張映輝

（大連海事大學，遼寧 大連 116026）

設計性研究性實驗題目設置和教學方法初探

張映輝

（大連海事大學，遼寧 大連 116026）

本文站在提高學生科學素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和增強國家科技競爭力的高度，針對大學物理實驗教學中普遍存在的設計性、研究性實驗題目設置“難”，以及由此帶來的教學“難”問題，提出了明確的思路和較實用的解決方案，對于全面貫徹教學基本要求，提高實驗教學層次和質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實指導意義。

設計性、研究性實驗；題目設置；分類指導

1 問題的提出

（1）物理實驗是科學實驗的先驅(qū)，在實驗思想、實驗方法、實驗手段等方面是各學科科學實驗（科學試驗）的基礎。物理實驗教學比理論教學能更為直接地體現(xiàn)科學的世界觀和方法論。

（2）新版《理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》把設計性、研究性實驗作為理工科各專業(yè)大學物理實驗教學的重要組成部分［1］，并規(guī)定了最低學時比重。貫徹教學基本要求，探索設計性、研究性實驗教學的一般規(guī)律，提高設計性、研究性實驗教學水平，是關系學生質(zhì)量和國家科技競爭力的重大問題，是每一個實驗教師的重要職責。

（3）傳統(tǒng)的大學物理實驗大都是基礎性或綜合性實驗。經(jīng)過幾百年的積累，現(xiàn)成的基礎性、綜合性實驗題目眾多，且不乏經(jīng)典。

設計性、研究性實驗教學不能象基礎性、綜合性實驗那樣，先由教師“設計”好方案，準備好儀器設備，讓學生“按圖索驥”走一遭。必須根據(jù)現(xiàn)有實驗條件和學生的基礎，提出既有一定難度和現(xiàn)實（生產(chǎn)、生活）意義，且有一定“設計”、“研究”空間的題目。因此，如何設置實驗教學題目（即選題的基本原則和方法），是設計性、研究性實驗教學必須認真研究和解決的一個重要問題。

（4）設計性、研究性實驗教學倡導學生通過自行設計、用自主研究的方式進行實驗，而學生個體的差異性則會造成實驗方案（手段、途徑和方法）的多樣性，這將給教師在教學（實驗原理和技術）指導上帶來許多意想不到的問題，教學的難度更大了。

2 關于設計性、研究性實驗的題目設置

指導學生進行設計性、研究性實驗的空間十分廣闊，題目設置的方法非常眾多。經(jīng)過幾年的研究探索，我們感到，設計性實驗選題應從以下幾個方面入手:

（1）探索新的實驗方法（方案）的設計性實驗。面對日新月異的新技術、新儀器、新設備，我們完全可以對某些經(jīng)典實驗的路徑選擇進行重新考量，重新設計。即引導學生使用新技術、新儀器、新設備重新設計實驗方案，并完成實驗。

（2）更新現(xiàn)有儀器、設備的設計性實驗。計算機（數(shù)字）技術、激光技術等新技術的廣泛應用大大提高了人類對于物質(zhì)（實驗所輸入的固體、液體、氣體）、能量（輸入的聲、光、電）的控制能力和輸出（現(xiàn)象）的觀測（定性和定量）能力，應及時地應用到生產(chǎn)、生活和科學實驗（試驗）之中。即以提高輸入控制水平和輸出（現(xiàn)象、結(jié)論）觀測（測量、記錄）水平為目標，指導學生圍繞“提高實驗的精確度”進行設計性實驗，并進而更新儀器、設備。如我校自動化2002級學生王秋林等設計制作的“RC充放電智能化實驗儀”經(jīng)實驗驗證具備隨機采集相關實驗數(shù)據(jù)，實時動態(tài)顯示RC充放電過程，提高測量精度等功能，現(xiàn)已由上級批準正式列為實驗“RC串聯(lián)電路充放電特性研究”教學儀器。

（3）創(chuàng)制新儀器、新設備的設計性實驗。對于某些在過去生產(chǎn)、生活、實驗中不大常見、常用（或僅用其大略而沒有很高的精度限制），而在今后的生產(chǎn)、生活、科學試驗中已（將）普遍運用的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)（或運用精度有較高要求），客觀上顯然需要創(chuàng)制新的儀器、設備進行觀測、記錄和控制。類比前段所述，可引導學生運用計算機（數(shù)字）技術、激光技術等新技術創(chuàng)制新的儀器、設備，并通過實驗進行驗證、調(diào)試。

研究性實驗選題主要應采用如下方法:

（4）截取法，是指在現(xiàn)有的生產(chǎn)流程（生產(chǎn)實踐）、科學試驗或者正在進行研究探索的科研課題中適當截取一小段或一部分內(nèi)容作為設計性、研究性實驗題目的選題方法［1］。也就是說，可以把現(xiàn)有的生產(chǎn)或科學試驗流程作為設計性、研究性實驗題目的淵源，從中截取其有代表性的一部分加以簡化和改造，使其成為設計性、研究性實驗題目。

如我們開設的“玻璃材料的設計與制備”實驗就取自于玻璃生產(chǎn)流程，使學生學習和體驗新材料制備和不同配比下凝聚態(tài)物質(zhì)特性研究的一般方法。

（5）跟進法，是指將最新科研成果、最新生產(chǎn)流程、最新實驗方法進行適當加工和簡化作為設計性、研究性實驗題目，或者在最新科研成果、最新生產(chǎn)流程、最新實驗方法的基礎上進一步提出前進性探索研究課題的選題方法。與截取法相比較，跟進法含有“跟”和“進”兩層意思，“跟”就是緊跟前沿進行選題，而“進”則可以站在前沿或者超越現(xiàn)有成果進行選題。

一般來說，跟進法實驗選題的題目和內(nèi)容可以是開放的。即在實驗教學題目上只給學生一個大致的實驗（試驗）研究方向。如在現(xiàn)有設計性、研究性實驗題目以外，利用開放實驗平臺，向?qū)W生提供某個生產(chǎn)或試驗流程的情況介紹、科研項目成果或進展的資料，引導學生圍繞相關流程和具體解決方案進行設計性、研究性實驗，或者突破現(xiàn)有的研究范圍和現(xiàn)有成果進行前進性、開拓性、開創(chuàng)性（獨創(chuàng)性）的研究。

（6）并行法（或者叫類比法），是將科研課題（或其一部分）直接轉(zhuǎn)化為設計性、研究性實驗題目，或者將與科研課題、生活難題以及生產(chǎn)實踐中遇到的現(xiàn)實問題相類似、相近似的問題用類比的方式轉(zhuǎn)化為設計性、研究性實驗題目的選題方法［3］。這里講的“并行”在某種意義上可以是時間上的同步性（同時實行或?qū)嵤?，也可以是?nèi)容或方法上的相似性、類比性。

一種方法是指導學生直接參與本系老師承擔的科研項目，將其中難度適中的某一部分（或幾部分）內(nèi)容作為設計性、研究性實驗題目或畢業(yè)設計（論文）題目交給學生去探索和研究。另一種方法是將生產(chǎn)、生活中現(xiàn)實難題的解決直接確定為設計性、研究性實驗。

應該指出或說明的是，設計性實驗和研究性實驗沒有嚴格界限，設計性實驗所設計的方案、儀器、設備需要通過實驗進行研究、改進、調(diào)試和驗證。而研究性實驗則更需要對原理、思路、方案、手段進行認真的設計。上面對設計性實驗、研究性實驗題目進行的分別論述只是為了闡述實驗題目設置方法的便利。竊諸君自會明鑒。

3 關于設計性、研究性實驗的教學方法

（1）對工程設計制造類工科專業(yè)（如我校輪機、電氣、土木、自動化）的學生應著重提供處于前沿、難度較大、具有創(chuàng)新探索性質(zhì)的設計性、研究性實驗題目，重在引導學生開闊思路、大膽設想。一是綜合運用理論知識和各種儀器設備（包括計算機），對既定的實驗題目進行獨創(chuàng)性研究和探索，從而得到實驗結(jié)果或結(jié)論；二是對最新科研成果及相關（或相近）問題進行獨創(chuàng)性研究和探索，從而導出新近得知的結(jié)論、做法、設備、工序等；三是導出與最新科研成果相關、相近、相類似的新結(jié)論、新成果、新做法、新設備、新工序。第三點亦可作為指導學生畢業(yè)設計（論文）的一個做法選項。

（2）對其他普通工科類（如航海技術，交通運輸之外貿(mào)運輸、港口管理）的學生，應主要提供基礎性、驗證性、難度相對較小的設計性、研究性實驗題目，重在進一步熟悉和理解物理概念和規(guī)律，熟悉儀器的使用方法，并在此基礎上引導學生開動腦筋、大膽實踐、勇于創(chuàng)新，提高知識的綜合運用能力，培養(yǎng)學生自信心。

（3）對興趣濃厚、設計創(chuàng)新能力較強的學生，一是開放實驗室，給他們提供更多的研究機會；二是指定教師負責組織他們形成研究攻關小組，加強引導、交流配合、舉辦“頭腦風暴”沙龍，指導他們設計新方法、新組合、新程序，創(chuàng)制新儀器、新設備，指導他們撰寫論文、幫助他們推廣新方法、新設備；三是積極組織本校物理實驗技能大賽，發(fā)現(xiàn)人才，培育創(chuàng)新研究興趣進而選出骨干力量，參加省市物理學術競賽和物理實驗競賽，直接參與前沿學術研究，感受、探索、創(chuàng)新氛圍，為國家和社會培養(yǎng)和輸送基礎扎實、綜合素質(zhì)高的科技人才。

（4）對物理專業(yè)的學生（尤其是研究生）應著重提供能較好地體現(xiàn)物理思想和方法，有一定難度和創(chuàng)新性的設計性研究性實驗題目。重在引導學生在深刻理解物理規(guī)律，熟練掌握儀器設備功用的基礎上，積極運用物理科學發(fā)展中形成的各種先進的思想和方法進行獨創(chuàng)性研究和探索，實驗的目的不止于得到實驗結(jié)果或結(jié)論，而更在于學會運用物理思想和物理方法，更在于思路和方法的創(chuàng)新性，更在于培養(yǎng)一種科學精神、一種追求真理的習慣，以及對物理科學的一種崇敬、信仰和熱愛。

［1］ 教育部高等學校物理學與天文學教學指導委員會物理基礎課程教學指導分委會.理工科類大學物理實驗課程教學基本要求（2010年版）［M］.北京:高等教育出版社，2011，15-18.

［2］ 張映輝.截取、跟進、并行--設計性、研究性實驗選題的重要方法［Z］.《物理與工程》2013年增刊-“2013年全國高等學校物理基礎課程教育學術研討會論文集”，303、304、307.

［3］ 張增明，孫臘珍，霍劍青，等.創(chuàng)新研究型物理實驗教學平臺的建設與實踐［J］.物理實驗，2009（7）: 14-17.

［4］ 喬憲武，江影，徐鵬.設計性物理實驗教學方法改革［J］.大學物理實驗，2012，25（1）.

Research on the Thematic Setting and Teaching Method for Design of and Research Experiment

ZHANG Ying-hui
（Dalian Maritime University，Liaoning Dalian 116026）

It is based on the improving the scientific attainments of students，cultivating innovative talents and enhancing the technological competition of the nation.In general，the thematic setting for design of and research experiment is difficult.Moreover，the corresponding teaching is hard.According to these problems in the teaching of university physics experiment，we propose explicit idea and practical resolving project.This paper has very important guidable signification for us to carry out basic requiring for teaching and improve experimental teaching and quality.

design of experiment；research experiment；thematic setting；classified guidance

G642.0

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.01.035

1007-2934（2015）01-0107-03

2014-09-16