吳 肖，熊建文

(1.華南師范大學 物理與光電工程學院;2.廣東工業(yè)大學 實驗教學部，廣東 廣州510006)

0 引 言

近年來，大學物理設計性實驗越來越受到各個理工科院校的重視，不少實驗工作者也通過教學實踐深切的體會到，與傳統(tǒng)的驗證性實驗相比，設計性實驗更有利于培養(yǎng)學生的綜合素質和創(chuàng)新能力［1-2］。新頒布的“非物理類理工學科大學物理實驗課程教學基本要求”里也明確指出，“設計性或研究性實驗的目的是使學生了解科學實驗的全過程、逐步掌握科學思想和科學方法，培養(yǎng)學生獨立實驗的能力和運用所學知識解決給定問題的能力”，并要求“各校應根據(jù)其實際情況設置該類型的實驗內(nèi)容”［3］。在這一基本要求的指導下，我校(廣東工業(yè)大學)自2007 年進行了大學物理設計性實驗的開設，實施近4 年，的確取得了不少成績，但也發(fā)現(xiàn)了一些問題。下面以我們的教學實踐為依據(jù)，對學生在設計性實驗中的實驗行為進行研究，剖析學生較為普遍存在的問題，并有針對性的對大學物理設計性實驗的教學實施提出一些改進措施。

1 課程的基本介紹

我校開設的設計性實驗課程的對象是大學二年級的工科類學生，均已完成大學物理基礎性實驗的學習。整個課程分為理論課和實驗課兩部分，理論課主要介紹物理實驗方法及計算機在物理實驗中的應用，為后續(xù)的設計進行實驗方法的儲備。實驗課之前先進行設計性實驗的選題，采取教師提供選題和自主選題相結合的形式。以小組為單位選題后，遞交實驗設計方案，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。

2 實驗行為的分析框架

我們采用以下3 個過程階段的分析框架來剖析學生進行設計性實驗中存在的問題。

階段1.實驗前——計劃與設計。

實驗方案的合理性?

實驗方案是否具有創(chuàng)新性?

實驗前的準備是否充分?

階段2. 實驗中——研究與探索。

是否有能力正確使用測量手段和工具以獲得有意義的數(shù)據(jù)?

是否有能力在實驗中遇到的問題時找到其根源并及時地解決?

是否有探究的意識?

階段3.實驗后——解釋與分析。

能否正確分析數(shù)據(jù)以得出結論?

對實驗過程中誤差能否正確地分析?

抓住國家加大農(nóng)業(yè)、農(nóng)村基礎設施投資的機遇，千方百計多渠道爭取資金。精準農(nóng)業(yè)應用系統(tǒng)投資較大，一套精準節(jié)水灌溉系統(tǒng)下來要在10萬元以上。一是要探索整合財政支農(nóng)資金方式。統(tǒng)籌安排使用支農(nóng)資金，圍繞發(fā)展主導精準農(nóng)業(yè)進行整合，通過資金整合，既有利于集中財力辦大事，也有利于發(fā)揮財政資金“四兩撥千斤”的作用。二是拓寬精準農(nóng)業(yè)投入來源渠道。進一步優(yōu)化農(nóng)村投資環(huán)境，吸引民間資本更多地投向精準農(nóng)業(yè)[2]。加快農(nóng)村金融組織、產(chǎn)品和服務創(chuàng)新，扶持農(nóng)業(yè)信貸擔保組織發(fā)展，擴大農(nóng)村擔保品范圍。加快發(fā)展農(nóng)業(yè)保險，政策性保險與商業(yè)保險相結合，健全農(nóng)業(yè)再保險體系。

在處理與理論或預測不一致的數(shù)據(jù)時，是否有重復探究過程或者修改探究設計去進一步核實數(shù)據(jù)?

實驗匯報和實驗論文的質量如何?

3 學生在進行大學物理設計性實驗時較為普遍存在的問題

采用以上框架對學生整個實驗行為進行分析，可以發(fā)現(xiàn)實驗前中后普遍存在以下問題:

3.1 實驗前——計劃與設計

實驗前，學生對于某些實驗選題的研究方向沒有很好的明確。教師在給出實驗題目時，有的目的性很強，比如“基于聲卡和MMUSE 軟件的單擺周期測量［4］”;有的只是給出研究的范圍，比如“計算機實時測量實驗:研究電容的瞬態(tài)過程”，由學生自己去決定研究的具體內(nèi)容和方向。學生對此卻并未深入思考，抱著“先把電路設計出來，研究什么，實驗時再說吧”的想法。

而在實驗方案的設計上，學生容易過分的依賴于文獻資料，教師給出選題后在網(wǎng)上找到類似的實驗方案，全番照搬，沒有經(jīng)過自己大腦的思考，提不出具有創(chuàng)造性的設計，這樣也就達不到設計性實驗開設的效果。

對于實驗的預期進行猜想或者理論分析的學生更是很少，如實驗題目“研究大擺角情況下的影響單擺周期的因素”，學生對于擺角是否對周期有影響?如何影響?在實驗前并沒進行深入的思考。

特別值得一提的是，學生常常會忘記對數(shù)據(jù)記錄表格的設計，因為基礎實驗時教材上都詳細地提供了數(shù)據(jù)記錄表格。實際上設計系統(tǒng)又全面的數(shù)據(jù)記錄表格是實驗設計里非常重要的一部分。

3.2 實驗中——研究與探索

對于一些學生而言，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(shù)據(jù)的過程。他們會遵循步驟收集很多數(shù)據(jù)，卻較少質疑數(shù)據(jù)收集過程及數(shù)據(jù)本身的可靠性和有效性;當實驗中遇到了問題，很容易對實驗方案輕易的放棄，或者急于求助教師而不能自行思考解決問題。在實驗中，很少學生將重復觀察和測量作為實驗的必要，也不會記錄測量數(shù)據(jù)以外的現(xiàn)象;當成功的設計好了實驗時，卻不知道改變一些參數(shù)進行更深入的探究。數(shù)據(jù)記錄凌亂，相關參量忘記記錄的情況也時有發(fā)生。

3.3 實驗后——解釋與分析

結果分析時，存在的主要問題是對數(shù)據(jù)與現(xiàn)象的關系認識不清。學生有時會根據(jù)自己已有的經(jīng)驗強加判斷，套上規(guī)律或結論。在處理與理論或預測不一致的數(shù)據(jù)時，沒有重復探究過程或者修改設計方案去進一步核實數(shù)據(jù)。對實驗過程中存在的誤差置之不理，對實驗的有效性和精確度沒有進行有效的評估。

實驗匯報時，過多的將實驗過程中拍攝的圖片進行展示，對結果的分析常常幾句話帶過，強調實驗的完成忽視了實驗的成效。交上來的實驗論文，有些與實驗報告并無區(qū)別。

4 研究啟示與建議

上述分析表明，學生雖然經(jīng)歷了整個設計性實驗過程，卻不一定能夠內(nèi)化成設計性實驗的能力。針對學生普遍存在的問題，我們在教學上進行下述嘗試性的改進，取得了較好的成效。

4.1 注重基礎實驗與設計性實驗間的銜接

在基礎實驗中，學生基本是依照書本上詳細的實驗方法和步驟完成實驗。到了設計性實驗階段，沒有固定的模式和方法很容易使學生感到不適應。為了消除學生的這種不適應，教師應注重基礎實驗與設計性實驗間的銜接［5］。首先，在進行基礎實驗教學時，有意識對實驗內(nèi)容進行一些拓展，要求學生進行一些簡單的實驗方案的設計，進行基礎的“思維訓練性實驗”。如密度的測量實驗后要求學生學生設計多種方案，或者改進實驗提高測量精度等［6］。其次，在基礎實驗教學中，盡量減少實驗項目的獨立授課，關注實驗項目之間物理原理(或測量技術)的內(nèi)在聯(lián)系，做到這一點有助于學生在進行設計性實驗時找到物理量之間的相關性及進行實驗原理(測量技術)的遷移［7-8］;再者，在基礎實驗中，學生對于實驗結果誤差的分析往往是實驗數(shù)據(jù)的測量誤差，導致學生在設計性實驗中對實驗精度的重要性及其影響因素考慮甚少。因此作為教師在基礎實驗中就應該多鼓勵學生進行全方面的誤差分析以及思考如何消除一些不必要的誤差，為設計性實驗奠定基礎。

4.2 在設計性實驗中強調科學探究

實驗本身與科學探究是緊密聯(lián)系的［9］，尤其在設計性實驗中，實驗原理的不確定性，實驗結果的可拓展性要求學生具備探究的意識，掌握探究的基本原則和技巧［10］。一次完整的探究過程應經(jīng)歷:提出問題—猜想與假設—制定計劃與設計實驗—進行實驗與收集證據(jù)—分析與論證—評估—交流與合作等幾個階段［11］。這與設計性實驗的實驗過程是基本吻合的。教師有意識地強調科學探究，在設計性實驗中設置探究性的內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)很有助于激發(fā)學生的探索熱情和提高研究問題的能力。

4.3 在設計性實驗中強調全面科學的評價指標［12］

全面科學的評價指標的建設可以使學生明確設計性實驗的具體要求，從而在實驗過程中進行有效地反思和改進。設計性實驗開展之前就給學生提出“設計的創(chuàng)新性，研究的全面性，結果的精確性”等評價指標及權重，學生實驗時不盲目，避免了不少之前存在的一些問題。

4.4 在設計性實驗中滲透元認知的教學策略

越來越多的教師意識到元認知對學生學習的重要性，在設計性實驗中，我們發(fā)現(xiàn)在實驗進行的不同階段，通過一些問題讓學生進行思考，可以有效的促進學生的元認知轉變，其實很多時候學生只要意識到問題的關鍵所在，就會去想辦法轉變和解決［13-15］。如在實驗之初，提出:你為什么選擇這一實驗方法?你預計采用這一實驗方法可以達到的測量的精度是多少?是否所有相關的變量都已經(jīng)充分的考慮到?儀器是否充足?實驗表格是否已經(jīng)設計好?數(shù)據(jù)分析的方法是否確定好?在實驗之中，提出:實驗操作是否合乎規(guī)范?測量的數(shù)據(jù)是否有效?是否需要重復測量?在實驗之后，提出:分析的實驗結果是否與理論相符?測量的誤差有多大?產(chǎn)生誤差的原因是什么?哪些地方還可以改進?學生通過思考問題對元認知進行監(jiān)控，調整自己的行為。教師也根據(jù)學生作的回答，了解到學生更具體、更細節(jié)的想法，為自己更進一步指導實驗的進行提供了依據(jù)。

5 結 語

通過對學生在大學物理設計性實驗中的實驗行為進行研究，學生在實驗中較為普遍存在的問題顯現(xiàn)出來，針對這些問題，我們在教學上進行了改進，注重基礎實驗與設計性實驗間的銜接，強調科學探究，強調全面科學的評價指標，滲透元認知的教學策略。這些改進措施的成效已經(jīng)初步顯現(xiàn)，學生面對設計性實驗時，思路更加開闊，分析問題更加全面，也更加樂于探索，學生的創(chuàng)造潛力在逐步挖掘，部分學生撰寫的實驗論文經(jīng)教師修改后還在高質量的雜志上發(fā)表。在今后的大學物理設計性實驗教學中，我們將進一步深化教學改革，將這門課程建設得更好。

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