劉傳東

摘 要：在大學(xué)物理理教學(xué)中，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在創(chuàng)新理論下的一項(xiàng)教學(xué)改革重點(diǎn)。本文從內(nèi)涵和意義、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施程序、實(shí)驗(yàn)的方法與原則等幾個(gè)方面對(duì)大學(xué)物理教學(xué)改革中的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)做了全面的闡述。從具體技術(shù)細(xì)節(jié)上，使設(shè)計(jì)性試驗(yàn)更具有規(guī)范的操作性，使得其能在大學(xué)物理教學(xué)中更好的推廣和普及。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理 教育改革 設(shè)計(jì)性 創(chuàng)新型 物理實(shí)驗(yàn)

一、要正確理解教育改革，大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和開設(shè)意義

1.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的定義

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)顧名思義就是讓學(xué)生按自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案去做實(shí)驗(yàn)：大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)應(yīng)有不同的形式和要求：從形式上區(qū)分包括原理性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和制作性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；從知識(shí)要求上分包括利用已掌握的知識(shí)和常用儀器所做的設(shè)計(jì)、開拓常用儀器的新用法所做的設(shè)計(jì)、在一定方向擴(kuò)展知識(shí)后利用新科技所做的設(shè)計(jì)等等。

2大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與一般的物理實(shí)驗(yàn)不同，是在學(xué)生掌握了部分基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、具備了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ筮M(jìn)行的一種教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)通常是在教師指導(dǎo)下，通過自行閱讀實(shí)驗(yàn)材料，熟悉常用儀器的原理、結(jié)構(gòu)及其使用方法來組織實(shí)驗(yàn)；對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察、判斷，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出誤差分析，是學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)全過程的一種綜合訓(xùn)練。大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案的選擇。根據(jù)實(shí)驗(yàn)者研究的具體要求及對(duì)實(shí)驗(yàn)精度的要求，提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，確定實(shí)驗(yàn)方案，選擇測(cè)量?jī)x器種，類、量程、精度以及各儀器之間的相互配合與影響，自行安排實(shí)驗(yàn)步驟，得出符合要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。由于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)必須經(jīng)過一定基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練后進(jìn)行，因此應(yīng)該重視前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

3、開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的意義

一個(gè)好的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)和檢驗(yàn)學(xué)生應(yīng)用理論知識(shí)、掌握實(shí)驗(yàn)原理、正確選擇與操作儀器、確定測(cè)量條件等方面的能力；能給學(xué)生一個(gè)較寬闊的思考空間和選擇余地，可以發(fā)揮他們各自的思維與想象力，使學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和綜合能力受到啟發(fā)和鍛煉；可以培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)韌不拔的意志品質(zhì)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度及相互幫助的協(xié)作精神。

二、要注意設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)施程序所具有的特點(diǎn)

大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的程序是：實(shí)驗(yàn)方案的提出、實(shí)驗(yàn)方案的論證、實(shí)驗(yàn)方案的修改、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫。

實(shí)驗(yàn)方案的提出是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)最重要最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的和要求，查閱有關(guān)資料，收集各種可能的實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)物理學(xué)原理及相關(guān)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)，建立合理的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停_定被測(cè)量量與可測(cè)量量之間的關(guān)系，推出有關(guān)測(cè)量公式。然后通過分析比較，選擇出一種實(shí)驗(yàn)上可行、實(shí)驗(yàn)條件允許的能夠保證測(cè)量精度的最佳實(shí)驗(yàn)方案。

提出初步實(shí)驗(yàn)方案后，要對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行論證，考察所提出的方案是否可以實(shí)現(xiàn)，能否達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置是否合適，所選的儀器搭配是否合理，是否可以達(dá)到所要求的精度，應(yīng)用誤差傳遞公式檢驗(yàn)所選擇的實(shí)驗(yàn)條件是否有利于減小誤差等等。在論證過程中”發(fā)現(xiàn)問題，要及時(shí)修改實(shí)驗(yàn)方案。然后按照改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。如果在實(shí)驗(yàn)操作過程中發(fā)現(xiàn)新問題，再重新修改實(shí)驗(yàn)方案，采取適宜的解決措施，如可以通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件、更換實(shí)驗(yàn)儀器或改變測(cè)量方法等。然后再重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要及時(shí)總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告除常規(guī)的要求以外，要注明參考文獻(xiàn)和資料等，特別重要的是要有對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析討論。

三、要堅(jiān)持設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案中的幾項(xiàng)選擇原則

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案選擇，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)量方法、測(cè)量?jī)x器和測(cè)量條件進(jìn)行的。

1、實(shí)驗(yàn)方法的選擇

根據(jù)教師所提出的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，查閱有關(guān)資料，搜集羅列出各種可能的實(shí)驗(yàn)方法，分析比較各種方法的適用條件、局限性和可能達(dá)到的實(shí)驗(yàn)精度。此外，還必須考慮各方案實(shí)施的可能性等，選出一種最佳實(shí)驗(yàn)方法。最佳實(shí)驗(yàn)方法并非指實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度最高、使用儀器最精密，而是指根據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的精度要求，選擇恰好符合要求且最經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方法。

2、測(cè)量方法的選擇

在實(shí)驗(yàn)方法確定后，對(duì)各種測(cè)量方法進(jìn)行篩選，使各種測(cè)量結(jié)果誤差最小。為此需要對(duì)誤差來源及誤差傳遞進(jìn)行分析，還要對(duì)間接測(cè)量與直接測(cè)量之間的關(guān)系進(jìn)行研究。因此在選擇測(cè)量方法時(shí)，可以利用誤差傳遞公式來比較各方法中不確定度是否符合要求，計(jì)算出哪一種方法誤差最小，以此來確定測(cè)量方法。

3、測(cè)量?jī)x器的選擇

在選擇測(cè)量?jī)x器時(shí)，主要考慮儀器的分辨率、精確度、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等。選擇儀器時(shí)，不能認(rèn)為儀器的精確度越高越好。因?yàn)閮x器精確度越高，工作狀態(tài)、調(diào)節(jié)等就越復(fù)雜，越易出問題，并且價(jià)格昂貴，因此只要能夠達(dá)到要求的測(cè)量精確度，所選擇的儀器就是最合適的。此外，在選擇儀器時(shí)，要進(jìn)行適當(dāng)搭配，使所有儀器基本配套，每個(gè)儀器產(chǎn)生的相對(duì)不確定度要基本相當(dāng)，差別不要太懸殊。

四、要扎實(shí)做好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)操作前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作

與常規(guī)實(shí)驗(yàn)不同的是，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作更為重要。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師必須通曉每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都有各自的技巧和規(guī)律，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師必須通過訓(xùn)練和實(shí)踐摸索掌握這些規(guī)律。估算各物理量的誤差及其范圍，要知道某些物理量會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性。因此要把注意力集中在那些對(duì)最后結(jié)果的誤差起主要作用的物理量。此外，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師要檢查整套儀器設(shè)備的各個(gè)部分工作是否正常，如儀器的機(jī)械部分是否穩(wěn)定，儀器的水平面是否水平，光學(xué)儀器的反射面和折射面的表面是否清潔、無灰塵，光學(xué)儀器系統(tǒng)應(yīng)該確保準(zhǔn)直，使鏡面與光線方向垂直等。

五、同時(shí)還要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和改革試驗(yàn)室管理模式

1.首先要轉(zhuǎn)變觀念。充分認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)室是從事實(shí)踐教學(xué)的基地，是培養(yǎng)高素質(zhì)人才的主戰(zhàn)場(chǎng)，從而提高對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)在人才培養(yǎng)中重要作用的認(rèn)識(shí)，樹立實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)并重，協(xié)調(diào)發(fā)展的理念；明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)更主要的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、發(fā)現(xiàn)能力、分析能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

2.轉(zhuǎn)變管理機(jī)制，提高資源利用率。建立一級(jí)管理機(jī)制，成立相應(yīng)的管理機(jī)構(gòu)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)統(tǒng)一集中管理，具體負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的統(tǒng)一組織與實(shí)施；發(fā)揮“一級(jí)管理”的高效性，強(qiáng)調(diào)按功能建立實(shí)驗(yàn)室，突破原來狹窄的學(xué)科、專業(yè)之間的壁壘，建立一級(jí)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)大平臺(tái)；實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備實(shí)行統(tǒng)一規(guī)劃、投入和管理，變“歸我所有”為“為我所用”。

3.加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室隊(duì)伍建設(shè)。各高校應(yīng)重視實(shí)驗(yàn)室人才資源的綜合利用，鼓勵(lì)試驗(yàn)人員進(jìn)修提高；吸引高學(xué)歷、高職稱人員加入實(shí)驗(yàn)師資隊(duì)伍，優(yōu)化試驗(yàn)隊(duì)伍整體水平，建立一支既有深厚的理論基礎(chǔ)，又有很強(qiáng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力，能培養(yǎng)高素質(zhì)學(xué)生的高素質(zhì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)隊(duì)伍。

4.建設(shè)校內(nèi)實(shí)習(xí)基地?；亟虒W(xué)是深化課程實(shí)踐教學(xué)的重要手段，也是教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前，許多學(xué)校、單位已不愿意接受學(xué)生實(shí)習(xí)，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)很少。加之校外實(shí)習(xí)的費(fèi)用支出不斷增長(zhǎng)，有限的實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)已不足以滿足要求。因此，建設(shè)相對(duì)穩(wěn)定的校內(nèi)實(shí)習(xí)基地勢(shì)在必行。

綜上，大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在創(chuàng)新理論指導(dǎo)下的一種科技創(chuàng)新，而培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力是高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)重點(diǎn)。要做好設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，必須做到：（1）要有興趣和信心，通過實(shí)驗(yàn)鍛煉來塑造自己的創(chuàng)新品格；（2）要盡可能多地收集相關(guān)資料信息，結(jié)合創(chuàng)新思維、方法、技巧，設(shè)計(jì)構(gòu)思出最佳的方案；（3）重視實(shí)驗(yàn)報(bào)告或科技小論文的撰寫，使學(xué)生通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的全過程，獲得某種程度的成就感，從而對(duì)物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚的興趣，激發(fā)其創(chuàng)新潛能。

參考文獻(xiàn)

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