地方高校设计性物理实验教学体系的研究与实践
王阳恩 徐大海
摘 要：本文在对其他大学物理实验教学调查及对本校学生问卷调查的基础上，建立了具有一定特色的分层次设计性物理实验教学体系：设计某一方面的设计性物理实验、基础设计性物理实验、课外设计性物理实验、创新设计实验竞赛。该教学体系考虑了培养高水平人才的需要，又照顾了基础较差的学生，能满足不同层次学生的教学需求。本文开展了设计性物理实验教学内容和教学方式的研究与实践，对不同设计性物理实验采取了不同的上课方式，并研究了不同上课方式的教学效果。同时，本文还建设了学生课外物理创新设计实验室，组织学生开展了课外科技活动和各种小制作、小发明及各种物理实验创新设计竞赛，提高了学生的实践动手能力及创新能力。
关键词：地方高校 设计性物理实验 分层次 实验教学体系 创新能力
近年来，国内许多高校对设计性物理实验进行了不同范围和层面的改革，开设了一些选题性实验、综合设计性实验和研究性实验，他们既注重对物理实验教学内容的系统整合，又各具特色，自成体系。如，复旦大学物理实验教学中心根据人才培养的要求，研究和开发了“自学物理实验”、“综合物理实验”等一系列能开拓学生思维、激励学生创新的特色物理实验，构建了以能力培养为目标的多层次实验教学新体系，开设了以培养学生创造能力为宗旨的“设计性研究性物理实验”系列课程。中国科学技术大学物理实验教学中心依托网络教学管理信息平台，建立了实验教学和管理的信息化、网络化平台和多元化的教学环境，提出了与现代科技发展相适应的由基本实验、综合性实验、设计性实验、科学小实践组成的四级物理实验课程体系。
总体上来说，大多数高等学校在物理实验内容的设置上都体现了综合性、设计性物理实验的内容，并且综合性、设计性物理实验在大学物理教学中设置比例也呈逐年上升趋势。然而，每个学校的设计性物理实验课程体系及教学内容不一定适应于其他学校，其原因有：①每个学校学生的物理实验基础不同，一般地方性高校的学生基础相对较差，有些同学还不会使用基本的物理测试仪器，没有掌握基本的实验方法，如还不会使用游标卡尺等；②每个学校的专业不同、物理实验仪器不同、指导教师的能力不同，因而能开设的设计性物理实验的题目也不相同。因此，我们有必要针对本校的实际情况开展设计性物理实验的研究与教学实践。
我们在对国内外大学物理实验教学调查及对本校学生问卷调查的基础上，结合本校大学物理实验教学的实际情况，提出了开设设计性物理实验的教学改革方案，对设计性物理实验的教学体系、教学模式等进行了研究与教学实践，并取得了一定的成效。
1 设计性物理实验的问卷调查
长江大学物理实验室的上课学生专业为理、工、农、医等41个专业。学生中还有少量是由文科类转专业而来的。
学生存在的主要问题有：学生的基础相差很大，如西藏录取分数线只有200多分；学生的学习时间很紧张，该校现实行“1＋3”教学模式，即一年级只学习外语加高等数学，因此，二、三年级的功课非常紧张，白天基本没有空余时间；对物理实验不感兴趣的学生较多；学生学习的目的性、主动性不强，学生的层次、目标不高，学习的目的不明确，不会主动安排自己的学习。
我们通过对296名同学的问卷调查研究了学生对设计性物理实验的态度、认识及教学效果，调查结果如下。
学生对设计性物理实验很感兴趣的比率达到了67.3%，说明大多数同学对设计性物理实验是感兴趣的，因此开设设计性物理实验应该会受到同学们的欢迎。当然，也有少数同学对设计性物理实验没有兴趣，其比率为4.1%。
在设计性物理实验中，同学们的最大困难还是实验的操作。感到实验操作困难的同学比率达到了61.2%，而最希望在实验操作阶段得到老师的帮助的同学比率达到了75.5%。
表现在实验效果上，能按要求完成设计性实验的同学比率仅为26.5%，基本能完成的比率为63.3%，还有8.2%的同学不能按要求完成设计性实验。
学生希望自己选择或小组讨论后选择设计性物理实验题目的比率分别为44.9%、49.0%，两项相加达到了93.9%，说明学生做设计性物理实验时希望能自己确定实验的题目。
学生确定设计性物理实验题目的依据是自己的兴趣，其比率达到了71.4%。
在实验过程中，学生还是希望有人帮助或指导。认为实验小组人数是2人的比率达到了62.3%，是3人的比率达到了32.7%，而希望一个人独立完成的比率为2.0%。设计方案的完成方式是“先个人拿出方案，再集体讨论”的比率是42.9%，“边讨论边思考”的比率是30.1%。
认为设计性实验的评价应该以“实验报告”或“师生互相讨论答辩”的比率分别是36.7%、34.7%，而认为以“学术论文形式”的只有4.1%。这说明我们的同学还是习惯于写实验报告。
认为设计性实验最大的培养效果是“实验动手能力”的比率是63.3%，认为是“实验设计能力”的只有34.7%。
认为设计性物理实验的开设应“着重动手能力的提高”的比率是53.1%，而认为“加强综合与创新能力的培养”的比率是30.1%。
认为设计性实验的教材应该“给出实验的要求和参考资料”的比率为53.1%，“提出实验目的和要求后再告诉实验方法”的比率为32.7%，而“仅给出实验题目”的比率是2.0%。
2 设计性物理实验课程体系及内容
2.1 分层次的实验课程体系
设计性物理实验形式具有多样性：课堂设计性物理实验、物理实验设计制作大赛、物理实验设计小论文的征文活动等。针对该校学生实际情况及专业特点，我们提出了分层次、适合不同学生基础能力、紧密结合学校办学特色的设计性物理实验课程体系，特别是针对基础较差的同学开设了只设计某一方面的设计性物理实验，如表1所示。
表1 分层次设计性物理实验课程体系
（1）第一层次——设计某一方面的设计性物理实验
针对本校学生来源范围广，学生基础差别大，存在较多物理实验基础差的同学这一实际情况，学校开设了只设计实验的某一方面的设计性物理实验。如，在“薄透镜焦距的测量”实验中，要求学生设计实验的测量方法及步骤等。
这一类实验的难度与验证性实验相差不大，但能使学生掌握基本的设计性物理实验方法，能提高学生的积极性，激发学生的学习兴趣。
（2）第二层次——基础设计性物理实验
在第一层次的基础上，物理实验中心只给学生提供实验所需的实验仪器、场所，学生自己选择实验题目、设计实验方法及内容，独立完成实验操作及提交完整的实验报告。如，在“光学平台设计性实验”中，物理实验中心只提供实验光学平台及其附件，学生在了解实验仪器的基础上，自己提供设计性实验的题目、测量方法及实验步骤并独立完成实验。
（3）第三层次——课外设计性物理实验
物理实验中心提供场所、基本测量仪器，学生利用课外时间，选择自己感兴趣的设计性物理实验课题。这一类课题一般为各种小制作、小发明。因此学生选择课题之后，还必须自己查阅相关的文献资料，学习相关的知识及实验方法，确定实验方案，选择实验仪器及耗材，制作及测试仪器，撰写实验总结报告等。由于实验仪器数量及指导教师的精力有限等原因，这一层次的实验只针对物理专业的学生开放。
（4）第四层次——创新设计实验竞赛
为了培养学生的创新思维与创新能力，各种设计创新实验竞赛越来越多。物理实验中心为了适应这一变化，成立了大学生科技创新实践基地，并安排了专人负责管理，指导学生的创新实践，参加各类设计创新实验竞赛。
2.2 实验课程内容
确定设计性物理实验的教学内容应根据学生的实际能力，考虑到既要有助于理解巩固所学物理学基本知识，又要能够促进学生提高实验技能，培养学生的创新思维与创新能力。根据这一原则，同时考虑到实验室现状，物理实验中心建立了与实验课程体系各层次相对应的实验内容。
（1）设计某一方面的设计性物理实验内容
物理实验中心目前主要开设了7个只设计一个方面的物理实验项目，实验项目题目及学时见表2。7个项目中，有2个力学实验，3个电磁学实验，2个光学实验。这几个实验的操作都不是很困难，学生只要认真预习都可以在规定的时间内完成。
表2 设计某一方面的设计性物理实验项目
（2）基础设计性物理实验内容
物理实验中心目前主要开设了8个基础设计性物理实验项目，实验题目及学时见表3。这几个实验比上面提到的7个实验项目的要求要高。如“重力加速度的测量”实验，教师只规定测量的要求，其他的都要求学生自己完成，如测量的原理、仪器的选择、实验步骤的制定、实验测量、数据分析及总结。此外，有3个实验的学时数不是3学时，而是5学时，这主要是因为这几个实验要求学生先到实验室了解实验仪器，然后回家查阅资料、设计实验方案，完成一个实验需要到实验室2次。
表3 基础设计性物理实验
（3）课外设计性物理实验内容
课外设计性物理实验主要开展的内容有：①改造与维修现有物理实验仪器，特别是利用已报废的仪器，放手让学生对报废仪器进行拆装、维修、改造等；②设计创新性物理实验项目，学生可以对现有实验项目的内容进行改造，也可以利用现有仪器设计出新的实验内容、项目；③物理仿真实验的开发，随着计算机、网络技术的发展，通过设计物理仿真实验，可使学生通过网络对物理实验进行预习，能提高学生学习的效率；④研制物理实验仪器，进行科学小发明、小创造，物理实验室鼓励学生进行各种小的制作，对学生提出的有创意的小制作，实验室将提供实验场所、实验材料及仪器，如学生有要求，还可由实验室指派指导教师；⑤开展科研小课题，撰写科研论文，学生可以自己单独进行小的科研课题研究，也可以跟随教师进行科研工作。如，应用物理10901班的罗泳、邓双华、汪正兵等同学提出了“霍尔传感器的创新应用——单摆测重力加速度”这一课题。他们从2011年4月开始，利用课外时间查阅了重力加速度测量的方法，提出了利用霍尔传感器测量重力加速度的方案，同时自学了单片机的原理与使用技术，在指导教师姚平的指导下，于2011年9月制成了这一测量仪器。
（4）各种实验竞赛
物理实验创新设计竞赛能激发学生的学习积极性，能培养学生的创新设计能力。在竞赛制作过程中，要求学生组建设计、制作团队，还可以培养学生的团队情神。
3 设计性物理实验课程教学方式
设计性物理实验的教学方式也存在各种形式，其教学方式的选取也要与每个学校的实际情况相适应。在该校《大学物理实验》课开设的设计性物理实验中，我们对不同实验采取了不同的上课方式，主要有2种教学方式，并研究了其教学效果。
第一种教学方式是：每周预约了该实验的同学，在该周的星期一晚上到实验室熟悉实验仪器，然后利用课外时间撰写实验方案，其方案经老师同意后才能再次到实验室完成实验，如“光学平台设计性实验”的上课方式就是采用该种方式。
第二种教学方式是：如“重力加速度的测量”实验，学生根据实验教师的要求，在课堂内马上设计出测量重力加速度的多种方法，并用这些方法测出重力加速度的大小，然后比较这些方法的优缺点；或用一种测量重力加速度的方法测量，来研究不同测量条件对测量结果的影响。
经过实验教学实践，第一种上课方式的效果更好些。其原因是：学生在写出设计性实验方案之前，已在实验室熟悉实验仪器，然后再利用课外时间查阅相关文献、设计实验方案。这种方式的好处是学生在设计方案前已对仪器有了一定的了解，并有一定的时间思考及查阅文献。
4 课外物理创新设计实验的研究与实践
课外物理创新设计实验是课堂实验的补充与延伸，对学生创新思维与创新能力的培养有重要的意义。物理实验中心组织物理、应用物理专业的学生开展了课外科技活动及各种小制作、小发明。首先，实验中心组织对课外科技活动感兴趣的同学进行相关的基础知识培训：单片机的原理与使用、电路设计与电路板的制作、仪器设计与制作的基本方法及步骤等。根据学生培训的情况，每班选定一些对课外制作感兴趣且动手能力较强的学生，指定为每组学生的负责人，每组学生人数不超过3人。活动的课题采用教师指定与学生自选相结合的方法：指导教师根据自己的科研情况提出部分课题供学生选择，学生如果对教师的课题不感兴趣或自己有更好的课题，经教师审阅后也可自定项目。在学生制作过程中，由课外活动基地专任教师进行指导与管理。其进行程序是：学生直接与指导老师联系，讨论相关问题；填写“学生科技活动申请表”，申请表可从网上下载；填写好申请表后，交指导老师；物理实验中心审批后，就可进行课外物理创新设计性实验活动。活动所需的各种实验仪器及材料由物理实验中心解决。
5 总 结
本文通过调研与分析，结合学校特色、物理实验中心及学生实际情况，建立了适应于该校的分层次设计性物理实验教学体系，确定了各层次的教学内容与教学方式，针对不同能力、不同专业的学生提出了不同的要求及教学方法。开展学生课外物理创新设计实验的研究与实践，将实验课教学与课外制作、创新设计竞赛有机结合，提高了学生的实践动手能力和创新能力，设计性物理实验的教学也得到了同学们的认可。
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