 级物理学专业本科生，2 0 0 4 级本科生是大 四的已经做过设计性实验的师范专业学生，比较有代表性。调查方法主要采用问卷调查 法( 问卷见附录) ，主要调查设计性实验在实施过程中的效果，有哪些需要改进之处，通 过在实验室辅助老师指导本科生实验，来发现学生在实验中存在的问题，探求改进之处， 使我们的实验教学为学生的发展服务，相信从中发现的问题对于高校的设计性物理实验 教学有一定的借鉴作用。 ( 三) 调查问卷分析 本调查共发放问卷5 0 份，回收5 0 份。通过对调查数据采用e x c e l 和o r i g i n 进行 处理，并进行了测试卷的信度与鉴别力分析。下面对调查中的问题做一下探讨。 1 对物理设计性实验的感兴趣程度 “兴趣是最好的老师”，学生完成实验的好坏很大程度上取决于对设计性实验的兴 趣，在对设计性实验的调查中，如图1 所示，除极个别学生外，其他学生都对设计性实 验表现出不同的兴趣( 其中有近半数的学生表示很感兴趣) 。可以看出设计性实验的开 设比较受高师学生欢迎，学生有兴趣对设计性实验进行探究。这里值得我们思考的问题 是有一半的学生对设计性实验的兴趣一般，如何从改进教学或其他角度使这5 0 的学生 转变到很感兴趣之内，同时也要使无兴趣的学生人数降到最低是我们今后努力的方向。 东北9 币范大学硕士学位论文 的学生选择了实验评价反馈阶段，有2 2 的学生希望在选题阶段，选择实验总结阶段的 占1 4 。从中我们发现，多数学生感到在实验设计方面困难，而希望老师在实验操作阶 3 5 。 3 0 一 2 5 。2 2 2 0 1 5 1 0 5 o 你希望在哪个阶段得到老师的帮助 4 0 1 选题阶段操作阶段 一 总结阶段评价反馈阶段 图3希望得到的帮助 段提供帮助的却占多数，可以看出学生的动手能力有待进一步提高。 3 设计性实验的教材编写 在国外的很多大学里，实验都采用自编教材，这种教材可以针对本校学生的特点， 你认为设计性实验的教材应该怎么写好 图4 实验教材的编弓 内容的难度、对学生的要求等都比较符合学生的水平。近几年国内各高校也纷纷采用自 编的实验教材，那么什么样的设计性实验教材满足学生的需求昵? 通过调查结果如图4 。 选择“仅提出实验目的和要求”的占1 6 ，选“给出实验的要求和参考资料”的占5 8 ， “提出实验目的和要求后再告诉实验方法”的占2 4 ，“仅给出实验题目”的占2 。从 中可以看出，多数学生喜欢独立完成设计性实验，其中“提出目的要求再告诉实验方法” 一项并不是设计性实验所提倡的，还有2 4 的学生选择此项，可见传统的实验教学在很 大程度上束缚了学生的思想，部分同学学习的积极性主动性不够。 东北师范大学硕士学位论文 4 设计性实验的选题 传统的实验都是教师指定的题目，而设计性实验的选题具有一定的灵活性。在调查 “你最喜欢的设计性实验选题方式是哪一种”，如下图5 ，有4 8 的学生希望自己选， 小组讨论的占3 8 ，只有1 0 的学生希望教师指定。可以看出渴望自己独立完成的占大 多数，这部分的同学可能实验能力较强，另外有不少的学生喜欢小组讨论，这也是我们 提倡的合作学习方式，不乐观的是还有4 的学生对此显得漠不关心。 幽5 设计性实验的选题 在另一个调查题“你选择实验题目的依据”中，如图6 ，有7 6 的学生是因为兴趣， 1 6 的学生囚为以前对这个题目的实验没掌握。可见教师一方面应该尽量多为学生提供 感兴趣的实验题目供选择，另一方面还应鼓励自选实验题目。 图6 选题依据 东北师范大学硕士学位论文 5 设计性实验方案的确定 如何确定科学合理的实验方案关系到设计性实验的成败，对于“小组设计方案的完 成那种效果最好”，如图7 所示，5 0 的学生倾向于“先个人拿出方案，再集体讨论”， 2 2 的学生选择“教师参加小组讨论”，2 0 的学生喜欢“边讨论边思考”，只有8 的学 生选择“教师提供实验方案”。可以看出多数同学有一定的独立性，也有少部分还是对 教师有明显的依赖。 图7 实验方案的确定 6 设计性实验的评价方式 在“你认为设计性实验的评价应该以什么方式比较好”的调查中，如图8 ，4 0 的学 生选择师生互相讨论答辩，3 6 的学生选择以学术论文形式，1 4 认为该以实验成果评价， 仅有1 0 的学生选择以实验报告形式。可见以往按部就班的书写实验报告在设计性实验 中不受欢迎。 你认为设计性实验的评价j 、v 陔以什么方式比较好 0 嘲 实验报告 口系列l 10 婴妄罢摁学娄姿文实验成果 讨论答辩形式 犬拙门、 4 0 3 6 1 4 图8 评价方式 15 东北师范大学硕士学位论文 7 设计性实验的开设环境 关于设计性实验的开设环境，也是备受学生关注的问题，通过调查，有6 2 的学生 选择开放式环境，3 8 的学生选择一定时间限制的环境。目前在实验教学改革中，很多 高校实施了开放式实验教学，取得了很好的效果。 你，i f ：得改计件史验j 、v 该矗：哪种环境卜j h i 8 0 6 0 4 0 2 0 0 囝系列1 霹瓣i 豳 缴 嬲 磁l燃 隘 黼 鐾戮蕊燃蕊 一定限制的环境 圣婴一 图9 开设环境 8 设计性实验的完成情况 通过调查，发现有1 4 的学生能够按要求完成设计性实验，8 0 的学生能够基本完成， 不能按要求完成的占6 ，由此可见，大多数学生有能力完成设计性实验，设计性实验还 是能够把握学生的水平。最让人乐观的当然是能够完成的学生，选择基本完成的可能对 设计性实验还是没有十足的把握，也可能是教师的指导、仪器设备不完善等客观原因造 成的，不能完成的学生可能与本人的学习态度有关，也可能是我们教学中存在弊端，我 们的教学要努力消除不能完成实验的人数，让“基本完成”向“能够完成”转化。 你能否按要求完成设计性实验 图l o 完成情况 9 设计性实验的效果 对于设计性实验的效果，我们设计了相关的问题。在调查“你对本院实验课程的总 体评价如何”中，结果如图l1 ，1 4 的学生认为很不错，3 8 的学生认为较好，选择一般 1 6 东北师范大学硕士学位论文 的占3 4 ，另有1 4 的学生认为不佳。 你肘本院设汁肚实验课程的总体评价怎十t 不佳 罗 图1 1 课程的总体评价 如图1 2 所示的是“通过该课程，你对设计性实验的程序安排了解怎样”的调 通过该课程，你对设计性实验的程序安排了解怎样 -_ww*_h_“”，?*mi，*“_w“”_hwh_hd|_”jv*”h一*vmvh* 6 0 鬻鬃纛 黧i 褫镢 i 黉豢i i 缀；7 虢 i 撬虢| 4 瀵黧 | | | | 1 f = ：= ! 1 1 嚣赣l l l 图1 2 程序的安排了解 查结果，可以看出6 0 的学生了解一些，2 6 的学生比较了解，非常了解的只占6 ，还 有4 的选择不知道。可见我们的设计性实验还需要进一步的改进和完善。 ( 四) 对调查结果的分析 1 设计性实验教学取得的成果 在访谈中，谈到在设计性实验过程中体验的乐趣时，师生们各有所获，纷纷表示了 自己的看法。 ( 1 ) 培养了学生严肃认真、实事求是的科学态度。学生在设计性实验的过程中， 通过自己动手、动脑，去探索、去实践，能以认真、正确的态度去对待实验结果，同时 设计性实验也增加了学生克服困难的勇气。 加 加 加 0 东北师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 给学生一个较宽阔的思考空间和选择余地，培养了学生的开放性思维和创造 力。多数同学认为在设计性实验中最大的乐趣是实验后的成就感，通过自己结合所学知 识，设计实验方案，验证实验结果，对感兴趣的问题进行探索，使思维得到了开阔，自 己动手能力、思考能力得到了提高。同学之间的交流与合作，小组讨论的气氛也增添了 实验的乐趣，通过设计性物理实验加深了对物理知识的理解。 ( 3 ) 促进教师的发展和提高i 设计性实验无疑是对教师的一个挑战，以前的实验 是有准备的教师面对无准备的学生，设计性实验的状况是无准备的教师面对有准备的学 生。这一转变促进了新的师生观的形成，也促进了教师自我发展，以尽快向专家型、研 究型教师转变。 2 设计性实验教学中存在的不足 在我们对设计性实验教学成果欣慰的同时，实验教学中的不足也应值得我们去反 思。关于设计性实验有哪些需要改进之处，学生们也是各抒己见，这里将学生的意见和 本人的一些看法归纳如下： ( 1 ) 实验教学模式单一、教学内容陈旧 长期以来，传统的教学模式在一定程度上限制了学生的发展，也对设计性实验教学 产生了一定的影响。目前来讲，设计性实验教学还存在着教学模式单一、教学内容陈旧 的问题。部分高校的教师还是惯于用以往的教学模式，教学的灵活性不够，这样也使学 生对教师产生了很大程度的依赖心理，学生动手能力、创新思维等能力不强，不利于设 计性实验的丌设。因此，建立一个适合学生发展的新教学模式已成为设计性实验教学的 必然要求。 另外，我们的教学内容需要不断更新，适当增加一些科学性、趣味性的实验内容， 会提高学生对设计性实验的热爱程度。同时，在调查中，学生还希望实验内容体现现代 化、实用性，接近科技前沿。 ( 2 ) 实验室的硬件设备不能满足学生需求 我们的设计性实验教学的硬件设备需要完善，这是多数学生提出的建议。有时候对 于学生感兴趣的实验题目没有对应的实验仪器来付诸实践，只能让学生再选择另外的题 目。这就需要我们加强实验室建设，实验室的仪器设备要不断更新，淘汰陈旧、没有应 用价值的实验仪器，引进精度、规格都满足实验要求的实验仪器，为学生的设计性实验 提供良好的实验条件。我校的普通物理实验室由演示实验室、力热实验室、电磁学实验 室、光学实验室和近代物理实验室组成，学生在做实验时保证每人一个实验台，这对学 生独立实验能力的培养很是重要，因此，实验室应尽可能设置多样化的实验仪器，解决 学生想做而无仪器的难题。当然，这也需要足够的资金和大面积的实验室，学校应尽可 能地给与支持。 ( 3 ) 实验教材不完善 实验教材不完善，实验室没有大量供学生使用的参考资料是调查中学生反应的另一 个问题。目前各高校设计性实验的教材编写还比较滞后，有的学校没有专门的教材，这 可能会导致学生在最初接触设计性实验时感到无从下手，对于这种新的实验教学产生畏 1 r 东北师范大学硕士学位论文 难心理。这就要求我们的教育工作者因地制宜、因材施教，编写适合不同区域、不同学 校学生的设计性实验教材。要想学生独立地做好设计性实验，教师应该尽量为学生提供 便利的条件，提供学生所需的资料。 ( 4 ) 实验课时不够 在调查中，学生希望设计性实验的时间更宽裕，建议增加实验课时，给学生更多的 个人思考，增加小组讨论等。此外，我校的物理实验课作为物理师范专业的必修课，在 每一学期都有开设，只占2 学分，是否因为学分少不引起学生对实验课的足够重视也有 待研究。 ( 5 ) 师资力量不足 如今随着高校的扩招，学生人数不断增多，实验教师的工作量增大，这就面临着一 个实验指导教师要指导几十个学生。这样的比例不但使教师的工作更加辛苦，也不利于 对学生的关注和指导。这就需要我们对此寻求一个解决问题的途径。 可见，我们的设计性实验教学需要进一步完善，在教学中应该充分发挥设计性实验 的功效，让学生的求知欲得到充分满足。在今后的教学中，如何挖掘教学资源，更新实 验项目，提高学生的兴趣和技能，使设计性实验教学达到最优化教学效果，这些是值得 我们深思的问题。 1 9 东北师范大学硕士学位论文 四、物理设计性实验的教学模式探究 基于当前对于物理设计性实验教学的理解，笔者在这里将设计性实验的教学模式总 结为“探索一开放”式教学模式。此种模式源于经验，它是教学实践的产物，同时又期 望在指导教学实践的过程中获得自身的完善与发展。 ( 一) 教学模式概述 1 教学模式 教学模式是指在一定教学思想的指导下和丰富的教学经验的基础上，为完成特定的 教学目标和内容而围绕某一主题形成的稳定且简明的教学结构理论框架及具体可操作 的实践活动方式。它是教学理论的具体化，又是教学经验的一种系统的概括。它既可以 直接从丰富的教学实践经验中通过理论概括而形成，也可以在一定的理论指导下提出一 种假设，经过多次实验后形成。建立在多元智能理论基础上的新型教学观认为，每个 学生都能成功，教师的教学过程就是发现隐藏在学生身上潜在的智能并加以呵护、引导 与培养，从而使学生的这种智能最大限度地得以发展。 2 物理设计性实验教学模式 根据有关著述对设计性实验教学的表述，结合教学模式的一般理论，笔者认为，物 理设计性实验的教学模式可以理解为教学活动以解决问题为中心，学生自学为主，在教 师的指导下通过发现问题，提出实验的设计方案并通过自己动手探索实验结果的一种教 学方式。该模式主要针对传统实验教学中的强迫、注入所引起的冲突，这种教学是建立 在新型师生关系基础上的合作的教学，突出了人本主义的教育思想，是尊重学生个性的 教学。 ( 二) 物理设计性实验教学模式构建的原则 教育学中，教学原则是根据教育、教学目的，反映教学规律性而制定的指导教学工 作的基本原则。它既指导教师的教，又指导学生的学，应贯彻到教学过程的各个方面。 对于高师物理设计性实验的教学，除应遵循某些各学科教学普适性的教学原则之外，还 应该把教育学原理与物理实验教学过程紧密结合起来，形成在高师物理设计性实验中的 教学原则。 1 科学性、教育性、艺术性相结合的原则 物理学是一门自然学科，在进行物理设计性实验教学时，首先应当注重教学的科学 性。无论是实验原理，实验操作程序，还是实验仪器的使用或实验方法等等，都应当是 陈旭远课程与教学论【m 】长春：东北师范大学出版 t ，2 0 0 7 p 2 2 0 2 0 东北师范大学硕士学位论文 正确无误的。设计性实验的全过程都要科学、合理，所采用的方法、步骤都应当有一定 的理论依据，由此得出的实验结论才可能正确。 教学永远具有教育性。在物理设计性实验教学过程中，应当充分重视教学的教育性， 充分并恰当地发掘教学中的教育因素。例如，在设计性实验教学中，可以用物理学史上 的一些实验做启发，除了能开拓学生的思路之外，还可以对学生进行爱国主义教育，像 前人学习科学严谨、实事求是的作风等。 “成功的教学，本身就是一种艺术的创造”。物理设计